Oxidische Materialien: ZnOOxidische Materialien: ZnO

Bruno K. Meyer, Thorsten Krämer, Angelika Polity, Changzhong Wang, Yunbin He

I. Physikalisches Institut

Justus-Liebig-Universität Gießen

Rauischholzhausen, 24.06.2005

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Optics:Nano-wire Lasers

Spintronics:ZnO:Mn, ZnO:V

Opto-Electronic:P-type doping

Dietl et al., Science 287 (2000), 1019

V-doped ZnO: Tc ~ 350 K

1997:Minegishi et al,

Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1453

CVD, N – dopingnh ~ 1016cm-3

ZnO: Recent activitiesZnO: Recent activities

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Optics:Nano-wire Lasers

Spintronics:ZnO:Mn, ZnO:V

Opto-Electronic:P-type doping

Dietl et al., Science 287 (2000), 1019

V-doped ZnO: Tc ~ 350 K

1997:Minegishi et al,

Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1453

CVD, N – dopingnh ~ 1016cm-3

ZnO: Recent activitiesZnO: Recent activities

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Architekturglas

Flachbildschirme

Solarzellen

Alternativen zu ZnO:Al ?

Transparent conducting oxides (TCO)Transparent conducting oxides (TCO)

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Anionen-Substitution:

ZnO1-xSx

Yoo, et al., APL 81, 3798 (2002)

PLD : x < 0.14

Ternäre Legierungen:

Zn1-xMgxO

Zn1-xCdxO

Barrierenschichten fürQuantengrabenstrukturen

UV – blockierende Beschichtungen

„solar blind“ Detektoren

Bandlücken, Struktur, etc ?

ZnO und ternäre MischverbindungenZnO und ternäre Mischverbindungen

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

RF-Sputtern mit einem ZnS-Keramiktarget

– Sputterleistung 300 W

– Substrattemperatur ca. 200°C

– Arbeitsgas Argon mit einem Fluß von 5 sccm

– Sauerstoffflüsse von 0 sccm bis 5 sccm

– Arbeitsdruck um 20 mTorr (~2,7 Pa)

– Floatglas und (002)-orientierter Saphir als Substratmaterial

– Schichtdicken von 150 bis 300 nm

Herstellung von ZnO1-x

Sx-SchichtenHerstellung von ZnO

1-xS

x-Schichten

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Alle Schichten über den ganzen Kompo-sitionsbereich kristallisieren in der hexa-gonalen Wurzitstruktur.Sie wachsen c-Achsen orientiert mit der (002)-Ebene parallel zur Substratoberfläche.

Die Lage des (002)-Peaks verschiebt sichmit der Komposition von 28,5° für ZnS nach34,4° für ZnO.

Kristallstrukturbestimmung mit XRDKristallstrukturbestimmung mit XRD

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

0 100 200 300 400 500 600

ZnOSe

ZnOS

ZnO

Mg K

O 1

s

C 1

s

--- Zn LMM ---

S 2

p/S

e 3

pZ

n 3

s

Zn

3p

Zn

3d

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

binding energy (eV)

Se

3d

0 100 200 300 400 500 600

ZnOSe

ZnOS

ZnO

Mg K

O 1

s

C 1

s

--- Zn LMM ---

S 2

p/S

e 3

pZ

n 3

s

Zn

3p

Zn

3d

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

binding energy (eV)

Se

3d

Kompositionsbestimmung mit XPSKompositionsbestimmung mit XPS

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Der c-Gitterparameter interpoliert gemäß Vegards Gesetz linear mit der Komposition zwischen den binären Endpunkten ZnO und ZnS.

Komposition und GitterkonstanteKomposition und Gitterkonstante

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

Abschätzung der Bandlückenenergie

2,5 3,0 3,5 4,0

2 [w

.E.]

Energie [eV]

E=3,21 eV

ZnO-Probe

2,5 3,0 3,5 4,0

2 [w

.E.]

Energie [eV]

E=3,21 eV

ZnO-Probe

300 400 500 600

0

20

40

60

80

100

Tra

nsm

issi

on

[%

]

Wellenlänge [nm]

300 400 500 600

0

20

40

60

80

100

Tra

nsm

issi

on

[%

]

Wellenlänge [nm]

Die Transmissionsspektren der ZnOS-Proben zeigen eine Änderung der Band-lückenenergie in Abhängigkeit von der Zusammensetzung

Transmission und AbsorptionTransmission und Absorption

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

ZnO

ZnS

. Die Größe der Bandlücke von ZnO1-x

Sx läßt sich in

Abhängigkeit vom Schwefelgehalt x durch E

ZnOS(x) = x E

ZnS+ (1-x) E

ZnO- b (1-x)x

mit b=3,0 eV beschreiben.

Komposition und BandgapbowingKomposition und Bandgapbowing

Patent DE 10341681 A1

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

1018

1019

La

du

ng

str

äg

erd

ich

te [

cm

-3]

Schwefelanteil x

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

1

10

Be

we

gli

ch

ke

it [

cm

2/V

s]

Schwefelanteil x

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

0,1

1

10

ZnO1-x

Sx:Al

ZnO1-x

Sx:H

Sp

ez

ifis

ch

er

Wid

ers

tan

d [

cm

]

Schwefelanteil x

Elektrische EigenschaftenElektrische Eigenschaften

I.Physikalisches InstitutJustus-Liebig-Universität Gießen

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

ZnO1-x

Sex

ban

d g

ap

(eV

)

sulfur/selenium content x

ZnO1-x

Sx

Vergleich von ZnOS und ZnOSeVergleich von ZnOS und ZnOSe