Untersuchung der Verspannung von Gallium- und Indiumnitrid mit Ramanspektroskopie. - 87 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Gruppe-III-Nitride gehören aufgrund ihrer optischen Eigenschaften in der Wurtzitstruktur und ihrer direkten Bandlücke in dieser zu den interessanten Halbleitermaterialen für optische Anwendungen. Mithilfe ihrer ternären und quaternären Mischkristalle kann man die Bandlücke über einen weiten Spektralbereich (0,67 bis oberhalb von 6 eV) durchstimmen. - Ausgehend von der Kristallstruktur und der Gruppentheorie ergeben sich Symmetrieeigenschaften, mit deren sich die Auswahlregeln für Raman- und Infrarotaktivität der einzelnen optischen Phononenmoden am Gammapunkt beschreiben lassen. Wächst man Heterostrukturen so ergeben sich durch unterschiedliche Gitterparameter, der einzelnen Schichten Verspannungen im Kristall. Diese werden zusätzlich durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten überlagert und verstärken die Verspannungen. Die Verspannungen führen im Kristall zu Verzerrungen und dies hat Einfluss auf die Bandlücke dieser Halbleiterschichten. - Diese Arbeit stellt eine Einführung in die Ramanspektroskopie für Halbleiter dar und wurde mit dem Spektrometer der TU Ilmenau durchgeführt, dazu mussten Veränderungen und Optimierungen am Messaufbau durchgeführt werden. Ausgehend von den theoretischen Grundlagen wird der Nachweis der Auswahlregeln für die Ramanspektroskopie für die unterschiedlichen Kristallorientierungen erbracht und die Abhängigkeiten der Position der Phononenenergien von der Verspannung bzw. Verzerrung nachgewiesen für das Stoffsystem Galliumnitrid. Die Verzerrung wurde auch aus Gitterparametern, ermittelt mit Röntgendiffraktometrie, berechnet um einen Vergleich ziehen zu können. Bevor die dabei erlangten Ergebnisse und Zusammenhänge auf Indiumnitrid übertragen wurden. GaN stellt dabei das gut verstandene Stoffsystem und Indiumnitrid das junge und relativ unerforschte Halbleitermaterial dar. - Ein weiterer Schwerpunkt des experimentellen Teils dieser Arbeit ist es, die Ladungsträgerdichte in mit Silizium dotierten GaN Schichten zu bestimmen mit zwei komplementären Messmethoden. Infrarot-Spektralellipsometrie diente hier als zweite Untersuchungsmethode neben der Ramanspektroskopie. Beide Untersuchungsmethoden führten zu in sich konsistenten Ergebnissen.
Optische Spektroskopie an epitaktischen MgZnO-Schichten. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Der Halbleiter Zinkoxid gewinnt seit der Mitte der 90er Jahre stetig an Interesse in der Halbleiterforschung. Die direkte Bandlücke von rund 3,4eV und die außergewöhnlich hohe Exzitonenbindungsenergie von etwa 60meV machen ZnO zu einem idealen Kandidaten für optoelektronische Anwendungen im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente ist die Durchstimmbarkeit der Bandlücke. Dabei kann die Verschiebung zu höheren Energien durch die Substitution von Zn mit Mg realisiert werden. Während die optischen Eigenschaften von ZnO weitgehend verstanden sind, gilt dies nicht für das ternäre System MgZnO. Die vorliegende Arbeit stellt dazu im Vorfeld der Untersuchungen das Materialsystem vor, beschreibt die Theorie der optischen Eigenschaften und diskutiert den Einfluss von Verspannungen auf Basis der kp-Theorie. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Bestimmung und die Analyse der komplexen dielektrischen Funktion von MgZnO. Diese wurde mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie im Bereich zwischen 1eV und 5eV an epitaktischen MgZnO-Schichten mit Mg-Anteilen von 0% bis 23% bestimmt. Die isotrope Anpassung lieferte die parameterfreien dielektrischen Funktionen der MgZnO-Schichten. Bei der Analyse auf ihre einzelnen Beiträge wurden, neben der Coulomb-Wechselwirkung, Beiträge durch Exzitonen-Phononen-Komplexe berücksichtigt. Es zeigte sich, dass diese einen signifikanten Beitrag zur dielektrischen Funktion von MgZnO liefern. Zusätzlich konnten aus den Anpassungen wichtige Materialparameter, wie z.B. die Bandlücke oder die Hochfrequenzdielektrizitätszahl, bestimmt werden. Neben der Ellipsometrie erfolgte eine unabhängige Charakterisierung mittels temperaturabhängiger Photolumineszenzspektroskopie im Bereich der Bandkante. Die Übergänge aus freien und gebundenen Exzitonen sowie ihre Phononenreplika konnten über den gesamten Temperaturbereich (5K-290K) identifiziert werden. Der Vergleich von Ellipsometrie und Photolumineszenz zeigte eine Stokes-Verschiebung.
