Interne fotoemissie in halfgeleiderheterostructuren met geconstrueerde barrières: Invloed van grensvlakdipolen

Aangezien moderne elektronische toestellen tot een nanometer schaal zijn gereduceerd, wordt hun elektronische performantie door de eigenschappen van hun opper- en grensvlakken bepaald. Dit is vooral van toepassing voor grensvlak energiedrempels, die hoofdzakelijk elektronentransport in  heterogene materialen bepalen. De mogelijkheid om potentieelhoogtes te regelen en te ontwerpen is dus een belangrijke mijlpaal tot een gewenste functionaliteit en performantie van een halfgeleider componenten. Echter lijkt het huidige begrip van fysische mechanismes, die de bandkloof in het grensvlak tussen twee vaste stoffen bepalen, onvolledig. Dit is vooral het geval wanneer er rekening wordt gehouden met de invloed van bijkomende dipoolcomponenten.

De hoofddoelstelling van deze thesis is het verkrijgen van spectroscopische informatie betreffende de oorsprong, vormingsvoorwaarden en basiseigenschappen van dipolen die aan grensvlakken tussen halfgeleiders, metalen en oxide isolatoren ontstaan. De experimentele resultaten van grensvlak-gevoelige foto-emissie spectroscopie (IPE)  van grensvlakken tussen halfgeleiders (Si en Si-gedopeerd Ge) en metalen  (Pt, Au, TiN, Ru, Ir, Ge-gedopeerd CuTe) en verschillende isolerende oxides zoals SiO2, Al2O3, HfO2, HfAlO, SrTiO3, ZrO2, SrO en Sc2O3 worden gepresenteerd en besproken. De resultaten van dit onderzoek tonen de belangstelling van componenten aan die de energiedrempels beïnvloeden, bijvoorbeeld tussenlagen, dipolen en ladingen. Hierdoor worden mogelijkheden en limieten van verschillende barriѐre ontwerp mogelijkheden duidelijk. De verschillen tussen halfgeleider/isolator en metaal/isolator grensvlakken worden gedemonstreerd met betrekking tot formatie van dipolen. Bovendien wordt er aangetoond hoe diverse veranderingsmechanismes van energiedrempels middels IPE kunnen worden onderscheiden.

In deze thesis worden verder metaal/isolator grensvlakken geëvalueerd in relatie tot de effectieve werkfunctie (EWF) bepaling aan het grensvlak van metalen. De EWF wordt in geavanceerde micro-elektronische toestellen gebruikt, bijvoorbeeld voor de controle van drempelspanningen in metaal-oxide transistoren, schakelgedrag van resistieve schakelstapel. De EWF varieert significant afhankelijk van verschillende factoren die gaan van de isolatorcompositie tot de annealing - en depositiecondities. Daarnaast wordt de laterale uniformiteit van elektrodes onderzocht, wat waarschijnlijk een terra incognita in grensvlakkarakterisatie is. Hiervoor wordt bewezen dat IPE spektroskopie toelaat om energiedrempels van inhomogene grensvlakken te karakteriseren en te kwantificeren.

De resultaten van deze thesis bevestigen duidelijk dat IPE als een betrouwbare en eenvoudige techniek voor de karakterisatie van energiedrempels in grensvlakken kan gebruikt worden.