NiO/ZnO-Heteroübergänge: Charakterisierung des elektrischen Transports und Realisierung transparenter aktiver Bauelemente

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit auf Nickeloxid (NiO) und Zinkoxid (ZnO) basierenden Halbleiterheterostrukturen. Beide Materialsysteme sind weitbandlückige und damit im sichtbaren Spektralbereich transparente Halbleiter. Da NiO vom p- und ZnO vom n-Leitungstyp ist, ist mit dieser Kombination die Herstellung optisch transparenter und gleichrichtender pn-Kontakte möglich. Die Realisierung solcher Kontakte ist Schwerpunkt dieser Arbeit. Darauf aufbauend wird gezeigt, dass der NiO/ZnO-Heterokontakt Anwendungspotential im Bereich der Photovoltaik besitzt, und zwar als UV-aktive, transparente Solarzelle, die über die Absorption von ultraviolettem Licht elektrische Leistung bereitstellt.Weiterhin werden auf NiO/ZnO-Kontakten basierende Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (junction field-effect transistors, JFET) hergestellt und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bauteile von technischer Relevanz in Schaltungen der transparenten Elektronik sein können. Der NiO/ZnO-Halbleiterkontakt weist bekanntermaßen große Versetzungen der Leitungs- und Valenzbandkanten an der Grenzfläche auf, welche Barrieren für die Injektion von Minoritätsladungsträgern darstellen. Ein Stromfluss durch eine solche Typ-II-Heterostruktur ist nur durch Elektron-Loch-Rekombination über Grenzflächenzustände möglich. Es werden Modelle diskutiert, die zur Beschreibung der Strom-Spannungscharakteristik unter Berücksichtigung dieses Transportmechanismus verwendet werden können. Die Herstellung der ZnO-Dünnfilme erfolgte mit der etablierten Methode der gepulsten Laserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD). Zur Beschichtung mit NiO wird neben der PLD die Kathodenzerstäubung als zweite Methode verwendet. Die Besprechung der Ergebnisse beginnt mit der Analyse der NiO-Dünnschichten und endet mit den aktiven Bauelementen. Zuerst werden die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften von NiO-Dünnfilmen hinsichtlich der Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen für beide Methoden besprochen. Anschließend folgt die elektrische Charakterisierung von NiO/ZnODioden, auf deren Basis Transportmechanismen in diesen Strukturen diskutiert werden. Die letzten beiden Kapitel sind den im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich hergestellten aktiven Bauelementen – UV-aktiven Solarzellen sowie JFET – gewidmet, die den NiO/ZnO-Heteroübergang zur Realisierung ihrer Funktionalität ausnutzen. Hierbei wurden mittels PLD abgeschiedene NiODünnfilme als Solarzellen-Frontkontakte beziehungsweise als Transistor-Steuerelektrode eingesetzt. Bezüglich der UV-Solarzellen erfolgt eine tiefgehende Analyse der auftretenden elektrischen Verlustmechanismen. Die Charakterisierung der JFET fokussiert auf das statische und dynamische Schaltverhalten sowie die Temperaturstabilität der Bauelemente