Modeling of the AC and DC characteristics of large-area graphene field-effect transistors. - 89 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
In dieser Arbeit werden zwei Modelle entwickelt und vorgestellt, die es ermöglichen das elektrische Verhalten von Feld-Effekt Transistoren zu beschreiben, deren Kanal aus großflächigem Graphen besteht. - Dabei werden zunächst die Grundlagen der Bandstruktur, der Zustandsdichte und der Ladungsträgerstatistik von Graphen bearbeitet. Anschließend wird mit Hilfe dieser ein kapazitives Ersatzschaltbild entwickelt, welches die Auswirkungen der Quantenkapazität berücksichtigt. Dadurch ist es möglich die Ladungsträgerkonzentration im Graphen in Abhängigkeit von der Gate-Spannung exakt zu beschreiben. - Desweiteren wird gezeigt, warum die Sättigungsgeschwindigkeit, und damit die Ladungsträger-Geschwindigkeit, abhängig von der Konzentration der Ladungsträger ist. Im Anschluss werden die beiden oben genannten Modelle präsentiert und gezeigt wie man mit ihnen reelle Gleichstrom-Kurven, Elemente des Kleinsignal-Signal-Ersatzschaltbildes und die Grenzfrequenz berechnen kann. Im Abschluss werden die Ergebnisse verschiedener Simulationen zur Quantenkapazität, der Gleich- und Wechselstrom-Kennlinien, und Grenzfrequenz vorgestellt und mit experimentellen Daten verglichen.
In-line Verdampfung von Indiumsulfid als Pufferschicht für Dünnschicht CIGS Solarzellen. - 98 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Die Stromerzeugung über Photovoltaik gewinnt zunehmend an Bedeutung. Mit der sogenannten Dünnschichttechnik wird der Weg zu kostengünstigen Solarmodulen aufgemacht. Dünnschichtzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) werden inzwischen kommerziell gefertigt. Bei heutigen Zellen wird zwischen dem Halbleiter und der Frontelektrode eine Cadmiumsulfid-Pufferschicht durch eine Fällungsreaktion aus wässriger Lösung aufgebracht. - Ziel der Bachelorarbeit war es eine cadmiumfreie Pufferschicht aus der Gasphase herzustellen, die vergleichbare Eigenschaften wie die bisherige Pufferschicht aufweist. Dabei wurde ein bereits auf kleiner Fläche (0,5 cm2) getestetes statisches Verfahren zur Erzeugung von In2S3-Pufferschichten mittels thermischer Verdampfung auf größerer Fläche (30x30 cm2) erfolgreich übertragen, wobei eine produktionsnahe In-line-Laboranlage verwendet wurde. Durch eine detaillierte Analyse der Vorgänge bei der Abscheidung konnten die Eigenschaften der Pufferschicht auf größerer Fläche optimiert werden. Auf dieser Basis wurden komplette CIGS-Module aufgebaut und charakterisiert. Thermisch verdampfte In2S3-Schichten als Puffer in 30x30 cm2 CIGS-Solarmodulen sind in der Literatur bisher nicht beschrieben und wurden somit erstmals in dieser Arbeit realisiert.
