Eine wesentliche Voraussetzung für photonische Anwendungen des oxidischen II-VI-Halbleiters Zinkoxid (ZnO) ist der Nachweis einer zeitlich stabilen sogenannten p-Typ Leitfähigkeit im ZnO. Diese auch als Löcherleitung bezeichnete Leitfähigkeit stellt weltweit eine große Herausforderung dar, und die Fortschritte bei dieser anspruchsvollen Thematik waren bisher eher spärlich. "Wir konnten nun einen herausragenden Fortschritt bei der Phosphor-Dotierung von ZnO-Nanostrukturen (ZnO:P) erzielen", sagt Professor Dr. Marius Grundmann, Leiter der Arbeitsgruppe und Direktor des Institutes für Experimentelle Physik II der Universität Leipzig.
Den Leipziger Forschern gelang es, in einem neuartigen Laserplasma-Züchtungsprozess (PLD), Phosphoratome in nanodimensionale ZnO-Halbleiter einzubauen. Der Fachmann spricht von Phosphordotierung der ZnO-Nanodrähte (ZnO:P). Das erfolgreiche Verfahren läuft bei deutlich höheren Prozessgasdrücken als bisher üblich ab. Den Versuch führte Dr. Michael Lorenz im Rahmen der Forschergruppe 522 "Architektur von nano- und mikrodimensionalen Strukturelementen" durch. Dazu mischte er dem ZnO Phosphor-Pentoxid P2O5 als Reaktionspartner (Phosphorakzeptor) bei.
"Derartige p-n-Übergänge in Nanodimensionen auf der Basis von ZnO zu realisieren, ist durch die Erfolge der Leipziger Arbeitsgruppe nun in greifbare Nähe gerückt", freut sich Professor Grundmann. "Durch die Züchtung von strukturell besonders hochwertigen, spannungs- und defektarmen ZnO-Nanodrähten konnten wir die bekannten Schwierigkeiten mit der p-Leitung in ZnO umgehen." Der neuartige Halbleiter ZnO ist besonders für blau und ultraviolett leuchtende LEDs und Laserdioden geeignet.
Der in der Arbeitsgruppe Halbleiterphysik am Institut für Experimentelle Physik im Rahmen eines EU Forschungsprojektes (STReP NANDOS) arbeitende post-doc Dr. Bingqiang Cao hat in seiner Arbeit die Lumineszenz der Phosphor-Störstellen im Detail als Funktion der Temperatur und Wellenlänge untersucht. Er konnte den Einbau der Phosphoratome als Akzeptor in das ZnO beweisen.
Hintergrund:
Die bisherigen Schwierigkeiten bei der Züchtung von stabil p-leitendem ZnO rühren daher, dass reines, undotiertes ZnO stets eine natürliche n-Typ Leitfähigkeit aufweist, die der p-Leitfähigkeit entgegenwirkt. Bei der n-Typ-Leitfähigkeit sind die vorherrschenden Ladungsträger Elektronen, während die p-Leitung durch Elektronenfehlstellen, die auch als Löcher bezeichnet werden, verursacht wird. Eine Voraussetzung für die Konstruktion von elektrisch betriebenen lichtemittierenden Dioden (LEDs) oder auch Laserdioden sind p-n-Übergänge, das heißt Anordnungen von p- und n-leitenden Materialien.
Nur wenn die Phosphor-Atome als elektrisch aktive Akzeptoren eingebaut sind, erfolgt die angestrebte p-Leitfähigkeit. Die elektrische Löcherleitung selbst wurde in weiterführenden Arbeiten bereits eindeutig bewiesen. Die entsprechende Veröffentlichung wird zur Zeit gerade begutachtet. Die Forschungsarbeiten an nanoskopischen UV-Lichtquellen finden im Rahmen des Profilbildenden Forschungsbereich 1 der Universität Leipzig statt, die Ausbildung der beteiligten Doktoranden erfolgt in der Graduiertenschule BuildMoNa, die mit Mitteln aus dem Bundes-Exzellenzwettbewerb ausgestattet wird.
Die Leipziger Ergebnisse zur erfolgreichen Phosphor-Dotierung von ZnO-Nanodrähten wurden in der vom Institute of Physics in Großbritannien herausgegebenen Zeitschrift Nanotechnology 45, 455707 (2007) umgehend ohne sonst übliche Änderungswünsche publiziert und als besonderes Highlight auf der Homepage der Zeitschrift herausgestellt: nanotechweb.org/cws/article/lab/31609