Untersuchung des reaktiven Sputterprozesses zur Herstellung von ...

6 2. Physikalische und technologische Grundlagen
tive Masse der Leitungsband-Elektronen [Freeman et al. (2000), Gordon (2000)]. Diese Kriterien
werden zum Beispiel von den Oxiden der Metalle Zink, Cadmium, Indium und Zinn erfüllt. In
den letzten Jahren wurden in der Literatur auch ternäre Oxide wie Cadmiumstannat (CdSn2O4)
oder Zinkstannat (ZnSn2O4) als interessante Materialien hervorgehoben.
Seit der ersten Veröffentlichung über transparente und gleichzeitig leitfähige Schichten
auf der Basis von Metalloxiden [Bädeker (1907)] hat sich ein breites Anwendungsspektrum
für diese Materialien entwickelt. Neben der Lastverteilung durch Antistatik-, Antireflex- oder
Wärmedämm-Beschichtungen werden sie auch als transparente Kontaktschichten für optoelektronische
Bauelemente verwendet. Dazu gehören neben Flachbildschirmen und Photodetektoren
insbesondere Dünnschichtsolarzellen.
In Solarzellen kommen hauptsächlich Zinkoxid (ZnO) für Kupfer-Indium(-Gallium)-Sulfidoder
-Selenid-Solarzellen (CIS oder CIGS) und Zinndioxid (SnO2) für amorphe Siliziumsolarzellen
zum Einsatz. Die Solarzellen enthalten TCO-Schichten als transparente Frontkontakte
oder als spezielle Zwischenschichten, die beispielsweise die Reflektivität des Rückkontaktes
verbessern. Seit einigen Jahren wird daran gearbeitet, das oft fluordotierte Zinndioxid (SnO2:F)
in Dünnschichtsolarzellen auf der Basis des amorphen Siliziums durch Zinkoxid zu ersetzen
[van den Berg et al. (1993), Löffl et al. (1997), Rech et al. (1997), Kluth et al. (1997), Anna
Selvan (1998), Müller et al. (2001), Faÿ et al. (2004)].
2.2 Zinkoxid
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des TCO-Materials Zinkoxid, dessen physikalischen
Eigenschaften im Folgenden vorgestellt werden. Viele Details zu den Eigenschaften
von Zinkoxid geben die Überblicksarbeiten von Pearton et al. (2005), Hirschwald (1981) und
Hartnagel et al. (1995) sowie, speziell für die elektronischen Eigenschaften, die Arbeit von Ellmer
(2001).
2.2.1 Kristallstruktur
Zinkoxid kristallisiert in der Wurtzitstruktur, bei der die beiden beteiligten Atomsorten jeweils
vierfach koordiniert sind. Abb. 2.1 zeigt die aus zwei überlagerten Hexagonalgittern bestehende
Kristallstruktur. Die c-Achse ist die Symmetrieachse des hexagonalen Gitters. Beide Valenzelektronen
des Zinks sind in einer Atombindung mit 50–60 % ionischem Bindungsanteil [Hirschwald
(1981)] an den Sauerstoff gebunden. Die Struktur des Zinkoxids kann als eine Abfolge von atomaren
Doppelschichten senkrecht zur c-Achse beschrieben werden. Die Doppelschichten bestehen
aus je einer Lage Zink- und einer dazu versetzten Lage von Sauerstoffatomen. Innerhalb