ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ P-TİPİ ÇİNKO OKSİT (ZnO) YARIİLETKEN İNCE FİLMİNİN ATMALI KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2010

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ P-TİPİ ÇİNKO OKSİT (ZnO) YARIİLETKEN İNCE FİLMİNİN ATMALI KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU DOKTORA TEZİ FİZİK ANABİLİMDALI Bu Tez / /2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Hamide KAVAK Prof. Dr. Birgül YAZICI DANIŞMAN ÜYE ÜYE Doç. Dr. Zeki YARAR ÜYE..... Yrd. Doç. Dr. Hülya METİN ÜYE Bu Tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından FEF-2008D9 Numaralı Proje ve 106T613 Numaralı TUBİTAK AR-GE Projesi Tarafından Desteklenmiştir. Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ DOKTORA TEZİ P-TİPİ ÇİNKO OKSİT (ZnO) YARIİLETKEN İNCE FİLMİNİN ATMALI KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Ramazan ESEN Yıl: 2010, Sayfa: 189 Jüri : Prof. Dr. Hamide KAVAK : Prof. Dr. Birgül YAZICI : Doç. Dr. Zeki YARAR : Yrd. Doç. Dr. Hülya METİN Bu çalışmada atmalı katodik vakum ark depolama sistemi kullanılarak cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmlerinin oksidasyonu ile N katkılı ZnO ince filmler elde edilmiştir. Tavlama sıcaklığının depolanan Zn x N y ince filmlerinin yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bundan başka, N katkılı ZnO filmler O 2 -N 2 karışım atmosferinde cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır. Elde edilen filmlerin 450 C de tavlanmasıyla p-tipi ZnO:N ince filmler elde edilmiştir. O 2 nin N 2 ye oranının elde edilen ve tavlanan filmlerin elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi çalışılmıştır. Ayrıca, n-tipi (100) yönelimli tek kristal silisyum alt tabakaları üzerine, Zn x N y ve 5/3 lük O 2 /N 2 oranıyla ZnO:N filmleri depolanmıştır. Elde edilen bu filmler p-zno/n-si heteroeklem yapılar elde etmek için 450 C de 1 saat tavlanmışlardır. Bu yapıların akım-gerilim (I-V) karakteristikleri oda sıcaklığında ölçülmüştür. Anahtar kelimeler: Atmalı katodik vakum ark, N katkılı ZnO, tavlama, oksidasyon I

4 ABSTRACT PhD THESIS DEPOSİTİON AND CHARACTERİZATİON OF P-TYPE ZnO FİLMS BY PULSED CATHODİC VACUUM ARC DEPOSİTİON TECHNİQUE ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSIC Supervisor :Prof. Dr. Ramazan ESEN Year: 2010, Pages: 189 Jury :Prof. Dr. Hamide KAVAK :Prof. Dr. Birgül YAZICI :Assoc. Prof. Dr. Zeki YARAR :Asst. Prof. Dr. Hülya METİN In this study, N-doped ZnO films were obtained by the oxidation of Zn x N y thin films deposited on glass substrates employing pulsed cathodic vacuum arc deposition system. The influence of annealing temperature, on the electrical, structural and optical properties of asdeposited Zn x N y films was investigated. The N- doped ZnO films obtained on glas substrate in O 2 -N 2 gas mixture were also investigated. p-type ZnO:N films were obtained by annealing of the as-deposited films at 450 C. The influence of O 2 to N 2 ratio on the electrical and optical properties of the as-deposited and annealed films was studied.in addition, ZnO:N film with the 5:3 ratio of O 2 to N 2 and Zn x N y film were deposited on n-type (100) Si substrate. These films were annealed at 450 for one hour to form p-zno/n-si hetero-junction structures. The current-voltage (I-V) characteritics of the structures have been measured at room temperature. Key words: Pulsed cathodic vacuum arc, N-doped ZnO, annealing, oxidation. II

