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Doped Indium Oxide: Surface Potentials, Electronic and Optical Properties

Hubmann, Andreas (2022):
Doped Indium Oxide: Surface Potentials, Electronic and Optical Properties. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00017762,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Doped Indium Oxide: Surface Potentials, Electronic and Optical Properties
Language: English
Abstract:

Objective of this work is to extend the experimental data base for doped In2O3 to provide a better understanding of this material and especially the effect of different dopant elements on the optical and electronic properties as well as surface potentials. Previous research on In2O3 is pursued by investigating Sn:In2O3, Ge:In2O3, Mo:In2O3 and Ti:In2O3 thin films. Thin films were grown by radio frequency magnetron sputtering. Multiple target compositions and deposition conditions, i.e. substrate temperature and oxygen content of the process atmosphere, were used. Transmission, reflection and spectroscopic ellipsometry measurements were carried out to distinguish optical properties. By simulation of those spectra optical carrier concentration and mobility could be compared to values obtained by conductivity and Hall-effect measurements. Photoelectron spectroscopy was used to access the surface electronic structure and its chemical composition. To correlate the crystal structure to former features, selected samples were analyzed by X-ray diffraction. Independent on the dopant element a decreasing carrier concentration is found with increasing oxygen chemical potential. This indicates interstitial oxygen to act as compensating defect. The conductivity tends to increase with temperature. Depending on the dopant and its concentration a complete loss of the carrier mobility may be found at high deposition temperatures. The carrier mobility and overall doping efficiency, going with the maximum carrier concentration, is highly dopant specific. The mobility is determined by the grain boundary barrier height, which is mainly influenced by dopant segregation. Several effects, possibly limiting the carrier concentration are discussed. Dopant segregation at the surface is found for almost all investigated materials. Depending on the element either oxidizing or reducing conditions lead to enhanced segregation. While Ti behaves similar to Sn, increasing Ge and Mo surface concentrations are measured for oxidizing conditions. No correlation to the Fermi level position is found in those two cases. Possible reasons for the contrasting conditions based on defect chemistry, oxide stability and ionic radii are discussed. Surface potentials were found to be subject to the doping elements. The wide variety in surface dipole is expected to be due to the formation of dopant oxide layers. A correlation to the surface termination and orientation as seen for In2O3 cannot be confirmed for any dopant element.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ziel dieser Arbeit ist es, dass Verständnis über den Einfluss von unterschiedlichen Dotanden auf die optischen und elektrischen Eigenschaften sowie die Oberflächenpotentiale von dotiertem Indiumoxid zu erweitern. Der Fokus liegt auf dünnen Schichten von Sn:In2O3, Ge:In2O3, Mo:In2O3 and Ti:In2O3. Die Magnetron-Kathodenzerstäubung wurde für die Herstellung der dünnen Schichten verwendet. Neben dem Dotierelement und dessen Konzentration im Target wurde die Substrattemperatur und der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre während der Abscheidung variiert. Die optischen Eigenschaften wurden mittels Spektrophotometrie und spektroskopischer Ellipsometrie untersucht. Durch Simulation der Spektren konnten optische Ladungsträgerkonzentrationen und Mobilitäten mit Werten aus Leitfähigkeits- und Hall-Effekt-Messungen verglichen werden. Für die Analyse der chemischen Zusammensetzung und elektronischen Struktur der Oberfläche wurde die Photoelektronen Spektroskopie verwendet. Die kristallographische Struktur ausgewählter Proben wurde durch Röntgenbeugung charakterisiert. Unabhängig von dem Dotierelement konnte eine Abnahme der Ladungsträgerkonzentration mit steigendem chemischem Potential des Sauerstoffs festgestellt werden. Dies unterstreicht die Funktion von interstitiellem Sauerstoff als Akzeptor Defekt. Tendenziell steigt die Leitfähigkeit der Schichten mit der Substrattemperatur während der Abscheidung. Abhängig vom Dotierelement kann es bei hohen Temperaturen aber auch zum Verlust der Leitfähigkeit kommen. Die Ladungsträgermobilität und Dotiereffizienz, die mit der maximal erreichbaren Ladungsträgerkonzentration korreliert, hängen ebenfalls stark vom Dotierstoff ab. Die Ladungsträgermobilität ist durch die Höhe der Korngrenzbarrieren bestimmt, welche wesentlich durch Segregation des Dotierstoffs zu den Korngrenzen beeinflusst wird. Es werden verschiedene Effekte, die mögliche Grenzen für die Ladungsträgerkonzentration darstellen können, diskutiert. Für alle Materialien wurde eine Segregation des Dotanden an die Oberfläche nachgewiesen. In Abhängigkeit des Elements, kommt es entweder unter oxidierenden oder reduzierenden Bedingungen zu verstärkter Segregation. Während sich Ti wie Sn verhält, wurden für Mo und Ge erhöhte Oberflächenkonzentrationen unter oxidierenden Bedingungen dachgewiesen. In den letzten beiden Fällen zeigt sich keine Korrelation zur Position des Fermi Niveaus. Unterschiedliche Ursachen für die gegensätzlichen Beobachtungen, basierend auf Defekt-Chemie, Stabilität der Oxide und Ionenradien wurden diskutiert. Es wird erwartet, dass die Variation der Oberflächenpotentiale für die verschiedenen Dotierelemente auf stark unterschiedliche Oberflächendipole, der sich an der Oberfläche bildenden Dotierelementoxide, zurückzuführen ist. Ein Zusammenhang zu der Terminierung der Oberfläche und der Oberflächenorientierung, wie er für In2O3 gezeigt werden konnte, kann für die unterschiedlichen Dotierelemente nicht gezeigt werden.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 167 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Electronic Structure of Materials (ESM)
Date Deposited: 24 Jun 2022 12:07
Last Modified: 24 Jun 2022 12:07
DOI: 10.26083/tuprints-00017762
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-177628
Referees: Klein, Prof. Dr. Andreas ; Albe, Prof. Dr. Karsten
Date of oral examination: 15 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17762
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