Sekundärionenmassenspektrometrie an Zinkoxid

Abstract

Für den Einsatz des Halbleiters Zinkoxid in der Optoelektronik ist dessen erfolgreiche p-Dotierung zwingende Voraussetzung. Um dieses Ziel zu erreichen ist es unerlässlich, die Verunreinigungen des Systems zu identifizieren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der quantitativen Analyse von Zinkoxid mittels Sekundärionenmassenspektrometrie. Als Grundlage für diese Arbeit wurden zunächst die SIMS-Empfindlichkeitsfaktoren für Zinkoxid bestimmt. Mit Hilfe von Primär- und Sekundärstandards konnten diese Faktoren für 16 technologisch interessante Elemente experimentell ermittelt und gleichzeitig die messtechnischen Anforderungen aufgezeigt werden. Durch eine auf den physikalischen Prinzipien der Sekundärionenbildung basierende Inter- und Extrapolation der Daten wurden die Empfindlichkeitsfaktoren für 28 weitere Elemente berechnet. Somit ist nun eine quantitative Analyse der gewollten und ungewollten Dotierung von Zinkoxid möglich. Als erste Anwendung wurden die Verunreinigungen in hydrothermal gewachsenen Einkristallen identifiziert und quantifiziert. Desweiteren wurde die Auswirkung einer thermische Vorbehandlung bei 1150°C auf die Substratverunreinigungen untersucht. Ein gängiges Problem bei der Wachstumskontrolle homoepitaktischer Schichten stellt die Ununterscheidbarkeit von Schicht und Substrat dar. SIMS-Messungen ergaben eine Abnahme der Verunreinigungen innerhalb der Dünnschicht um ein bis zwei Größenordnungen gegenüber dem verwendeten Substrat und eine Anhäufung bestimmter Elemente wie Lithium am Schichtübergang. Schließlich wurde noch der Einfluss der Substratpolarität auf das epitaktische Wachstum exemplarisch untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung des Arsen-Einbaus in Zinkoxid. Dazu wurden Proben untersucht, die mit zwei unterschiedlichen Methoden präpariert wurden, der Ionenimplantation und dem epitaktischen Wachstum aus der Gasphase. Die nach dem Implantieren ausgeheilten Kristalle wurden mittels Rückstreumessungen auf ihre Implantationsschäden hin untersucht. Zudem wurde gezeigt, dass in gewissem Umfang auch die SIMS eine solche Charakterisierung ermöglicht. Die Messungen der Tiefenverteilungen ergaben, dass das implantierte Arsen in der Probe verweilt und sich sogar anhäuft. Ähnlich wie bei der Temperung der Substrate beobachtet man eine Ausdiffusion der Erdalkali- und Alkalimetalle zur Oberfläche hin. Die XPS-Messungen zeigen, dass nach dem Implantieren zunächst vorwiegend interstitielles Arsen vorliegt und sich nach dem thermischen Ausheilen das Arsen nicht auf Gitterplatz einbaut, sondern sich vermutlich Zinkarsenate ausbilden. Dies steht in Einklang mit SIMS- und Röntgenbeugungsmessungen, die ebenfalls auf die Bildung einer Fremdphase hinweisen. Die Charakterisierung der epitaktisch gewachsenen Schichten zeigte, dass sich bei alleiniger Verwendung einer Zinkarsenid-Vorstufe vorzugsweise Zinkarsenat bildet und längere Wachstumszeiten zu inhomogenen Schichten führen. Zudem wurde deutlich, dass allein aus XPS-Messungen noch nicht unterschieden werden kann, ob sich Fremdphasen gebildet haben oder ob sich Arsen auf Zink-Platz eingebaut hat.