Vapor Phase Growth of ZnO Single Crystals/Thin Films and Attempts for p-type Doping

The growth of ZnO single crystals and ZnO thin films on Si substrates by an open-system vapor phase method was studied in this thesis. The as-grown ZnO single crystals were investigated by means of photoluminescence (PL). Two unique emissions were observed in virgin and hydrogenated crystals. The up-to-now attempts for the p-type doping of ZnO were summarized and our doping studies were performed using nitrogen and antimony. The seed-free and open-system vapor phase method is a simple and low cost approach to grow good quality ZnO single crystals. The growth parameters, including flow rates of N2, H2, O2, and growth temperatures, have various influences on the crystal growth, and also on the optical properties of the as grown crystals. The as-grown crystals are c-axis oriented needle crystals, and the crystals typically have a maximum length of 40 mm and a maximum diameter of 1 mm. The needle-shaped crystals are n-type with main donors due to Al, Ga, and In impurities, as determined from the PL spectra. Two unidentified PL emission lines (P1 at 3.3643 eV and P2 at 3.3462 eV) are observed in our vapor phase grown ZnO single crystals. P1 is attributed to the recombination of an exciton bound to a shallow donor，which has a binding energy of 42.2 meV. Hydrogenation of the as-grown ZnO single crystal leads to the appearance of the P2 line and a great reduction of the P1 line. Subsequent isochronal annealing in the ambient atmosphere leads to gradual reduction of P2 and the reappearance of P1. The PL measurements indicate that hydrogen is involved in the defect origins of the P2 line. ZnO thin films were deposited on Si substrates by the vapor phase method. Three different types of configurations with alternative source materials and oxidizers were employed and compared. It is demonstrated that, methods with lower growth temperatures are easier to deposit homogenous ZnO films on Si substrate. Donor-acceptor-pair (DAP) transition at 3.245 eV and its phonon replicas were observed in the PL spectra of the thin films, which are grown by the hydrogen-free vapor phase method. The appearance of DAP transition indicates the presence of acceptor in the films. The long-standing challenge of p-type doping in ZnO is mainly attributed to the low valence band maximum (VBM) at the absolute energy scale, the spontaneous formation of compensating defects and the lack of appropriate acceptors with small ionization energy. Two attempts for the p-type doping of ZnO were performed by nitrogen diffusion into ZnO single crystals from plasma after the growth or by in-situ doping antimony during the growth of ZnO films. No hole conductivity could however be achieved in our doped samples.In dieser Arbeit wurde das Wachstum von ZnO-Einkristallen und Dünnfilmschichten auf Si durch chemische Gasphasenabscheidung in einem offenen System untersucht. Die hergestellten ZnO-Einkristalle wurden mit Photolumineszenzmessungen (PL) untersucht. Es konnten sowohl in unbehandelten als auch in mit Wasserstoff behandelten Proben zwei charakteristische Linien beobachtet werden. Sowohl die bisherigen Versuche zur p-Typ Dotierung von ZnO als auch die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche mit Stickstoff und Antimon werden zusammengefasst und präsentiert. Die Keimkristall-freie Gasphasenabscheidung (CVD) in offenen Systemen ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von qualitativ hochwertigen ZnO-Einkristallen. Die Wachstumsparameter, einschließlich der Flussraten von N2, H2 und O2 sowie der Wachstumstemperatur beeinflussen das Kristallwachstum sowie die optischen Eigenschaften der hergestellten Kristalle. Die hergestellten Kristalle wachsen typischerweise als entlang der c-Achse orientierte Nadeln mit Längen von bis zu 40 mm und Durchmessern von bis zu 1 mm. Die nadelförmigen Kristalle besitzen eine n-Typ Dotierung, welche hauptsächlich durch Verunreinigung mit Al, Ga und In verursacht wird. Zwei bisher nicht identifizierte PL-Linien (P1 bei 3,3643 eV und P2 bei 3,3462 eV) wurden in den hergestellten Kristallen beobachtet. P1 wird der Rekombination von Exzitonen an flachen Donatoren mit einer Bindungsenergie von 42,2 meV zugeordnet. Eine Wasserstoffbehandlung der hergestellten Kristalle führt zum Erscheinen der P2-Linie und einer starken Unterdrückung der P1-Linie. Anschließende isochronische Temperung in Luft führt zu einer schrittweisen Reduzierung der Intensität der P2-Linie und zu einer Verstärkung der P1-Linie. Photolumineszenzmessungen weisen auf eine Korrelation von P2 mit Wasserstoff hin. Zusätzlich wurden mit der CVD-Methode dünne ZnO-Schichten auf Si-Substraten abgeschieden. Drei unterschiedliche Konfigurationen mit verschiedenen Ausgangsmaterialien (ZnO-Pulver bw. Zn-Pulver) und verschiedenen Oxidationsmitteln (O2 bzw. Wasser) wurden untersucht und verglichen. Es wird gezeigt, dass mit den Konfigurationen mit geringerer Wachstumstemperatur am einfachsten homogene ZnO-Schichten auf Si abgeschieden werden können. Ein Donator-Akzeptor-Paar-Übergang (DAP) bei 3,245 eV und die dazugehörigen Phononenrepliken wurden in den Schichten beobachtet, welche in einer Wasserstoff-freien Konfiguration abgeschieden wurden. Diese DAP-Übergänge sind ein Hinweis auf die Anwesenheit von Akzeptoren. Die seit langem bestehende Herausforderung der p-Typ-Dotierung von ZnO hat ihre Wurzeln hauptsächlich in dem niedrig liegenden Valenzbandmaximum (VBM) auf der absoluten Energieskala, der spontanen Bildung von kompensierenden Defekten sowie dem Mangel an geeigneten Akzeptoren mit geringer Ionisierungsenergie. Zwei Versuche zur p-Typ-Dotierung von ZnO durch Behandlung der Kristalle mit N-Plasma bzw. durch in-situ Dotierung mit Sb während des Kristallwachstums wurden durchgeführt. Allerdings konnte damit keine nachweisbare Löcherleitung in den behandelten Proben erreicht werden