5 TEŞEKKÜR Öncelikle, bu tezin yönetiminde ve oluşumunda aynı zamanda çalışmalarım sırasında karşılaştığım sorunların çözümünde her türlü desteğini esirgemeyen, çalışmalarımda beni yönlendiren, çalışma yapmak için bütün olanakları sağlayan hocam Prof. Dr. Ramazan ESEN e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarımın her aşamasında her türlü desteğini esirgemeyen ve TUBİTAK projesinde beni tübitak bursiyeri olarak destekleyen Prof. Dr. Hamide KAVAK a ve yine hocam Prof. Dr. Ramazan ESEN e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Deneysel süreçleri tanıma aşamasında her türlü yardımlarından dolayı Doç Dr. Ebru Şenadım TÜZEMEN e, Tübitak projesi kapsamında deneysel çalışmaları beraber yürüttüğümüz grup arkadaşlarım, Kamuran KARA ve Havva YANIŞ a teşekkür ederim. Yine çalışmalarım boyunca hep desteklerini gördüğüm grup arkadaşlarım, Deniz TAKCI, Zeynep BAZ, Saadet YILDIRIMCAN ve Birsen KESİK e teşekkür ederim. Sunumun hazırlanmasındaki katkılarından dolayı Ali Çetinkaya çok teşekkür ederim. Tezin okunması sırasında karşılaşılabilecek sorunların giderilmesinde ve her türlü katkılarından dolayı İlker ÖZŞAHİNE çok teşekkür ederim. Fotolüminesans ve XRD ölçümlerinden dolayı Hakan KARAAĞAÇ a ve EDX ölçümlerinden dolayı Dr. Emine GÜNERİ ye teşekkür ederim. Her türlü sorularımda yardımlarını gördüğüm Yrd. Doç. Dr. Cebrail GÜMÜŞ e ve Prof. Dr. Emirullah MEHMETOV a teşekkürlerimi bir borç bilirim. Tezin düzenlenmesinde hiçbir yardımı esirgemeyen Dr. Nazım AKSAKER e teşekkürlerimi bir borç bilirim. Böyle yoğun bir çalışma sürecinde beni sonuna kadar maddi manevi olarak destekleyen ve her türlü fedakârlığı gösteren aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER IV ŞEKİLLER DİZİNİ..... VIII TABLOLAR DİZİN.... XIV 1.GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL ve METOD ZnO nun Temel Özellikleri Giriş Kimyasal Özellikler Fiziksel Özellikler Kristal Yapısı Mekanik Özellikler Elektriksel Özellikler ZnN nin Temel Özellikleri ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim Teknikleri Giriş Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam Epitaxy-MBE) Atmalı-Lazer Depolama Kimyasal Buhar Depolama Filtreli Katodik Vakum Arklar Giriş Ark İnce Film Depolama IV

7 Ark İyon Kaynağı Katodik Ark Bileşenleri Ark Deşarjı Atmalı ve Sürekli CVA Katot Spotları Spot Başına Akım Akım Yoğunluğu İyon Hızları İyon Yük Durumları Spot Türleri Tersinir Hareket Plazma ve Makroparçacık Taşınması MP Filtresi Dizayn Kriteri Manyetik Filtre Çeşitleri Bir Depolama Tekniği Olarak Filtreli Katodik Vakum Ark Filtreli Katodik Vakum Ark daki Son Gelişmeler Motivasyonlar Yarıiletkenlerde Temel Soğurma Bantlararası ve Safsızlık soğurması Soğurma ve Kazancın Temel Teorisi Direkt Bantarası Soğurma Mutlak Sıfırda Soğurma Eksitonik Soğurma p-n Eklemi Giriş Kontak Potansiyeli İleri ve Ters Öngerilim Uygulanmış Eklemler; Kararlı Durum Şartları Bir Eklemde Akım Akısının Niteliksel Tanımı Heteroeklem V

