Modellierung der Band-Diskontinuitäten von Halbleiterheterostrukturen basierend auf Aluminium-Galliumnitrid und Kupferoxid

Abstract

Kupferoxid (Cu2O) ist ein natürlicher p-Typ Halbleiter und ein mögliches Absorbermaterial für Dünnschicht-Solarzellen. Cu2O ist einfach und kostengünstig herzustellen, z.B. mittels RF-Magnetron Kathodenzerstäubung. Weiterhin ist Cu2O ungiftig, nachhaltig verfügbar und somit attraktiv für zukunftsfähige Photovoltaikanwendungen.Da Cu2O bis heute nicht n-Typ dotierbar ist und nach theoretischen Vorhersagen möglicherweise niemals sein wird, ist man auf der Suche nach einem passenden transparenten n-Typ Fenstermaterial für eine pn-Heterostruktur. Als potentielles Fenstermaterial für eine solche Kupferoxid-Hetero-Solarzelle kommen die Mischkristallsysteme (Zn,Mg)(O,S), (In,Ga)2O3 und (Al,Ga)N in Frage, deren Bandlücke anhand des Legierungsgrads gezielt durchgestimmt werden kann. Dadurch ist eine Modellierung der Band-Diskontinuitäten zu Cu2O möglich. Ein Ziel zur Optimierung von Dünnschicht-Hetero-Solarzellen ist die Minimierung der Leitungsband-Diskontinuität am pn-Übergang. Es ist aktuell noch nicht klar, welches Material sich für Cu2O-Solarzellen am besten eignet.Aufgrund der Ergebnisse vorangegangener Untersuchungen wurden in dieser Dissertation p-Typ Cu2O/n-Typ AlxGa1-xN Heterostrukturen untersucht. Dazu wurden vier Proben mit den Al-Konzentrationen x=0, 7, 11 und 15 % mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) charakterisiert. XPS ist eine Methode zur direkten Bestimmung der Valenzband-Diskontinuität. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, wurde eine Optimierung der typischerweise angewandten Messroutine und des Analyseverfahrens durchgeführt. Dazu zählte die exaktere Bestimmung des Valenzbandmaximums. Hierbei wurde die Anpassung der Valenzbandkante mit einer komplementären Fehlerfunktion durchgeführt. Auch die Entwicklung in sich konsistenter Anpassungsmodelle zur Entmischung der Photoelektronensignale (Core-Level) gehörte dazu. Aufgrund dieser Weiterentwicklungen wurde eine Unsicherheit von 0,1 eV für die Band-Diskontinuitäten erreicht. Zusätzliche Informationen über den Einfluss der chemischen Verschiebung an der Grenzfläche wurden durch die Permutation der Core-Level zur Berechnung der Valenzband-Diskontinuität und einer Korrelation mit der Analysetiefe gewonnen. Dazu wurden die Elektronen der Core-Level aufgrund ihrer unterschiedlichen mittleren freien Weglängen als Sonden mit verschiedenen Analysetiefen betrachtet. Aufgrund dieser Sondeneigenschaften und der angewandten deskriptiven Statistik ließ sich ein örtlich aufgelöster Verlauf des Valenzbands durch die Heterogrenzfläche zeichnen.Die Heterogrenzfläche war 10-13 nm breit und die Valenzbänder von Cu2O und (Al,Ga)N verliefen nicht parallel, so dass der Valenzband-Offset ein leicht lineares Verhalten mit der Tiefe zeigte. Zum Vergleich der untersuchten Heterostrukturen wurde jeweils der Mittelwert aus vier Datensätzen mit insgesamt 80 Werten für Valenz- und Leitungsband-Offset berechnet. Mit steigendem Aluminium-Gehalt von 0 % bis 15 % sank der Leitungsbandversatz von -0,74 eV auf -0,48 eV. Das aus vorangegangen eigenen Untersuchungen prognostizierte Angleichen der Leitungsbänder zwischen Cu2O und (Al,Ga)N mit 15% Aluminium-Anteil konnte nicht bestätigt werden. Anhand der Ergebnisse wurde das Angleichen der Leitungsbänder für einen Al-Anteil von 40 % abgeschätzt. Da eine n-Dotierung für diesen Aluminiumgehalt ohne Leitfähigkeitsverlust möglich ist, bleibt (Al,Ga)N neben (In,Ga)2O3 und (Zn,Mg)(O,S) weiterhin ein sehr aussichtsreicher Kandidat als Fenstermaterial von Cu2O-Photovoltaikanwendungen. Copper oxide Cu2O is a natural p-type semiconductor and a potential absorber material for thin-film solar cells. Its fabrication is easy and economical, i.e. with RF-magnetron sputtering. Furthermore, Cu2O is nontoxic and abundantly available. As a consequence, it could be extremely useful for future utilisation in photovoltaics.At present, there is no n-type Cu2O available and according to theoretical predictions, it is possible that there never will be. Consequently, seeking a suitable transparent n-type window material is required. Possible window materials for Cu2O-based hetero solar cells are the alloys (Zn,Mg)(O,S), (In,Ga)2O3 and (Al,Ga)N with adjustable band gaps for the band alignment engineering.One goal for the improvement of hetero solar cells is the minimisation of the conduction band offset. To date, it is not clear which material is most suitable.Due to the results of previous studies, p-type Cu2O/ n-type AlxGa1-xN heterostructures have been chosen for this dissertation. Therefore, four samples with the aluminum content x=0,7,11 and 15 % will be analysed using photoelectron spectroscopy (XPS). XPS is a method for the direct determination of the valence band offset.For high quality results, an optimisation of the typical experimental and analytical procedures will be applied. One improvement is the use of a corresponding error function for adjusting the valence band edge of the XPS-spectra. Another enhancement is the development of self-consistent, adaptable models to separate the photoelectron lines (core level). Due to these improvements, the band offsets achieve discrepancies of only 0,1 eV.The permutation of the core level (for the calculation of the band offsets) in correlation with the depth of analysis gives additional information about the effect of the chemical shift at the interface. Due to their different mean free paths, the core electrons will be also viewed as probes using various depths of analysis. The progression of the valence band through the hetero interface can be determined by the probes characteristics and the descriptive statistics utilised.The width of the interface ranges from 10 to 13 nm. The valence bands of Cu2O and (Al,Ga)N do not run parallel in this area, which produces a slight linear contrast of the valence band offset in comparison to depth.In order to compare the examined Cu2O/AlxGa1-xN heterostructures, the mean band offset value of the valence and conduction bands was calculated from four sets of data with a total of 80 values (per sample). The conduction band offset decreases from -0,74 eV to -0,48 eV with increasing aluminum content ranging from 0 % to 15 %. The projected alignment of the conduction bands between Cu2O and (Al,Ga)N with 15% aluminum as predicted by previous studies can not be confirmed. Based on the results (of this study), the conduction band alignment is estimated with a 40 % aluminum content. (Al,Ga)N, in addition to (In,Ga)2O3 and (Zn,Mg)(O,S), is still a very promising window material for Cu2O photovoltaics because n-type doping is possible for this amount of aluminum content without loss of conductivity.