Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.:1 Einleitung I Grundlagen 2 Elektronische Eigenschaften von Defekten in Halbleitern 2.1 Typen und Klassifizierung von Defekten 2.2 Lokalisierte Zustände in Halbleitern 2.2.1 Donatoren und Akzeptoren 2.2.2 Flache Defekte und effektive Masse-Näherung 2.2.3 Tiefe Defekte 2.3 Besetzungsstatistik und Ratengleichungen 2.3.1 Thermische Emission 2.3.2 Optische Emission 2.3.3 Nichtstrahlender Einfang und Multiphononen Emission 2.3.4 Arrhenius Auswertung 2.3.5 Zeitentwicklung des Besetzungsgrades 3 Raumladungszonenspektroskopie 3.1 Metall-Halbleiter-Kontakte 3.2 Kapazitätstransienten 3.3 Kapazitäts-Spannungs-Messungen (C(U)) 3.4 Thermische Admittanz Spektroskopie (TAS) 3.5 Deep level transient spectroscopy (DLTS) 3.6 Konzentrationsbestimmung 3.7 Laplace-Deep level transient spectroscopy (LDLTS) 3.7.1 Entstehung des LDLTS-Signals 3.7.2 Einschränkungen der Methode 3.8 Deep level optical spectroscopy (DLOS) 4 Die Halbleiter ZnO und MgZnO 4.1 Kristallstruktur und Gitterparameter 4.2 Bandstruktur 4.3 ZnO als transparentes leitendes Oxid 4.4 Defekte in ZnO 5 Probenherstellung und Charakterisierung 5.1 ZnO-Züchtung 5.1.1 ZnO-Volumenkristalle 5.1.2 ZnO-Dünnfilme 5.2 Kathodenzerstäubung 5.3 Protonenbestrahlung und Ionenimplantation 5.3.1 Bremsquerschnitt 5.3.2 Protonenbestrahlung 5.3.3 Ionenimplantation 5.4 Probenaufbau und Schottky-Kontakte 5.5 Raumladungszonenspektroskopie-Messplatz 5.6 Rasterkraftmikroskopie 5.7 Kelvinsondenkraftmikroskopie 5.8 Röntgendiffraktometrie 5.9 Photolumineszenzspektroskopie II Charakterisierung züchtungsinduzierter Defekte 6 Defekte in ZnO-Volumenkristallen und -Dünnfilmen 6.1 Elektrische Eigenschaften 6.2 Thermische Admittanz-Spektroskopie 6.3 Deep-level transient spectroscopy 6.4 E3 und E3’ in ZnO Dünnfilmen 6.4.1 Low Rate – DLTS 6.4.2 Laplace-DLTS 6.4.3 thermisch aktivierter Einfang von E3’ 6.5 Einfluss thermischer Nachbehandlung 6.6 Einfluss der Züchtungstemperatur 6.7 Die Meyer-Neldel Regel 6.8 E7, TH1 und T4 in ZnO – DLOS 6.8.1 Raumtemperatur DLOS des ZnO-Volumenkristall 6.8.2 Raumtemperatur DLOS des ZnO-Dünnfilm 6.8.3 DLOS-Messungen bei tiefen Temperaturen 6.9 Optische Anregung von E3’ in ZnO-Dünnfilmen 7 Defekte in (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 7.1 (Mg,Zn)O-Dünnfilme auf a-Saphir 7.2 Photolumineszenz 7.3 XRD 7.4 DLTS-Untersuchungen 7.5 E3 in verspannten (Mg,Zn)O-Filmen 7.6 DLOS – T4 und TH1 in (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 7.7 Zusammenfassung 8 Einfluss der Wachtumsorientierung auf die Defektstruktur von ZnO-Dünnfilmen 8.1 ZnO-Dünnfilme auf a-, m- und r-Saphir 8.2 Strukturelle Eigenschaften 8.3 Photolumineszenz 8.4 Elektrische Eigenschaften 8.5 Defektsignaturen III Charakterisierung strahlungsinduzierter Defekte 9 Protonenbestrahlung an (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 9.1 Der E4-Defekt in ZnO – Stand der Literatur 9.2 E4 in polaren (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 9.2.1 Probenaufbau und Protonenbestrahlung 9.2.2 Elektrische Eigenschaften 9.2.3 DLTS-Untersuchungen 9.3 E4 in unpolaren ZnO-Dünnfilmen 9.4 Zusammenfassung 10 Defekte in Argon-implantierten ZnO-Dünnfilmen 10.1 Probenstruktur und Ionenimplantation 10.2 Thermische DLTS 10.3 DLTS mit monochromatischer Anregung 11 Defekte in Zn- und O-implantierten ZnO-Dünnfilmen 11.1 Proben und Ionenimplantation 11.2 Nettodotierkonzentration 11.3 Thermische DLTS 11.4 DLOS 11.5 Defekte mit geringen Konzentrationen – E470 und E390 12 Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und Detektion von Defekten im Halbleiter Zinkoxyd (ZnO). Der Fokus liegt dabei auf der Verwendung raumladungszonenspektroskopischer Techniken zur Detektion und Charakterisierung elektronischer Defektzustände. Es werden theoretische Aspekte von Raumladungszonen an Halbleitergrenzflächen und den darin enthaltenen elektronischen Defektzuständen behandelt. Das elektrische Potential in der Raumladungszone genügt einer nichtlinearen, eindimensionalen Poissongleichung, für die bekannte, näherungsweise Lösungen vorgestellt werden. Für eine homogen dotierte Raumladungszone gelang es, die exakte Lösung des Potentialverlaufs als Integral anzugeben und einen analytischen Ausdruck für die Kapazität der Raumladungszone zu berechnen. Desweiteren werden transiente und oszillatorische Lösungen der Differentialgleichung zur Beschreibung der Zeitentwicklung der Besetzungswahrscheinlichkeit von Defektzuständen für verschiedene experimentelle Bedingungen betrachtet. Sämtliche raumladungszonenspektroskopischen