Dynamic interplay between defects and dopants in Zinc Oxide

Sinkoksid (ZnO), mest kjent fra sink-salver og -bøtter, er et lett tilgjengelig, relativt billig og et trygt materiale. Man kan i tillegg til å bruke det i salver ol. gjøre det halvledene og gro store en-krystallinske - superrene biter. Med utgangspunkt i de halvledende egenskapene har ZnO potensiale for å brukes i en rekke spennende anvendelser, som f.eks transparente ledende kontakter på solceller, lysdioder som gir hvitt lys, laserdioder i UV-området som fungerer ved romtemperatur, samt som element i piezoelektriske og termoelektriske kretser. En halvleder er kun virkelig nyttig som en halvleder om man har muligheten til å kontrollert introdusere andre grunnstoff, for å gi materialet enten ett overskudd eller underskudd av elektroner. Dette fordi en helt ren halvleder ikke er noe annet enn en elektrisk isolator, mens det man egentlig vil er å kunne kontrollere antall elektroner som er tilgjengelig for å lede strøm. Klarer man i et område å lage et slikt overskudd av elektroner og i ett annet område lage et underskudd av elektroner så har man en diode. Utfordringen med ZnO er at det har vist seg veldig vanskelig å lage et slikt underskudd av elektroner (p-type), slik at man desverre ikke enda klarer å lage en effektiv diode. Det er også slik at det heller ikke er trivielt i ZnO å presist kontrollere hvor mye overskudd (n-type) man har av elektroner. Litt grovt sagt, så kan man per idag kontrollert lage et lite eller et stort overskudd av elektroner, men f.eks til bruk som transparent ledende kontakt på solceller ønsker også å få til et enda større overskudd. Dette for å få så lav motstand i kontakten som mulig uten å gå på bekostning på hvor raskt hvert enkelt elektron kan bevege seg (mobilitet). For å prøve å forstå mer om hvordan andre grunnstoffer (urenheter/dopanter) oppfører seg i ZnO og kanskje lage oss fremgangsmåter for å kontrollere deres oppførsel bedre, ønsker vi å med vilje introdusere en rekke slike urenheter i det som i utgangspunktet er superrent ZnO av høy kvalitet. Når urenhetene er introdusert så vil vi studere hvor fort de beveger seg (Diffusjon), hvordan de beveger seg og hvordan de interagerer (Dynamisk samspill) med andre urenheter (Dopanter) og defekter i ZnO i prosjektet kalt: "Dynamic interplay between defects and dopants in Zinc Oxide". I den første delen av prosjektet, har fokuset vært å utvikle en ny diffusjonsmodell for å beskrive diffusjon via ledige plasser (vakansmediert diffusjon). Dette er en modell som vil kunne ha bred anvendelse for denne typen diffusjon i en rekke halvledermaterialer. I dette konkrete arbeidet har modellen vært brukt for å forstå diffusjon av Aluminium (Al) i Sink Oksid og studere hvordan Al interagerer med tomme sink-plasser i materialet. For å gjøre det har vi blandt annet bruk Litium som en markør for vakanser. Resultatene fra dette arbeidet er publisert i Physical Review B. Arbeidet har også fortsatt med fokus på andre donor dopanter, som Ga, In og B samt å forstå hvordan en bakgrunnskonsentrasjon av andre dopanter påvirker diffusjonen ved å kontrollere hvor mange vakanser som er tilgjengelig for å mediere diffusjon. I prosjektet har det inngått et utenlandsopphold i Columbus Ohio, USA på The Ohio State University. Formålet med det utenlandsoppholdet i dette prosjekter har vært å lære om en optisk karakteriseringsteknikk kalt katodeluminisens (CL). Denne teknikken baserer seg på å bruke elektronstråler til å gi materialet ekstra energi. Energien tas opp ved at elektroner bytter til mer energirike tilstander. Slike eksiterte tilstander er ikke stabile og vil etter kort tid avgi sin energi enten som lys eller varme. Ved å måle energien på lyset som kommer ut (emitteres), kan man se effekten av ulike defekter i materialet. Muligheten til å oppnå høy romlig oppløsning med elektronstrålen og også kunne variere energien på elektronene, gir en mulighet for å bestemme tilstedeværelsen av slike defekter både over en overflate og i dybden av prøven man studerer. Det er ikke mulig å avgjøre identiteten til de ulike defektene direkte, men ved å forstå samspillet mellom urenheter og defekter så er målet å kunne sannsynliggjøre opphavet til noen av de ulike toppene i det emitterte spekteret. Et eksempel på en slik vekselvirkning mellom urenheter of defekter har vi klart å vise i en nylig publisert artikkel. Hvor konsentrasjonen av jern i en rekke ZnO prøver er korrelert med den termiske stabiliteten til et defektkompleks mellom Li og H. Fra den studien kan det se ut til at tilstedeværelsen av Fe i prøvene fører til at defektkomplekset har en lavere effektiv stabilitet sammenlignet med prøver med lite Fe, ved at f.eks at det foregår en defektreaksjon mellom Fe og Li i ZnO.

Fundamental studies of semiconductor physics have provided basic scientific knowledge and lead to life altering technologies. Semiconductors continue to play a leading role in the development of our modern society - with applications ranging from integra ted circuits to sensors and energy converting materials like solar cells, light emitting diodes, piezo- and thermoelectric materials. Zinc Oxide (ZnO) is a promising semiconducting material. It is abundant and non-toxic and can be utilized as a wide ban d gap semiconductor with potential applications in several fields; as a transparent conductive oxide, thermoelectric material and as ultraviolet light emitting diode, to mention a few. ZnO is regarded as an environmentally safe and biocompatible alternati ve. To obtain such material properties ZnO is doped by different elements, e.g., n-type (Al, Ga, Si), p-type (Ag, Cu), neutral (Mg) and magnetic active dopants (Ag, Ni, Fe and Cu). However, it has proven to be a challenging material to fully understand an d control. Little is known about the diffusion properties, solubility limits and thermal stability of these and other common dopants. There are few available reports on dopant diffusion and solubility and most of them are based on indirect methods (e.g., H, Li, Ga and Al). Furthermore, such knowledge is essential to be able to do controlled and reproducible processing of ZnO in general. E.g., it is not possible at this stage to engineer bulk ZnO with a predefined electrical resistivity. In this project we will use secondary ion mass spectrometry to study diffusion of common dopants in Zn-/O-rich ambient. Appropriate diffusion models will be developed to describe the mechanisms involved and H and Li will be used as probe elements. The resulting material will be characterized by electrical and optical techniques. From this we will learn more about the dynamic interplay between dopants and intrinsic defects in ZnO and be able to tailor electrical/optical properties.