Phosphor-dotierte ZnO-Nanodrähte

Physikern aus Leipzig ist es gelungen, Phosphor-Atome stabil in Zinkoxid-Nanodrähte einzubauen. Solche ZnO:P-Nanodrähte eignen sich für blaue und ultraviolette LEDs oder Laserdioden.

Eine wesentliche Voraussetzung für photonische Anwendungen des oxidischen II-VI-Halbleiters Zinkoxid (ZnO) ist der Nachweis einer zeitlich stabilen so genannten 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 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 Michael Lorenz im Rahmen der Forschergruppe 522 „Architektur von nano- und mikrodimensionalen Strukturelementen“ durch. Dazu mischte er dem ZnO Phosphor-Pentoxid P ₂O ₅ als Reaktionspartner (Phosphorakzeptor) bei.

Abb.: Solche in einem neuartigen Laserplasma-Züchtungsprozess hergestellte ZnO:P-Nanodrähte eignen sich für blaue und ultraviolette LEDs oder Laserdioden.

„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 Marius 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.

Bingqiang Cao, der im Rahmen eines EU Forschungsprojektes (STReP NANDOS) in der Leipziger Gruppe arbeitet, konnte den Einbau der Phosphoratome als Akzeptor in das ZnO beweisen. Dazu hat er die Lumineszenz der Phosphor-Störstellen im Detail als Funktion der Temperatur und Wellenlänge untersucht.

Woher rührten jedoch die bisherigen Schwierigkeiten bei der Züchtung von stabil p-leitendem ZnO? Reines, undotiertes ZnO weist stets eine natürliche n-Typ Leitfähigkeit weist, 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 zurzeit 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.

Quelle: Universität Leipzig

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  B. Q. Cao, M. Lorenz, A. Rahm, H. von Wenckstern, C. Czekalla, J. Lenzner, G. Benndorf, M. Grundmann, Phosphorous acceptor doped ZnO nanowires prepared by pulsed laser deposition, Nanotechnology 18, 455707 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/18/45/455707
  http://www.uni-leipzig.de/~grundm/paper_grdm/...2007.pdf (frei!)
• Highlight-Meldung auf Nanotechweb:
  http://www.nanotechweb.org/cws/article/lab/31609
• Abteilung Halbleiterphysik, Uni Leipzig:
  http://www.uni-leipzig.de/~hlp
• PLD-Labor:
  http://www.uni-leipzig.de/~duenn/