Experimente können durch geeignete Lösungen dieser beiden Differentialgleichungen beschrieben werden. Für die Fälle, für die keine analytischen Lösungen bekannt sind, wurde ein numerisches Modell entwickelt. Die Experimente wurden an ZnO Dünnfilmproben durchgeführt, welche mittels gepulster Laserablation auf Korundsubstraten abgeschieden wurden. Zur Erzeugung von Defekten wurden entweder Ionen in die Proben implantiert, die Proben mit hochenergetischen Elektronen bzw. Protonen bestrahlt oder einer thermischen Behandlung unterzogen. Die Raumladungszonen wurden durch Schottkykontakte realisiert. Durch die raumladungszonenspektroskopischen Verfahren, Kapazitäts-Spannungs Messungen, Admittanzspektroskopie, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS), Minority Carrier Transient Spectroscopy, optische DLTS, Photokapazitäts- und Photostrommessungen, sowie der optischen Kapazitäts-Spannungs Messung konnten Defektzustände in der gesamten ZnO Bandlücke nachgewiesen werden. Durch Vergleiche der gemessenen Defektkonzentrationen in einer unbehandelten Referenzprobe mit denen in behandelten Proben konnten Aussagen über die experimentellen Bedingungen, unter denen intrinsische Defekte entstehen bzw. ausheilen, gewonnen und mit Stickstoff- bzw. Nickel- in Zusammenhang stehende Defekte identifiziert werden. Für eine Vielzahl untersuchter Defektzustände konnten die thermische Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, Querschnitte für den Einfang freier Ladungsträger sowie die spektralen Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Aus diesen Eigenschaften sowie den experimentellen Bedingungen unter denen der Defekt bevorzugt gebildet wird, wurden Rückschlüsse auf die mikroskopische Struktur einiger Defekte gezogen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und Detektion von Defekten im Halbleiter Zinkoxyd (ZnO). Der Fokus liegt dabei auf der Verwendung raumladungszonenspektroskopischer Techniken zur Detektion und Charakterisierung elektronischer Defektzustände. Es werden theoretische Aspekte von Raumladungszonen an Halbleitergrenzflächen und den darin enthaltenen elektronischen Defektzuständen behandelt. Das elektrische Potential in der Raumladungszone genügt einer nichtlinearen, eindimensionalen Poissongleichung, für die bekannte, näherungsweise Lösungen vorgestellt werden. Für eine homogen dotierte Raumladungszone gelang es, die exakte Lösung des Potentialverlaufs als Integral anzugeben und einen analytischen Ausdruck für die Kapazität der Raumladungszone zu berechnen. Desweiteren werden transiente und oszillatorische Lösungen der Differentialgleichung zur Beschreibung der Zeitentwicklung der Besetzungswahrscheinlichkeit von Defektzuständen für verschiedene experimentelle Bedingungen betrachtet. Sämtliche raumladungszonenspektroskopischen Experimente können durch geeignete Lösungen dieser beiden Differentialgleichungen beschrieben werden. Für die Fälle, für die keine analytischen Lösungen bekannt sind, wurde ein numerisches Modell entwickelt. Die Experimente wurden an ZnO Dünnfilmproben durchgeführt, welche mittels gepulster Laserablation auf Korundsubstraten abgeschieden wurden. Zur Erzeugung von Defekten wurden entweder Ionen in die Proben implantiert, die Proben mit hochenergetischen Elektronen bzw. Protonen bestrahlt oder einer thermischen Behandlung unterzogen. Die Raumladungszonen wurden durch Schottkykontakte realisiert. Durch die raumladungszonenspektroskopischen Verfahren, Kapazitäts-Spannungs Messungen, Admittanzspektroskopie, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS), Minority Carrier Transient Spectroscopy, optische DLTS, Photokapazitäts- und Photostrommessungen, sowie der optischen Kapazitäts-Spannungs Messung konnten Defektzustände in der gesamten ZnO Bandlücke nachgewiesen werden. Durch Vergleiche der gemessenen Defektkonzentrationen in einer unbehandelten Referenzprobe mit denen in behandelten Proben konnten Aussagen über die experimentellen Bedingungen, unter denen intrinsische Defekte entstehen bzw. ausheilen, gewonnen und mit Stickstoff- bzw. Nickel- in Zusammenhang stehende Defekte identifiziert werden. Für eine Vielzahl untersuchter Defektzustände konnten die thermische Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, Querschnitte für den Einfang freier Ladungsträger sowie die spektralen Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Aus diesen Eigenschaften sowie den experimentellen Bedingungen unter denen der Defekt bevorzugt gebildet wird, wurden Rückschlüsse auf die mikroskopische Struktur einiger Defekte gezogen.