Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4992
Main Title: Unravelling annealing-related processes in ZnO:Al thin films used for tailoring electrical and optical properties
Translated Title: Aufklärung der während des Temperns von ZnO:Al Dünnfilmen stattfindenden Prozesse für die Anpassung optoelektronischer Eigenschaften
Author(s): Hlawenka, Steffi
Advisor(s): Ruske, Florian
Rech, Bernd
Referee(s): Rech, Bernd
Dähne, Mario
Wuttig, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Thermal post-deposition treatments are known to have a significant influence on the optoelectronic properties of ZnO:Al thin films. Regarding a competitive industrial application as transparent conducting electrode, annealing beneath a protective amorphous silicon capping layer is of great importance, since it remarkably improves the properties of ZnO:Al, primarily caused by a substantial increase in mobility and reduced sub-band gap absorption. Annealing without cap, on the other side, results in most cases in deteriorated electrical properties. To gain a deeper understanding of the fundamental differences between both kinds of treatments, ZnO:Al thin films have been prepared under different deposition conditions, subsequently annealed in nitrogen ambient and structurally, electrically and optically characterised. As main influence, an interaction of the ZnO layer with either the cap material or the annealing atmosphere during the thermal processes was expected. Hence, the change of deposition parameters has been restricted to a variation in substrate temperature, in order to alter the films morphology and thermal equilibrium. Furthermore, either oxygen, nitrogen or hydrogen has been purposely added during deposition since these elements are expected to dominate annealing-related processes. In this work, it has been shown that nitrogen has no substantial impact on the degradation of electrical properties during annealing without cap in nitrogen ambience. Furthermore, hydrogen incorporation from the cap material has been excluded as main cause for the significant enhancement of the carrier mobility after cap annealing, as it was suspected before. It has been concluded that the resulting properties of ZnO:Al after annealing are primarily influenced by the prevailing oxygen partial pressure during the process. Annealing under high oxygen partial pressure includes treatments of bare ZnO:Al films in atmospheres containing at least a small amount of residual oxygen. It strongly promotes the creation of oxygen-related acceptors like zinc vacancies or oxygen interstitials, leading to a compensation of donors and enhanced ionized impurity scattering. Annealing beneath a silicon cap represents a treatment at low oxygen partial pressure, resulting in annihilation of previously present acceptors and, consequently, in an increased mobility. Both procedures, annealing with and without cap, are presumably accompanied by formation of neutral donor-acceptor complexes that irreversibly deactivate donors. For low temperature deposited ZnO:Al films, broad Urbach-like absorption tails can be observed, which adversely affects the layer’s transparency and, hence, the efficiency of ZnO-electrode based optoelectronic devices. Regarding the occurrence of these tails, no trivial reason can be given. However, the present study supports the assumption that they are strongly related to extended structural defects curable by high temperature treatments and partly passivated by hydrogen. Finally, it was observed that a resonant enhancement of longitudinal-optical phonon modes in ZnO is directly related to occurance and severity of absorption in vicinity of the respective Raman excitation energy within the band gap. This absorption can be either caused by broad Urbach tails or, in case of narrow tails, by electronic states related to the appearance of an additional, very controversially discussed, Raman mode at 275 cm-1.
