Untersuchungen zur MOVPE von II/VI Halbleiter

vorgelegt von

Berthold Hahn

Betreuer: Prof. Dr. W. Gebhardt

Abgabe: 4.1.1998

Kolloquium:20.2.1998

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung dünner leitender Schichten und die Aufklärung des Epitaxieprozesses. Einen Schwerpunkt bildet dabei die p-Dotierung von ZnSe mit Stickstoff. Mittlerweile ist zwar der Gruppe von Fujita der Nachweis der p-Dotierung von ZnSe mit MOVPE gelungen [1], allerdings blieben dabei ein Reihe von Fragen ungeklärt. Die erfolgreiche p-Dotierung gelingt mit dem Amin tertiär-Butylamin bei photounterstütztem Wachstum bei 380 tex2html_wrap_inline27 C. Die Versuche zeigen außerdem, wie erwartet, einen erhöhten Dotierstoffeinbau bei sinkenden Prozeßtemperaturen. Bisher konnte diese Methode allerdings nicht auf den von den meisten europäischen Gruppen (und auch in dieser Arbeit) benutzten Niedertemperaturprozeß zur Herstellung von ZnSe übertragen werden. Die Gründe hierfür, so wie für die geringe Dotiereffizienz der meisten Stickstoffverbindungen in diesem System waren bisher unbekannt. Aliphatische Amine werden außer zur p-Dotierung häufig dem Reaktionsgemisch bei der Herstellung von Zink-basierten Halbleitern zugesetzt, um parasitäre Reaktionen der Metallorganyle in der Gasphase zu verhindern. In diesem Fall wird trotz der Zugabe der potentiellen Dotanden kein Stickstoff in die Schichten eingebaut. Der dahinter stehende Reaktionsmechanismus wurde bisher nicht geklärt, obwohl dieser Effekt durch den Einsatz der weit verbreiteten Addukt-Zink-Verbindung Dimethylzink-Triethylamin von vielen Epitaxiegruppen benutzt wird. Ebensowenig wurde der Funktionswechsel der Amine von einerseits effektiven Dotierquellen zu andererseits reaktionshemmenden Co-Reaktanden verstanden. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit die Wechselwirkung verschiedener aliphatischer Amine mit der wachsenden ZnSe-Oberfläche untersucht. Dazu werden vergleichende Epitaxieversuche mit verschiedenen Zinkausgangsverbindungen, sowie in-situ Untersuchungen während der Dotierung durchgeführt. In Verbindungen mit theoretischen Ansätzen wird mit den daraus gewonnen Ergebnissen ein neues Oberflächenreaktionsmodell entwickelt, mit dem sowohl der Dotierprozeß, als auch die Schutzfunktion der Amine erklärt werden kann. Alle bisher in MOVPE hergestellten Stickstoff dotierten Proben sind durch Wasserstoff aus dem Wachstumsprozeß vollständig kompensiert. Die p-Leitung muß deshalb in jedem Fall durch einen ex-situ Temperschritt aktiviert werden [1]. Um die Kompensation von vorneherein unterbinden zu können, wurde deshalb der Einfluß der verschiedenen Epitaxieparameter auf den Wasserstoffgehalt der Proben ermittelt. Ferner wird das Effusionsverhalten von Wasserstoff bei Temperung im Ultra-Hoch-Vakuum quantitativ untersucht. Hierbei wird der temperaturabhängige Diffusionskoeffizient von Wasserstoff in ZnSe bestimmt.

Im zweiten Teil der Arbeit wird die Entwicklung einer Cadmium-freien Frontelektrode für CIGS-basierte Dünnschichtsolarzellen beschrieben. Dazu wird zunächst die Herstellung und Dotierung polykristalliner ZnSe-Schichten bei niederen Temperaturen erprobt. Um den Einfluß störender Korngrenzen zu unterbinden, wird außerdem die Epitaxie und Dotierung von einkristallinem ZnSe auf GaAs (111) untersucht. Es wird gezeigt, daß die Epitaxie auf GaAs (111B) als Modellsystem zum Studium der Wachstumskinetik von polykristallinem ZnSe auf Glas dienen kann. Mit diesem Material kann die üblicherweise verwendete CdS-Zwischenschicht in CIGS-Solarzellen ersetzt und so die Umweltverträglichkeit dieses Systems erhöht werden.. Da die Leitfähigkeit des polykristallinem ZnSe nicht zur Herstellung von ausschließlich aus diesem Material bestehenden Frontelektroden ausreicht, wird abschließend eine Methode zur Herstellung von hochleitendem polykristallinem ZnO vorgestellt.