Zinkoxid Zinkoxid als Halbleiter

Wissenschaftler aus Bochum haben experimentell gezeigt, warum sich Zinkoxid bisher nur bedingt als Halbleiter einsetzen ließ. Die erzielten Ergebnisse sollen eine Grundlage für die Herstellung leistungsfähiger, auf Zinkoxid basierender elektronischer Bauelemente bilden.

Anbieter zum Thema

C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

Elementar Analysensysteme GmbH

Socorex Isba SA

Ruhr-Universität Bochum

Bochum – Die Verwendungszwecke von Zinkoxid reichen vom Nahrungsmittelzusatz bis zum Sonnenschutzmittel. Auch als Halbleiter ist die Verbindung von Bedeutung. Hier steht der große Durchbruch jedoch noch aus, da bisher die Dotierung nicht perfekt funktionierte. RUB-Chemiker um Prof. Dr. Christof Wöll wiesen jetzt experimentell nach, dass Wasserstoffatome den Prozess stören. Der Schlüssel zum routinemäßigen Einsatz von Zinkoxid als Halbleiter liegt demnach in der Steuerung der Wasserstoffkonzentration bei der Herstellung hochreinen Zinkoxids.

In ihren Experimenten konnten Forscher der Ruhr-Universität Bochum zeigen, dass Wasserstoffatome immer zu einer n-Dotierung führen. Es gelang ihnen, Zinkoxidsubstrate reversibel mit Wasserstoff zu dotieren und den Wasserstoff durch Heizen wieder vollständig zu entfernen. Damit konnten sie theoretische Vorhersagen erstmals umfassend bestätigen. Die Änderungen der Ladungsträgerkonzentration, essentiell für die Funktion aus Zinkoxid hergestellter elektronischer Bauteile, konnten die Forscher durch Messungen bei verschiedenen Temperaturen nachweisen. Verunreinigungen mit Wasserstoff - als Folge der Herstellungsprozesse praktisch unvermeidbar - stehen einer gezielten p-Dotierung im Wege. Die von den Wasserstoffatomen an das Zinkoxid abgegebenen Elektronen füllen die durch die p-Dotierung erzeugten Löcher sofort auf. Für die Herstellung von hochreinem Zinkoxid spielt nach Ansicht der Forscher eine hohe Reinheit - insbesondere die Abwesenheit von Wasserstoff - eine entscheidende Rolle.

Kontroverse um Zinkoxid beendet

Die Forscher beendeten auch eine wissenschaftliche Kontroverse. Bislang wurde oft postuliert, die Dotierungsprobleme würden durch Defekte im Zinkoxid-Kristallgitter wie zusätzliche Zink-Atome oder Sauerstoff-Fehlstellen verursacht. Die in Bochum erzielten Ergebnisse bilden eine Grundlage für die Herstellung leistungsfähiger, auf Zinkoxid basierender elektronischer Bauelemente. Zurzeit arbeiten die Forscher intensiv daran, durch Einbau geeignete Fremdatome in hochreine, wasserstofffreie Zinkoxidsubstrate eine p-Dotierung zu erreichen.

Originalveröffentlichung: Qiu H. et al.: Ionization energies of shallow donor states in ZnO created by reversible formation and depletion of H interstitials. In: Physical Review Letters 101, 236401 (2008), DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.236401

(ID:282021)