Untersuchungen zur Stabilität mikromorpher Siliziumdünnschicht-Solarzellen. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Stabilität mikromorpher Solarzellen, hergestellt in einem industriellen Produktionsprozess. Hierzu wird das Verhalten wichtiger Solarzellenparameter, wie Voc, jsc und eta, unter dem Einfluss verschiedener Bedingungen beobachtet und interpretiert. Die Kristallinität des æc-Si-Absorbers stellt sich während dieser Untersuchungen als Schlüsselparameter für die Stabilität mikromorpher Solarzellen heraus. - Ein sensibler Abschnitt im industriellen Herstellungsprozess ist die Standzeit zwischen der PECVD- und der ZnO-Rückkontaktabscheidung. Hier besitzen Kontaminationen Einfluss auf die Parameter der mikromorphen Solarzelle. Während für eine Standzeit t1 < 50 h kein eindeutiger Trend zu erkennen ist, so wirkt sich diese für t1 > 50 h reduzierend auf Voc und jsc aus. Besonders kristalline Zellen weisen für hohe Standzeiten eine Erhöhung im Serienwiderstand auf. Als Kontamination kann der Sauerstoffgehalt in der intrinsischen Absorberschicht der æc-Si-Bottom-Zelle durch eine SIMS-Analyse in Bezug zum resultierenden Wirkungsgrad gesetzt werden. Es wird beobachtet, dass Zellen mit dem größten Sauerstoffgehalt die geringste Effizienz aufweisen und umgekehrt. - Durch die Anwendung einer thermischen Behandlung wird untersucht, ob die durch Kontamination induzierte Degradation reversibel ist. Zellen hoher Kristallinität zeigen eine Verbesserung in jsc und Voc. Mit abnehmender Kristallinität verringert sich auch die relative Änderung in jsc und Voc. Während für noch geringere Kristallinitäten alle Zellen in Voc eine Verbesserung erzielen, zeigt sich für ein Teil der Zellen ein Verlust in jsc durch die thermische Behandlung. - Im letzten Teil dieser Arbeit wird die Stabilität der mikromorphen Solarzellen nach thermischer Behandlung bei Lagerung in Dunkelheit untersucht. Es kann beobachtet werden, dass mikromorphe Zellen mit hoch kristalliner Bottom-Zelle, welche zuvor von Temperung am stärksten profitiert haben, die größte Dunkeldegradation in jsc und Voc zeigen. Mikromorphe Zellen, welche zuvor durch Temperung einen Verlust in jsc aufgewiesen haben, zeigen durch die Dunkellagerung einen relativen Gewinn auf. Die mikromorphe Solarzelle mit der höchsten stabilisierten Effizienz von 9,65% hat eine Ramankristllinität von 0,56.
