I. Physikalisches Institut der JLU Giessen
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Oxidschichten

Prof. Dr. Bruno K. Meyer       Dr.Angelika Polity

Metalloxidschichten besitzen interessante optische und elektrische Eigenschaften, die im großen Maßstab industriell ausgenutzt werden. Zu den am häufigsten verwendeten Metalloxiden gehören Indiumoxid, Zinkoxid und Zinnoxid. Diese Materialien sind transparent und können durch geeignete Dotierung sehr hohe, mit Metallen vergleichbare Leitfähigkeiten erreichen. Sie werden wegen dieser Eigenschaften auch kurz als TCOs (transparent conducting oxides) bezeichnet. TCOs finden industrielle Anwendung bei der Wärmeschutzverglasung für Gebäude, für beheizbare Scheiben, als Elektrode für Flachbildschirme, zur Steuerung von elektrochromen Verglasungen oder als Schichten für die Photovoltaik. Sie bieten außerdem das Potential für zukünftige Anwendungen in der Optoelektronik.

Zinn-dotiertes Indiumoxid (In2O3:Sn oder ITO) wird aufgrund seiner Transparenz im sichtbaren Spektralbereich und seiner hohen, bisher von keinem anderen TCO erreichten elektrischen Leitfähigkeit in der Flachbildschirmproduktion verwendet. Dünne ITO-Schichten dienen hier zur Ansteuerung der Bildpunkte. Diese Schichten, welche mit einem Magnetron-Sputterprozess hergestellt werden, erfüllen hohe Anforderungen, welche an die Reproduzierbarkeit und die Homogenität der Schichten gestellt werden.

Aluminium-dotiertes ZnO (ZnO:Al oder ZAO) ist ebenfalls wie ITO im sichtbaren Spektralbereich transparent und hochleitfähig, erreicht aber nicht dessen Leitfähigkeit.

Am IPI werden Metalloxidschichten mit Hilfe des Sputterverfahrens und der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt. Zu den von uns untersuchten Materialien gehören dotiertes und undotiertes ZnO, undotiertes und dotiertes VO2 ( Link zu Thermochrome Schichten) und die Legierungssysteme ZnO1-xSx, ZnO1-xSex und ZnO1-xTex.

In den Legierungen von ZnO mit Schwefel, Selen und Tellur lässt sich eine Veränderung der Bandlücke in Abhängigkeit von der Schichtzusammensetzung beobachten (Abbildung 1). Für Kompositionen zwischen den binären Endpunkten ZnO und ZnS, ZnSe bzw. ZnTe durchläuft die Bandlückenenergie ein Minimum. Die Bandlücke lässt sich beispielsweise so einstellen, dass UV-Strahlung absorbiert, aber das Licht des sichtbaren Spektralbereichs durchgelassen wird. Mögliche Anwendungen sind dann der Schutz von Menschen in Regionen mit hoher UV-Einstrahlung oder auch der Schutz vor dem Ausbleichen von Bildern oder Fotos durch UV-Strahlung. ZnOTe oder verwandte Legierungen mit Mangan könnten Anwendung in der Photovoltaik als neuartiges Absorbermaterial ( Link zu Photovoltaische Schichten) finden. Außerdem denkbar ist die Verwendung der ZnOS-, ZnOSe- und ZnOTe-Legierungen in der Optoelektronik für Leucht- oder Laserdioden im ultravioletten, blauen, grünen und roten Spektralbereich.

Abb. 1: Die Bandlückenenergie von ZnO1-xSx- und ZnO1-xSex- Schichten als Funktion der Zusammensetzung x. Die eingefügte Grafik zeigt optische Transmissionsspektren von ZnO1-xSex-Schichten auf Saphir: a) ZnO, b) ZnSe, c) ZnOSe.