8 3.7. Film Katakterizasyonu Optiksel Karakterizasyon Film Kalınlığı Hesabı Soğurma Katsayısının Hesaplanması Yasak Enerji Aralığının Hesaplanması XRD Analizi Hall Analizi Mobilite Direnç Hall Etkisi Olayı Hall Etkisi ve Lorentz Kuvveti Van Der Pauw Tekniği Direnç ve Hall Ölçümleri Örnek Geometrisi Direnç Ölçümleri İçin Tanımlar Direnç Ölçümleri Direnç Hesaplamaları Hall Ölçümü İçin Tanımlar Hall Etkisi Ölçüm Sistemi ve Ölçme Tekniği Hall Hesaplamaları Fotolüminesas Analizi EDX Analizi hp4156c Yarıiletken Parametrik Analizörü Deneysel Düzenek ve Süreçler Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Sistemi PFCVAD Sisteminin Yapısı Reaksiyon Odası Birincil ve Turbomoleküler Pompa Sistemi Atmalı Plazma Ark Kaynağı Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi Katot VI

9 Alt Tabanlar PFCVAD Sistemi İle Plazma Üretimi ve Taşınması Sistem Karakterizasyonunda Kullanılan Cihazlar Optiksel Geçirgenlik Film Yapısı Elektriksel Özellikler Fotolüminasens Özellikler Elementel Analiz Heteroeklem Analiz BULGULAR VE TARTIŞMA Yapısal Özellikler Elementel Analiz Optik Özellikler Elektriksel Özellikler Fotolüminesans Özellikler Farklı Eklem (Hetero-Junction) Yapılar SONUÇLARVE ÖNERİLER Filmlerin Yapısal Özellikleri Elementel Analiz Filmlerin Optiksel Özellikleri Filmlerin Elektriksel Özellikleri Filmlerin Fotolüminesans Özellikleri Diyot Özellikleri Öneriler 178 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1. ZnO nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b) Zinc Blende, (c)wurtzite Şekil 3.2. ZnN in kristal yapısı.. 43 Şekil 3.3. Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı Şekil 3.4. Katodik vakum arkın başlıca bileşenlerinin şematik gösterimi Şekil 3.5. Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin görüntüsü Şekil o eğimli filtrenin şematik gösterimi Şekil 3.7. S-şekilli manyetik filtre.. 62 Şekil 3.8. Diyagram (a) ve fotoğraf (b) bir duble eğimli düzlem sapmalı (off-plane) filtreye aittirler ve (c) bir duble eğimli düzlem sapmalı filtreyle donanmış FCVA sisteminin şematik gösterimi. Duble eğimli düzlem sapmalı filtreye bir kenardan bakıldığında iki boyutlu şekilde 90 eğimli bir filtre gibi göründüğü not edilmelidir Şekil 3.9. Yukarı kısmı 90 ve dip kısmı S şekilli serbest manyetik filtre Şekil Yarıiletkenlerdeki farklı soğurma süreçleri (a) gerçek uzay ve (b) karşıt uzay: (1) bantdan banda (2) iletkenlik bant arası (3) valans bant arası (4) vericiden iletkenlik bandına (5) alıcıdan valans bandına (6) valans bandından vericiye (7) alıcıdan iletkenlik bandına ve (8) vericiden alıcıya geçişler Şekil Yarıiletkenlerdeki Bloch fonksiyonlarının şematik temsili: (a) periyodik potansiyel (b) dolu dalga fonksiyonu (c) hücre periyodik kısmı ve (d) düzlem dalga kısmı Şekil E-k diyagramında direk optiksel geçiş için k nın korunumunu açıklayan düşey geçiş VIII