Untersuchung der Laserablation dünner Metall und Oxidschichten in unterschiedlichen Umgebungsmedien. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Die Vorder- und Rückseitenablation dünner Gold- und Siliziumsuboxidschichten auf einem Quarzglassubstrat mit Hilfe eines UV-Excimerlasers ist die zentrale Problemstellung der vorliegenden Arbeit. Hierzu kommen ein ArF-Laser (193 nm) sowie ein KrF-Laser (248 nm) zum Einsatz. Im ersten Versuchsteil werden beide Bearbeitungskonfigurationen, Vorder- und Rückseitenablation, vergleichend gegenübergestellt, wobei zusätzlich der Einfluss eines Grobvakuums auf den Prozess untersucht wird. Die Reduzierung des Umgebungsdrucks führt zu einer Verringerung der Ablagerungen auf der bearbeiteten Oberfläche. Eine Änderung der Schwellfluenz für die Ablation durch die veränderten Druckverhältnisse kann mit den verwendeten Methoden jedoch nicht festgestellt werden. Ebenso gibt es kaum Unterschiede hinsichtlich der Nanopartikel im Vergleich zur Bearbeitung an Luft. Bei der Vorderseitenablation der Goldschichten steigt die Größe der entstehenden Nanopartikel mit zunehmender Fluenz, wohingegen die räumliche Dichte abnimmt. Mit steigender Fluenz verändern sich Größe und Dichte der Partikel bei den rückseitig bestrahlten Goldschichten kaum, allerdings verschwinden die Partikel ab einer bestimmten Fluenz komplett. Im Gegensatz dazu zeigt sich bei den Siliziumsuboxidschichten keine deutliche Abhängigkeit der Form, Größe und räumlichen Dichte der Partikel von der Fluenz. Für den zweiten Versuchsteil werden die rückseitig bestrahlten Schichten direkt mit Aceton bzw. Ethanol in Berührung gebracht. Innerhalb eines definierten Fluenzbereichs verschwinden die Ablagerungen auf der Oberfläche durch das flüssige Confinement beinahe vollständig. Für praktische Anwendungen, wie die Herstellung von optischen Elementen, ist dieser Aspekt ein großer Vorteil. Allerdings bleibt an den Rändern der streifenförmig ablatierten Flächen Material zurück, weshalb die Ränder deutlich unsauberer im Vergleich zur Bearbeitung an Luft sind. Deshalb kann auf zusätzlich Reinigungsprozeduren nicht vollständig verzichtet werden. Zusätzlich werden die Ergebnisse einer Simulation zur Temperaturentwicklung innerhalb der Schichten bei dem Prozess der Vorderseitenablation vorgestellt. Das Programm basiert auf der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung mit Quellterm. Die Ergebnisse der Simulation stimmen gut mit dem Experiment überein und legen nahe, dass bei den vorderseitig bestrahlten Goldschichten ein Ablationsprozess vorliegt, bei dem hydrodynamische Effekte eine zentrale Rolle spielen.
Untersuchung struktureller und elektronischer Eigenschaften von konjugierten Fullerenen. - 92 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
In der vorliegenden Arbeit wurden Fullerene, die über Cyclobutan-, Cyclopentan-, Furan- oder Pyrrol-artige Brücken miteinander verknüpft sind, theoretisch mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht. Es stellt sich zunächst die Frage, ob die auf diese Weise verknüpften Fullerene als 'konjugiert' bezeichnet werden dürfen. Aufgrund unbesetzter Molekülorbitale mit 'freischwebenden' Elektronendichten zwischen den Fullerenen - jedoch außerhalb der Brücken - ist dies im weiteren Sinne durchaus gerechtfertigt. Es handelt sich bei diesen Materialien um Halbleiter mit einer berechneten Bandlücke (HOMO-LUMO-Differenz) zwischen 2,4 eV und 2,7 eV. Anhand der energetischen Position und dem Aussehen der unbesetzten Orbitale wurde deren jeweiliger Beitrag zur molekularen Leitfähigkeit qualitativ abgeschätzt. Die quantenchemische Untersuchung der Grundzustandsenergien für an unterschiedlichen Positionen verbrückte Fullerene ergab sehr geringe Unterschiede zwischen verschiedenen Isomeren. Folglich ist von einer Vielzahl an Isomeren auszugehen. Daher reichen Reaktionsenergie-selektive Syntheseverfahren für eine geordnete Polymerisation der Fullerene nicht aus, sondern es wird ein Verfahren mit Vorstrukturierung der Anordnung der Fullerene benötigt. Für Polymere aus Cyclobutan-artig verbrückten Fullerenen ist das bereits in Experimenten gelungen. In der vorliegenden Arbeit wurden für diese Polymere die elektronischen Zustände berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Daneben wurden ebenfalls neuartige ringförmige Fulleren-Oligomere theoretisch analysiert.
