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Origins of limited electrical performance of polycrystalline Cu2O thin-film transistors

Deuermeier, Jonas :
Origins of limited electrical performance of polycrystalline Cu2O thin-film transistors.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Dissertation Jonas Deuermeier.pdf - Published Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Origins of limited electrical performance of polycrystalline Cu2O thin-film transistors
Language: English
Abstract:

In this thesis, cuprous oxide Cu2O was investigated concerning its ability to function as p-type channel in thin-film transistors. The material was chosen for its promising electronic characteristics as bulk single crystal. In order to be competitive with other technological solutions for flexible thin-film electronics, the temperature during fabrication has to remain below 200°C. Following this approach, a tremendous gap between potential and actual electrical performance of Cu2O thin-film transistors is encountered. The aim of this thesis is to show the reasons for this discrepancy.

Relevant stages during the fabrication process of a thin-film transistor were analyzed with respect to their impact on the cation oxidation state. These stages included thin film deposition, the study of interface formation to the dielectric layers as well as post-deposition annealing. Semiconducting and dielectric layers were deposited by reactive magnetron sputtering (Cu2O, Cu4O3, CuO, Bi2O3, Al2O3) and atomic layer deposition (Al2O3). An innovative approach for a thickness-dependent characterization of thin films was conducted by a combination of in situ X-ray photoelectron spectroscopy with in situ conductance measurement. Electrical properties of Cu2O films and thin-film transistors were analyzed in dependence of film thickness, temperature, oxygen partial pressure and time.

It is shown, that the primary cause for the limited electrical performance is the polycrystalline morphology in conjunction with the material-inherent tendency to oxidation and reduction of the metal cation. On the one hand, metallic Cu(0) depletes the material from hole carriers and causes Fermi level pinning. On the other hand, a high conductivity in the grain boundary is caused by the presence of Cu(II). A model is presented to describe the conductivity at different film thicknesses as a function of grain size.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Dissertation befasst sich mit dem Kupferoxid Cu2O bezüglich seiner Anwendbarkeit als p-leitender Kanal in Dünnschichttransisitoren. Die Auswahl des Materials liegt begründet in den vielversprechenden elektrischen Eigenschaften als Einkristall. Um konkurrenzfähig zu sein mit anderen Technologien zur Implementierung von elektronischen Schaltungen auf flexiblen Substraten, muss die Temperatur während der Herstellung unter 200°C bleiben. Die elektrischen Eigenschaften dünner Schichten, die auf diese Weise abgeschieden werden, weichen stark von denen eines Cu2O-Einkristalls ab und verhindern das Auftreten des erwarteten Schaltverhaltens, basierend auf den Eigenschaften des Einkristalls. Das Ziel dieser Arbeit ist, die Gründe für diese Diskrepanz aufzuzeigen. Verschiedene Schritte des Herstellungsprozesses eines Cu2O-Dünnschichttransistors wurden analysiert, insbesondere in Bezug auf den Oxidationszustand des Kations. Diese Schritte umfassten die Dünnschichtabscheidung, die Analyse von Grenzflächen zum Isolatormaterial sowie Temperaturbehandungen nach der Abscheidung. Halbleitende und isolierende Schichten wurden mittels reaktiver Magnetron-Kathodenzerstäubung (Cu2O, Cu4O3, CuO, Bi2O3, Al2O3) und Atomlagenabscheidung (Al2O3) hergestellt. Eine in-situ Analyse der Materialeigenschaften in Abhängigkeit der Schichtdicke mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie wurde gepaart mit der in-situ Messung des elektrischen Leitwertes. Weiterhin wurden die Eigenschaften von Cu2O-Dünnschichten und Dünnschichttransistoren in Abhängigkeit der Schichtdicke untersucht, der Temperatur, des Sauerstoffpartialdrucks sowie der Verweilzeit unter bestimmten Bedingungen. In dieser Dissertation wird aufgezeigt, dass die Limitierungen im Schaltverhalten der Transistoren ihren Ursprung hat in der Polykristallinität des Materials, kombiniert mit einer inhärenten Tendenz zu Oxidation und Reduktion der Kationen. Zum einen führt ein Auftreten von metallischem Cu(0) zu einer Verarmung der Ladungsträger durch die Fixierung der Fermienergie an der Cu/Cu2O Schottky-Barriere. Zum anderen sind die Korngrenzen stärker elektrisch leitfähig als als das Innere der Cu2O-Körner, was durch das Auftreten von Cu(II) in den Korngrenzen verursacht wird. Ein mathemtisches Model zur Beschreibung der schichtdickenabhängigen Leitfähigkeit unter Berücksichtigung der Korngröße wird beschrieben.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 13 Mar 2017 14:22
Last Modified: 13 Mar 2017 14:22
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59159
Referees: Klein, Prof. Dr. Andreas and Alff, Prof. Dr. Lambert
Refereed: 9 December 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5915
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