11 Şekil Eksitonik etki olmayan (kesikli eğri) ve eksitonik etki olan (düz çizgi biçimindeki eğri) soğurma spektrası Şekil Bir Frenkel ve bir Mott-Wannier eksitonunun periyodik kuşatan fonksiyonlarının alanını açıklayan kavramsal bir resim. Wannier eksiton kuşatan fonksiyonu birim hücrelerin büyük bir miktarını kapsar Şekil Denge durumundaki bir p-n ekleminin nitelikleri: (a) p-tipi ve n-tipi materyalin yalıtılmış nötral bölgeleri ve yalıtılmış bölgeler için enerji bantları (b) geçiş bölgesindeki uzay yükünü, oluşan elektrik alan ε, kontak potansiyeli V o ve enerji bantlarının ayrılışını gösteren eklem (c) geçiş bölgesi içindeki parçacık akışının dört bileşeninin yönü ve oluşan akım 85 yönleri..... Şekil Bir p-n eklemindeki ön gerilimin etkisi: (a) denge durumunda (b) ileri ön gerilim uygulandığında (c) ters ön gerilim uygulandığında, geçiş bölgesi genişliği ve elektrik alan, elektrostatik potansiyel, enerji bant diyagramı ve W genişliği içinde parçacık akısı ve akım yönü Şekil Bir p-n ekleminin I-V karakteristiği Şekil İnce bir tabakadaki soğurma.. 98 Şekil İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi 100 Şekil Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile değişimi Şekil Bir yarıiletken içindeki bir elektronun şematik yörüngesi. (a) Rastgele ısısal hareket. (b) Gelişigüzel ısısal harekete ve uygulanan bir elektrik alana bağlı birleştirilmiş hareket 106 Şekil n-tipi bir yarıiletkende iletkenlik süreci (a) ısısal denge durumunda ve (b) bir öngerilim şartı altında. 108 Şekil L uzunluğu ve A kesitsel alanıyla birlikte düzgün şekilde katkılanmış bir yarıiletken çubukta akım iletimi Şekil Manyetik alan ve Lorentz kuvveti IX

12 Şekil Van Der Pauw Tekniği Şekil Hall voltajı ölçme düzeneği Şekil Hall ölçümünde kullanılan örnek geometrileri Şekil Hall Ölçüm Sistemi, Şekil Fotolüminesans ölçüm sisteminin şematik gösterimi. 124 Şekil Bir EDX spektrumundaki elementler, onların elektronlarının yüksek bir enerji kabuğundan daha düşük bir enerji kabuğuna geçtiğinde yayınladığı X-ışınlarının enerji içeriğini temel alarak tanımlanır Şekil hp4156c yarıiletken parametrik analizör görüntüsü 127 Şekil PFCVAD sisteminin şematik gösterimi. 129 Şekil Reaksiyon odasının dıştan görünüşü Şekil Birincil ve turbo moleküler pompa görüntüsü Şekil Plazma ark kaynağı Şekil Mini tabanca şematik gösterimi. 132 Şekil Mini tabanca görüntüsü Şekil Gaz akış basınç kontrol sisteminin görüntüsü 134 Şekil Azot jenaratörü ve oksijen tüpünün görüntüsü 135 Şekil Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmi ve bu filmin farklı tavlama sıcaklıkları için XRD desenleri Şekil Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmi ve bu filmlerin farklı tavlama için XRD desenleri. 142 Şekil C da elde edilen ZnO:N filminin EDX spektrası. 146 Şekil Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmi ve bu filmlerin farklı tavlama sıcaklıkları için optik geçirgenlik eğrileri Şekil Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi X

13 Şekil 4.6. Şekil 4.7. Şekil 4.8. Şekil 4.9. Şekil Şekil Şekil Şekil Şekil Şekil Şekil Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için, ( h ) in h e gore grafiği Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmi ve bu filmlerin farklı tavlama sıcaklıkları için optik geçirgenlik eğrileri Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için soğurma katsayısının enerjiye gore değişimi Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için ( h ) nin h e gore grafiği Farklı N 2 /O 2 oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450 C da tavlanan filmlerin optik geçirgenlik eğrileri 155 Farklı N 2 /O 2 oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450 C da tavlanan filmlerin soğurma katsayısının enerejiye göre değişimi Farklı N 2 /O 2 oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450 C da tavlanan filmler için ( h ) nin h e gore 157 grafiği Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanarak 450 C da tavlanan ZnN filminin yüzey karakteristikleri Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için oda sıcaklığı fotolüminesans spektrası 165 n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero ekleminin oda sıcaklığında ölçülen karakteristiği n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero eklemi için ileri öngerilim voltajı altında karakteristiği. 168 XI

14 Şekil n-tipi silisyum/p-tipi ZnO:N hetero ekleminin oda sıcaklığında ölçülen karakteristiğ. 170 Şekil n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero eklemi için ileri öngerilimvoltajı altında LnI-V karakteristiği. 171 XII