Strukturelle Veränderungen amorpher Al85Ni10La5 (at- %) Legierungen durch Kugelmahlen bei unterschiedlichen Temperaturen. - 64 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Untersuchungsobjekt dieser Arbeit ist das aluminiumreiche metallische Glas Al85Ni10La5 (at- %). Hergestellt durch Heliumverdüsung, liegt die Legierung in Pulverform mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 11 ?m vor. Aluminiumreiche metallische Gläser haben sehr hohe Streckgrenzen und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, wodurch eine Anwendung bei Hochfestigkeitswerkstoffen interessant ist. Die Streckgrenze kann durch eine partielle Kristallisation signifikant erhöht werden. Dabei entstehen fcc- Aluminiumkristalle mit einer Größe von wenigen Nanometern innerhalb der amorphen Matrix. Diese unvollständige Entglasung kann sowohl durch thermische als auch durch mechansiche Verfahren induziert werden. Der Kristallisationsmechanismus beider Verfahren ist vermutlich vollkommen unterschiedlich. Einige Wissenschaftler vermuten, dass der Kristallisationsmechanismus der mechanisch induzierten Kristallisation athermisch ist. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Temperatureinflüssen auf die mechanisch induzierte Kristallisation von Al85Ni10La5 (at- %) verursacht durch Kugelmahlen. Hierfür wurden Mahlvorgänge in drei unterschiedlichen Temperaturbereichen vollzogen, wobei neben Raumtemperatur (RT), tiefe Temperaturen (TT) durch Trockeneis und hohe Temperaturen (HT) durch Heißluft realisiert wurden. Die gemahlenen Proben wurden mit unterschiedlichen experimentellen Verfahren untersucht: Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (LM, REM), Differenzialkalorimetrie(DSC) und Röntgenstrukturanalyse (XRD). Die DSC- Kurven offerieren charakteristische Temperatureinflüsse, die vermutlich durch eine beschleunigte Bildung von fcc- Aluminium bei höheren Mahltemperaturen verursacht sind. Der Vergleich der XRD- Spektren nach 240 Minuten Kugelmahlen zwischen RT und HT weist auf einen deutlich größeren Anteil von fcc- Aluminium bei HT hin. Nach Kugelmahlen bei TT kann ein erhöhter Abrieb von ZrO2 festgestellt werden, wodurch Vergleiche zu Ergebnissen bei TT nur eingeschränkt möglich sind. Die Arbeit ist in sieben Abschnitte gegliedert. Nach der Einleitung(Abschnitt 1) werden die theoretischen Grundlagen(Abschnitt 2) zur Beschreibung metallischer Gläser definiert und die experimentellen Untersuchungsmethoden(Abschnitt 3) detailliert beschrieben. Die experimentellen Ergebnisse werden in Abschnitt 4 dargestellt und in Abschnitt 5 diskutiert. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst(Abschnitt 6) und ein Ausblick auf mögliche zukünftige Experimente (Abschnitt 7) gegeben.
