Frischbier, Mareike (2015)
Die elektrischen Eigenschaften von Indiumoxid-Dünnschichten: in-situ Hall-Effekt-Messungen zur Aufklärung des Einflusses von Punktdefekten und Korngrenzen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Trotz des weit verbreiteten Einsatzes von Indiumoxid als transparentes, leitfähiges Material sind grundlegende Mechanismen zu dessen elektrischer Leitfähigkeit nicht verstanden. Insbesondere im Hinblick auf die Knappheit der Indium-Ressourcen ist ein Verständnis der Leitungsprozesse jedoch erforderlich um alternative Materialien entwickeln zu können.

Die elektrische Leitfähigkeit von undotiertem und dotiertem Indiumoxid wird maßgeblich durch Defekte bestimmt. In dieser Arbeit wird sowohl der Einfluss von Punktdefekten, als auch der von Korngrenzen auf kathodenzerstäubte, polykristalline Indiumoxid-Dünnschichten untersucht.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum umfassenderen Verständnis der Leitungsmechanismen, indem sie die Korngrenzstreuung als den die elektrische Leitfähigkeit maßgeblich begrenzenden Streuprozess in polykristallinen Dünnschichten identifiziert und zudem zeigt, dass die Dotierelemente einen starken Einfluss auf die Korngrenzstreuung nehmen.

Zur Bestimmung der Punktdefektchemie werden bei oxidischen Materialien in der Literatur üblicherweise Relaxationsmessungen der elektrischen Leitfähigkeit herangezogen, die in Abhängigkeit des Sauerstoffpartialdrucks gemessen werden. Hierbei wird grundsätzlich die Annahme gemacht, dass die Ladungsträgerbeweglichkeit konstant ist. Diese falsche Annahme kann jedoch zur Fehlinterpretation der Daten im Hinblick auf die Punktdefektchemie führen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit erstmals der direkte Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks auf die Ladungsträgerkonzentration und damit auch auf die Ladungsträgerbeweglichkeit untersucht. Möglich wird dies durch einen neu entwickelten in-situ Hall-Effekt-Messplatz, welcher Messungen in Abhängigkeit von Temperatur, Sauerstoffpartialdruck und Gesamtdruck ermöglicht.

Die Relaxationsmessungen zeigen, dass die Ladungsträgerbeweglichkeit keineswegs konstant ist, sondern stark von der Ladungsträgerkonzentration abhängt. Die Streuung der Ladungsträger an Korngrenzen nimmt dabei starken Einfluss auf das Materialverhalten.

Neben dem Einfluss unterschiedlicher Dotierelemente und -konzentrationen wird der Einfluss der Parameter bei der Deposition (via Kathodenzerstäubung) der polykristallinen Dünnschichtproben untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Art der Dotierelemente und deren Konzentrationen neben der Ladungsträgerkonzentration auch auf die -beweglichkeit auswirken. Die Resultate weisen zudem darauf hin, dass die Korngrenzstreuung für die unterschiedlichen Dotierelemente unterschiedlich ausfällt.

Die erhaltenen Ergebnisse motivieren eine genauere Betrachtung der Korngrenzstreuung aus einem experimentellen wie auch einem theoretischen Blickwinkel: Die energetischen Barrieren für Ladungsträger an den Korngrenzen werden experimentell ermittelt und ein für entartete Halbleiter gültiges Korngrenzstreumodell entwickelt. Ein Vergleich von gemessenen und berechneten Korngrenzbarrieren wird durchgeführt. Es zeigt sich, dass Dotierelemente wie Zinn, welche in Indiumoxid Akzeptordefekte ausbilden können, zu höheren Barrieren führen als Elemente, die diese Eigenschaft nicht aufweisen (zum Beispiel Zirkonium). Hingegen wird eine Reduzierung der Barriere und somit eine Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeit durch eine Wasserstoffdotierung erreicht.

Die Ergebnisse dieser Arbeit sind für die Verwendung von dotierten Indiumoxid-Dünnschichten als Elektrodenmaterial und für die Entwicklung alternativer Materialsysteme relevant. Die gewonnen Erkenntnisse ermöglichen ein Einstellen elektrischer und optischer Eigenschaften.

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