Wie bereits bekannt ist, haben thermische Nachbehandlungsprozesse von ZnO:Al Dünnfilmen einen erheblichen Einfluss auf die optoelektronischen Eigenschaften des Materials. Bezüglich einer konkurrenzfähigen Anwendung als transparent-leitfähige Elektrode ist die Temperung von ZnO:Al unter einer Deckschicht aus amorphem Silizium besonders interessant, da dieser Prozess die Eigenschaften der Schicht bemerkenswert verbessert. Dies ist vor allem auf eine signifikante Erhöhung der Ladungsträger- Mobilität und auf eine reduzierte Absorption innerhalb der Bandlücke zurückzuführen. Die thermische Nachbehandlung ohne Schutzschicht hingegen führt in den meisten Fällen zu einer deutlichen Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften. Um ein besseres Verständnis für die fundamentalen Unterschiede beider Nachbehandlungsarten zu erlangen, wurden ZnO:Al Dünnfilme unter verschiedenen Bedingungen hergestellt, unter Stickstoffatmosphäre thermisch nachbehandelt und strukturell, elektrisch und optisch charakterisiert. Als Haupteinfluss während der thermischen Nachbehandlung wurde eine Wechselwirkung der ZnO Schicht mit entweder der Temper-Atmosphäre oder der Schutzschicht vermutet. Daher wurden die Änderungen der Depositionsparameter zunächst auf eine Variation der Substrattemperatur beschränkt, um unter anderem die Morphologie der Schichten zu verändern. Weiterhin wurden entweder Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff zusätzlich zum Wachstumsprozess hinzugefügt, da angenommen wurde, dass diese Elemente hauptsächlich das Verhalten der Schichten während des Temperns beeinflussen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Stickstoff während der thermischen Nachbehandlung ohne Schutzschicht keine erheblichen Auswirkungen auf die Degradation der elektrischen Eigenschaften von ZnO:Al hat. Weiterhin konnte Wasserstoff als Haupteinflussfaktor bezüglich der erheblichen Mobilitätssteigerung nach einer Nachbehandlung mit Schutzschicht ausgeschlossen werden. Es wurde festgestellt, dass die resultierenden Eigenschaften von ZnO:Al nach einer thermischen Nachbehandlung hauptsächlich vom während des Prozesses vorherrschenden Sauerstoffpartialdruck abhängen. Behandlungen unter hohem Sauerstoffpartialdruck entsprechen Temperprozessen ohne Schutzschicht in Atmosphären, welche zumindest einen kleinen Restanteil an Sauerstoff beinhalten. Dieser begünstigt die Bildung von Akzeptor-Zuständen und führt daher zur Kompensation von Donatoren und verstärkter Streuung von Elektronen an ionisierten Störstellen. Temper-Prozesse unter einer Schutzschicht können hingegen als Behandlungen unter niedrigem Sauerstoffpartialdruck angesehen werden. Diese Bedingung führt zu einer Vernichtung von zuvor vorhandenen Akzeptoren und daher zu einer Verbesserung der Ladungsträgermobilität. Beide Nachbehandlungsarten, mit und ohne Schutzschicht, werden vermutlich zusätzlich von der Bildung neutraler Donator-Akzeptor-Komplexe begleitet, welche irreversibel Donatoren deaktiviert. Für ZnO:Al Schichten, die bei niedrigen Temperaturen abgeschieden wurden, können breite, Urbachähnliche Ausläufer der Bandkantenabsorption beobachtet werden, welche die Transmission der Schichten und somit die Effizienz auf ZnO-Elektroden basierenden Bauelementen beeinträchtigt. Bezüglich des Ursprungs dieser Absorptionsausläufer konnte keine triviale Aussage getroffen werden, jedoch unterstützt diese Arbeit die Annahme, dass diese zusätzliche Absorption durch ausgeweitete strukturelle Defekte, welche durch Hochtemperaturprozesse ausgeheilt und durch Wasserstoff partiell passiviert werden können, verursacht werden. Schließlich wird beobachtet, dass eine resonante Verstärkung longitudinal-optischer Phononen in Zusammenhang mit Vorkommen und Ausprägung von Absorption im Bereich der Raman-Anregungsenergie innerhalb der Bandlücke steht. Diese wird entweder durch breite Absorptionsausläufer an der Bandkante verursacht oder, in Abwesenheit letzterer, durch elektronische Zustände, welche direkt mit dem Auftreten einer zusätzlichen, sehr kontrovers diskutierten, Raman-Mode bei 275 cm-1 verbunden sind.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5304
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4992
Exam Date: 16-Nov-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 10-Feb-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): ZnO:Al
annealing
charge carrier compensation
sub-band gap absorption
Urbach-tails
thermische Nachbehandlung
Ladungsträgerkompensation
Absorptionsausläufer
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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