Optische Eigenschaften von hexagonalem Aluminiumnitrid. - 107 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Gegenwärtig unterliegt hexagonales AlN, aufgrund seiner direkten Bandlücke oberhalb von 6eV und den damit verbundenen Chancen für neue UV-Anwendungen, ansteigender Aufmerksamkeit in der Halbleiterphysik. Dabei weist es in seinen optischen Eigenschaften signifikante Unterschiede zu anderen typischen Vertretern der Gruppe-III-Nitride (z.B. GaN oder InN) auf. Ausgehend von der Kristallstruktur und der darin enthaltenen Symmetrien dienen Berechnungen auf Basis der kp-Theorie dem grundlegenden Verständnis der optischen Eigenschaften von AlN im Bereich der Bandlücke. Die im Gegensatz zu GaN veränderte Valenzbandreihenfolge, verursacht durch eine stark negative Kristallfeld-Energie, führt zu einer verschwindend geringen Oszillatorstärke des energetisch niedrigsten optischen Übergangs bei senkrechter Polarisation des einfallenden Lichtes zur optischen Achse. Den Schwerpunkt dieser Betrachtungen bildet insbesondere die Abhängigkeit dieser optischen Eigenschaften von der Verspannung der Epitaxieschichten. Aufbauend auf den theoretischen Vorbetrachtungen wurden AlN-Schichten auf unterschiedlichen Substraten (Silizium, Siliziumkarbid und Saphir) mittels spektroskopischer Ellipsometrie im Bereich zwischen 1eV und 10eV untersucht. Die, durch Anwendung eines uniaxialen Modells, bestimmte dielektrische Funktion zeigt insbesondere im Bereich der Bandkante starke Abhängigkeit von der, durch die verwendeten Substratmaterialen verursachten, Verspannung der Schicht. Dabei zeigen die beobachteten Energieverschiebungen der Exzitonen das zuvor theoretisch vorhergesagte Verhalten. In Verbindung mit Ergebnissen aus XRD-Messungen der Züchter können experimentelle Werte für intrinsische Materialparameter abgeleitet werden. Neben der Verspannungsabhängigkeit bildet die Abhängigkeit der Bandkantenregion von der Temperatur (10K-296K) einen weiteren Schwerpunkt des experimentellen Teils. Dabei tritt zusätzlich zu den erwarteten Veränderungen, speziell bei tiefen Temperaturen, eine weitere Struktur im Imaginärteil der dielektrischen Funktion etwa 100meV oberhalb des freien Exzitons heraus. Aufgrund des energetischen Abstands wird diese sogenannten Exzitonen-Phononen-Komplexen zugewiesen. Ergänzt werden die experimentellen Betrachtungen durch eine ausführliche Diskussion des Transparenzbereichs und des Bereichs hoher Photonenenergien.
Wechselwirkungen von Wassermolekülen mit unrekonstruierten und 2x2-rekonstruierten InN-Oberflächen. - 95 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Indiumnitrid ist ein Halbleitermaterial mit enormem Anwendungspotential. Es kann für LEDs, Hochfrequenztransistoren, Sensoren und Solarzellen verwendet werden. Wichtig für die Entwicklung technischer Anwendungen ist hierbei das Wissen um die Oberflächeneigenschaften. Diese werden wiederum von den Wechselwirkungen mit den Molekülen in der Umgebung des Halbleiters beeinflusst. In dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen von unrekonstruierten und 2x2-rekonstruierten InN-Oberflächen mit Wasser untersucht. Die Proben wurden dafür mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie gewachsen und mit Hilfe von RHEED, UPS, XPS sowie AFM charakterisiert. Dabei zeigten beide Probentypen ein ähnliches Verhalten unter Wasserangebot bei Raumtemperatur. So haben beide Proben zu Beginn eine etwa gleich große Reaktivität mit Wasser. Dieses bindet zunächst an sauberen Oberflächen auf eine andere Weise, als nach höheren Angeboten, was sich in einer anfänglichen Abnahme und späteren wieder Zunahme der Austrittsarbeit äußert. Weiterhin gibt es Hinweise auf entstehende Oxid- und Hydroxidbindungen, welche in den Intensitätsmaxima der Kernniveaus in den XPS-Spektren sowie im Valenzband in den UPS-Spektren zu finden sind. Hinweise auf rein wasserstoffinduzierte Bindungen sowie auf adsorbiertes, undissoziiertes Wasser lassen sich nicht erkennen. Weiterhin ist mittels UPS und RHEED festzustellen, dass aufgrund des Wasserangebots die 2x2-Oberflächenrekonstruktion verschwindet. Die Austrittsarbeit sinkt unter zunehmendem Wasserangebot kurzzeitig ab, und steigt anschließend wieder an. Eine mögliche Erklärung hierfür könnten Oberflächendefekte sowie Inseln sein.