Friedrich, F.: Struktur und Gitterdynamik von Gruppe-V-Elementen in ZnO. Berlin: Helmholtz Zentrum Berlin HZB-B 6 , Zugl.: Berlin,Techn. Univ., Diss., 123 S., 2010 (Schriftenreihe des HZB - Examensarbeiten ; HZB-B 6)
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Abstract:
Ziel der vorliegenden Arbeit war eine grundlegende und systematische Aufklärung der Mechanismen, die eine stabile p-Dotierung von ZnO verhindern. In diesem Zusammenhang wurde eine Kompensation durch Verunreinigungen, aber auch die Bildung von Defektkomplexen und Phasenausscheidungen, die vor allem die Dotiereffizienz herabsetzen, diskutiert. Bezüglich der elektrischen Kompensation durch Verunreinigungen wurde eine Ersetzung der üblichen Saphir-Substrate, aus denen Al-Atome als Donatoren in die ZnO-Schicht eindiffundieren, durch MgO-Substrate untersucht. An undotierten ZnO-Schichten, die mit gepulster Laserdeposition (PLD) abgeschieden wurden, konnte gezeigt werden, dass (111)-MgO-Substrate für epitaktische, c-orientierte ZnO-Schichten eine sehr gute Alternative zu c-Saphir-Substraten bilden. Aufgrund der geringeren Gitterfehlanpassung war die kristalline Qualität, gemessen an der Phononenhalbwertsbreite der E2high-Mode, bei den Schichten auf (111)-MgO sogar um 1 cm-1 besser. Durch den Austausch wurde die quasi-intrinsische Ladungsträgerkonzentration von 5×1018 auf 7×1016 cm-3, also um zwei Größenordnungen, reduziert. Auf (100)-MgO-Substraten konnte ein unpolares m- bzw. s-orientiertes Wachstum erreicht werden. Dieses ist jedoch durch eine geringe Beweglichkeit der Adatome limitiert, was zu verstärktem kolumnaren Wachstum führte. Ein genaueres Bild der Wachstumsmechanismen ergab die Analyse der druckabhängigen Morphologie der ZnO-Schicht. Hierfür wurde ein Modell entwickelt, welches die Auswirkung des Depositionsdrucks auf die Nukleationskeimdichte und die PLD-Plasmawolke betrachtet und so die verschiedenen Schichtmorphologien beschreibt. Diese Einblicke führten zu einem besseren Verständnis der Probleme bei der Dotierung der Schichten mit Antimon (Sb). Dieses verringert die Beweglichkeit von Zn-Adatomen, was bereits bei Sb-Konzentration oberhalb von 1 at.% zu einer amorphen Schichtstruktur führte. Weiterhin kam es, durch die verstärkte Ansammlung von Sb an den Korngrenzen, zu lokalen Phasenausscheidungen, die die Dotiereffizienz stark herabsetzen. Die Ramanspektren der Sb-dotierten Proben wurden von einer Bande im Bereich der longitudinal optischen (LO) Phononen dominiert, ähnlich wie die der mit Stickstoff (N) dotierten Proben. Es wurde gezeigt, dass diese Bande durch eine störstellenresonante Verstärkung der LO-Phononen aufgrund der Fröhlich-Wechselwirkung entsteht. Bei den N-dotierten ZnO-Proben wurde zunächst gezeigt, dass bei Schichten, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie gewachsenen wurden, eine starke, systembedingte Verunreinigung mit Kohlenstoff vorliegt. Dieser bildet nicht nur Defekteniveaus in der ZnO-Bandlücke, sondern auch C≡N-Komplexe, wodurch N-Akzeptoren vernichtet werden. Weiterhin wurde gezeigt, wie auch intrinsische Defekte zur Kompensation der N-Akzeptoren betragen. Durch die Kombination von Dichtefunktionaltheorierechnungen mit der Analyse von Zn-Isotopenverschiebungen in den Ramanspektren von N-dotiertem ZnO, konnte die Struktur von Defekten identifiziert werden, welche die bislang kontrovers diskutierten lokalen Moden bei 275 und 510 cm-1 verursachen. Es handelt sich um Zni-NO und Zni-Oi-NO-Komplexe aus N-Akzeptoren, an die interstitielle Zn- und O-Atome angelagert werden. Die Bildung von molekularem N2 konnte anhand der Mode bei 2306 cm-1 gezeigt werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass für das Problem der Al-Diffusion aus den Saphir-Substraten eine Lösung durch den Wechsel zu MgO-Substraten gefunden wurde. Für die Dotierprobleme mit Sb und N ergaben sich unterschiedliche Ursachen. Während bei Sb die räumlich homogene Dotierung schwer realisierbar ist, kommt es bei N, neben Verunreinigungen, zu einer Eigenkompensation sowie zur Anlagerung intrinsischer Defekte, was die Dotiereffizienz herabsetzt.