Hochtemperatur-CVD-Wachstum von monokristallinen Zinkoxid-Schichten mit Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Hecker Denschlag, seit 6/2020
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339461538

Der vorliegende Projektantrag befasst sich mit einem neuen, besonders einfachen Verfahren für das Wachstum von Zinkoxid-Schichten mit sehr hoher kristalliner Qualität. Die hiermit erzeugten ZnO-Schichten eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen hohe Kristallqualität und gute Kontrolle der Leitfähigkeit gefragt ist, wie z.B. für transparente Elektronik (TTFTs) sowie für Oberflächenwellen-Filter (SAWs), aber auch für chemische und mechanische Sensoren (ggf. ebenfalls basierend auf SAWs). Darüber hinaus könnten Opferschichten realisiert werden, die speziell in der LED-Fertigung in sogenannten flip chip-Anordnungen Anwendungspotential haben. Sie sind weiterhin geeignet als transparente n-leitfähige Frontkontakte auf optischen Detektoren für das Sichtbare. Das vorgestellte Wachstumsverfahren, welches inzwischen patentiert ist (DE 10 2015 209 358 B3 vom 25. 2. 2016), zeichnet sich durch eine sehr einfache technische Realisierung und weitgehend ungiftige Quellmaterialien aus. Als Zinkquelle dient ein kommerziell erhältliches Zinkoxidpulver, welches mit einer Kohlenwasserstoff-Verbindung - typischerweise Methan (CH4) - zu elementarem Zink(dampf) reduziert wird. Durch die kontrollierte Zugabe von reinem Sauerstoff kommt es auf dem gewählten Substrat zur Re-Oxidation, und kristalline ZnO-Schichten können abgeschieden werden. In ersten Versuchen konnten auf (weitgehend gitterangepassten) Substraten sehr hohe Kristallqualitäten und sehr gute optische und elektrische Eigenschaften erzielt werden. Weitere Forschungsarbeiten sollen vor allem ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Wachstumsmechanismen liefern. Hierzu gehören insbesondere die Vorgänge während der Bekeimung und Bildung einer ersten geschlossenen Schicht, sowie die Weiterentwicklung von Kristallfehlern und Glättung der Oberfläche. Das Wachstumsverfahren soll optimiert und auf verschiedene Substrate ausgeweitet werden, wozu umfangreiche Wachstumsserien auf verschiedenen Substraten und mit verschiedenen Wachstumsparametern durchgeführt werden sollen. Um die Nukleations-prozesse auf verschiedenen Substraten besser verstehen zu können, soll speziell der Start der Wachstumsphase genau untersucht werden. Mit der vorhandenen Anlage sollen die Homogenität verbessert und die Substratflächen auf ca. 4 cm² vergrößert werden. Weiterhin soll mit diesem Verfahren die Machbarkeit von n-dotiertem ZnO sowie von ternären MgZnO-Schichten untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Klaus Dieter Thonke, bis 5/2020