The Effects and Application of Phosphonic Passivation on Gallium Nitride Using a Continuous Series of Modifiers
In this thesis, a route towards a flexible hybrid organic- inorganic LED based on a Förster resonant energy transfer from gallium nitride to an organic emitter is shown. To this end, the electronic and chemical properties of gallium nitride (1100) and (0001) surfaces with different surface modifications, using a consecutive series of phosphonic organic selfassembled monolayers (SAMs), are determined and compared to clean etched surfaces. The surface electronic properties are quantified using X-ray photoelectron spectroscopy, Kelvin probe, UV-Vis spectroscopy, and IV curves, while goniometry gives insight into the wettability of the sample and, thus, a measure of quality control for the SAM passivation. Not only does the surface passivation allow to vary the work function by several hundred meV, but it modifies the band bending of both gallium nitride orientations between -0.4 to 0.6 eV. Furthermore, the band bending was reduced to less than 0.12 eV. This work shows devices smaller than 90 nm in diameter; further improvements on the band bending should enable GaN devices smaller than 20 nm. One such route will be shown by employing hybrid SAMs made up of two different SAM precursor molecules. Here, the SAM properties' linear relationship on the precursor molecules' blend will be shown.The application of the surface modification on the work function was shown for a simple p-n gallium nitride PEDOT hybrid diode, which exhibits a tunable turn-on voltage and improved ideality factor. The tuning comes from the change in the surface dipole of the different SAMs; at the same time, the independence of the surface photo-voltage from both the surface hydroxyl groups and band bending is shown. The PEDOT was deposited in a novel oMLD setup that is not part of this work but was characterized as part of it. All of the results shown were brought together in the final proof of concept electrically driven hybrid LED. The LED shows bright luminescence only for a correctly matched organic emitter with the correct surface passivation. Here, a blue emitting LED using 1,6-Diphenyl-1,3,5-hexatriene was produced, and a comparison to non-resonant emitters is shown.
In dieser Arbeit wird eine Route zu einer hybriden organisch-anorganischen LED basierend auf einem Förster resonanten Energietransfer von Galliumnitrid auf einen organischen Emitter gezeigt. Zu diesem Ziel werden die elektronischen und chemischen Eigenschaften der beiden wichtigsten Facetten des Galliumnitridkristalls mit verschieden Oberflächenmodifikationen bestimmt und mit denen von geätzten Proben verglichen. Für diese Messwerte wurden Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Kelvin-Sonden, I-V Kurven und UV-Vis spektroskopische Messungen verwendet.
Für die Modifikation wird eine fortlaufende Reihe von organischen phosphonischen Säuren als Vorläufer für ein selbstorganisierende Monolage verwendet, mit deren Hilfe die Oberflächeneigenschaften eingestellt werden können. Das verwendete Verfahren wurde zunächst mit Wasser-Kontaktwinkelmessungen optimiert und erlaubt die Bandverbiegung des Galliumnitrid zwischen -0,4 bis 0,6 eV einzustellen. Dabei kann ein Minimum von 0,12 eV der Bandverbiegung durch die Messdaten, unter Nutzung der entsprechenden Modifikation, garantiert werden. In der Arbeit werden auch die aus Wirkung der Modifikation auf elektrisch betriebe Bauteile mit einem Durchmesser von unter 90 nm gezeigt, welche die erwarteten Effekte belegen. Weitere Optimierungen für Bauteile kleiner 20 nm etwa durch eine Modifikation mit einer Mischung von zwei Vorläufermolekülen sind möglich und werden in Grundzügen vorgestellt und der lineare Übergang zwischen den Eigenschaften der Modifikationen wird gezeigt.
Die Oberflächenpassivierung hat allerdings auch einen Einfluss auf die Austrittsarbeit des Galliumnitrids, was sich auf die Einschaltspannung einer Galliumnitird-PEDOT-Diode auswirkt. So lässt sich die Einschaltspannung linear einstellten zwischen 1,5 und 1,8 V genauso wie sich die Austrittsarbeit des Galliumnitrids zwischen 4.2 und 4.5 eV (c-plane) einstellen lässt. Hierbei ergeben sich Unterschiede zwischen den Facetten, welche weiter untersucht werden. Mit der Passivierung lässt sich auch die Oberflächenphotospannung einstellen, die wie hier gezeigt wird, unabhängig von Hydroxygruppen an der Oberfläche oder der Bandverbiegung ist. Das in der Diode verwendete PEDOT wurde in einem neuartigem oMLD Prozess abgeschieden, welche nicht Teil der Arbeit ist, welches jedoch der Vollständigkeit
halber charakterisiert wurde.
Alle gezeigten Ergebnisse werden abschließend in einer, soweit dem Autor bekannt, ersten elektrisch betriebenen resonanten hybriden LED zusammengeführt. Die LED zeigt nur mit der passenden Passivierung die gewünschte blaue Fluoreszenz des organischen Emitters 1,6-Diphenyl-1,3,5-hexatriene in der Nähe der Rekombinationszone der Galliumnitrid basierten PIN Diode und nicht außerhalb, sodass eine Anregung durch einen phonischen Mechanismus
ausgeschlossen werden kann.
Preview
Cite
Access Statistic
Rights
Use and reproduction:
