Amorphe Spinelle als p-Typ Halbleiter

• Antragsteller: Professor Dr. Marius Grundmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248402426

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden amorphe Spinelle als potentiell neuartige p-Typ Halbleiter untersucht. Als Ausgangsmaterial der Untersuchungen diente amorphes ZnCo2O4. Die Dünnschichten wurden mittels gepulster Laserabscheidung hergestellt. Dabei wurden Druck- und Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften untersucht. Ziel war es, reproduzierbar Dünnschichten mit einstellbaren elektrischen Eigenschaften herzustellen. Dabei sollten hohe Lochmobilitäten >1 cm2/Vs sowie mittlere Lochdichten zwischen 10^16 und 10^18cm^-3 erreicht werden. Dafür wurden dem ZnCo2O4 verschiedene Elementen in verschiedenen Konzentrationen zugesetzt (Ni, Mg, Si, Ir). Alle im Rahmen dieses Projekts untersuchten Dünnschichten zeigten p-Typ Verhalten. Die hergestellten Dünnschichten wiesen ein breites Spektrum an Leitfähigkeiten auf, allerdings wurden keine Lochdichten unter 10^19 cm^-3 gefunden. Dies macht die amorphen Spinellschichten leider ungeeignet als (zu verarmende) Schichten in Dioden oder Feldeffekttransistoren. Zusätzlich sollten die amorphen p-Typ Halbleiterdünnschichten genutzt werden, um Dioden herzustellen. Im besten Falle sollte eine, ausschließlich aus amorphen Oxiden bestehende Diode, realisiert werden. Da die untersuchten amorphen Spinelle auf Grund ihrer hohen Ladungsträgerkonzentration nicht verarmt werden können, sollten niedrig-dotierte n-Typ Halbleiter als Gegenstück genutzt werden. Hierfür wurde amorphes, n-leitendes Zink-Zinn-Oxid (ZTO) ausgewählt, da sowohl Zink als auch Zinn preislich günstig sind, was sie für Anwendungen attraktiv macht. Die Dioden wurden durch eine intrinsische semi-isolierende ZTO Schicht in ihrem Sperrverhältnis optimiert. Damit wurden Sperrverhältnisse von über sechs Größenordnungen erreicht, was den bisherigen Spitzenwert bei amorphen oxidischen Dioden um einen Faktor deutlich größer als 100 verbessert. Dies wurde in Advanced Electronic Materials publiziert. Zusätzlich gab es einen Bericht in Physik Journal der DPG in der Ausgabe 04/2015, Seite 8 unter dem Titel „Nachhaltige Diode“. Das ZTO erwies sich als derart vielversprechend, dass neben den pn-Dioden zusätzlich noch Schottky-Dioden untersucht wurden. Auch diese weisen exzellente Sperrverhältnisse und kleine Idealitätsfaktoren auf. Unter Nutzung derselben wurden mittels Raumladungszonenspektroskopie zwei Störstellenniveaus im amorphen ZTO gefunden. Es handelt sich um die erste Publikation von diskreten Störstellenniveaus in amorphen ZTO. Da alle genutzten Halbleiterschichten sowohl der pn- als auch der Schottky-Dioden bei Raumtemperatur hergestellt wurden, bietet sich die Nutzung thermisch instabiler aber preisgünstiger und flexibler Plastiksubstrate an.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Adv. Electron. Mater. 1, 1400023 (2015)
  P. Schlupp, F.-L. Schein, H. von Wenckstern, M. Grundmann
  
• IEEE Transact. Electr. Dev. 62(12), 4004-4008 (2015)
  F. J. Klüpfel, A. Holtz, F.-L. Schein, H. von Wenckstern, M. Grundmann
  
• Adv. Electron. Mater. 2, 1500431 (2016)
  F. J. Klüpfel, H. von Wenckstern, M. Grundmann
  
• J. Phys. D: Appl. Phys. 49(21), 213001 (2016)
  M. Grundmann F. Klüpfel, R. Karsthof, P. Schlupp, F.-L. Schein, D. Splith, C. Yang, S. Bitter, H. von Wenckstern
  
• ACS Appl. Mater. Interfaces 9(31), 26574 (2017)
  S. Bitter, P. Schlupp, H. von Wenckstern, M. Grundmann
  
• Phys. Status Solidi A 214, 170210 (2017)
  P. Schlupp, H. von Wenckstern, M. Grundmann