15 XIII

16 TABLOLAR DİZİNİ SAYFA Tablo 3.1. ZnO nun sahip olduğu çeşitli nitelikler Tablo Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmlerinin farklı sıcaklıklarda tavlanmasıyla elde edilen N katkılı ZnO filmlerinin farklı yönelimler için grain büyüklükleri Tablo Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmlerinin farklı sıcaklıklarda tavlanmasıyla elde edilen N katkılı ZnO filmlerinin farklı yönelimler için grain büyüklükleri Tablo Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt taban üzerine depolanan Zn x N y filminden 450 C de ki oksidasyodan sonra elde edilen örneğin, EDX analiz sonuçları 145 Tablo 4.4. Farklı N 2 /O 2 oranlarında film üretim koşulları Tablo Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmlerinin ve bu filmlerin farklı tavlama sıcaklıklarındaki hall etkisi ölçümleri Tablo Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmlerinin ve bu filmlerin farklı tavlama sıcaklıklarındaki hall etkisi ölçümleri. 162 Tablo 4.7. Farklı N 2 /O 2 oranlarında cam alttabanlar üzerin depolanarak 450 C de tavlanan N katkılı ZnO filmleri için Hall etkisi ölçümleri XIV

17 XV

18 1. GİRİŞ 1. GİRİŞ Uygulamalı fizikte, elektrik mühendisliğinde, elektronik mühendisliğinde veya malzeme biliminde uğraşan insanlar olarak niçin yarıiletken aygıtları çalışma ihtiyacı duyduğumuzu kendi kendimize sormalıyız. Bunun nedeni, yarıiletken aygıtların 1998 den beri yüz milyarlarca dolarlık küresel satışla birlikte dünyada en geniş endüstri olan elektronik endüstrisinin temelini oluşturmasıdır. Yarıiletkenler, metallerle yalıtkanlar arasında elektriksel iletkenliğe sahip bir grup materyallerdir. Bu materyallerin iletkenliğinin, sıcaklıktaki, optik uyarılmadaki ve safsızlık içeriğindeki değişikliklerle değiştirilebilmesi önemlidir. Elektriksel özelliklerdeki bu değişkenlik, yarıiletken materyalleri elektronik aygıt araştırmalarında doğal seçenek haline getirir. Yarıiletken materyaller periyodik cetvelin IV. sütun ve komşu sütunlarında bulunurlar. IV. sütün yarıiletkenleri silisyum ve germanyum olup, onlar tek tür atomlardan meydana geldiklerinden dolayı temel yarıiletkenler olarak adlandırılırlar. Elemental materyallere ek olarak, hem II ve VI nın bilinen kombinezonları hem de III. ve V. sütün atomlarının birleştirilmesi ile ara metalik veya bileşik yarıiletkenler meydana getirilir. Günümüzde çok fazla yarıiletken materyal olduğunu bilmekteyiz. Bu yarıiletkenlerin geniş çeşitlilikteki elektronik ve optik özellikleri, aygıt mühendisliğine elektronik ve optoelektronik işlevlerde muazzam esneklikler sağlamaktadır. Temel yarıiletken olan Ge, yarıiletken gelişiminin ilk zamanlarında transistör ve diyot için yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Daha sonraki yıllarda ise, doğrultucu, transistör ve entegre devreler için Si kullanılmıştır. Buna rağmen, yüksek hızlı aygıtlar ve ışığın yayınlanması ve soğrulmasını gerektiren aygıtlar için, geniş bir şekilde bileşikler kullanılmıştır. Örneğin, GaAs ve GaP gibi iki-element (binary) III-V bileşikleri ışık yayan diyotlarda (LED) yaygındır. Ayrıca, GaAsP gibi üçelement (ternary) bileşikleri ve InGaAsP gibi dört-element (quaternary) bileşikleri büyütülerek materyal özelliklerinin şeçiminde ek esneklikler sağlanmıştır. Bir yarıiletkeni metallerden ve yalıtkanlardan ayıran en önemli karakteristiklerinden birisi onun bant aralığıdır. Bu özellik, yarıiletken tarafından yayınlanabilen veya soğrulabilen ışığın dalgaboylarının belirlenmesine olanak sağlar. 1

19 1. GİRİŞ Örnek olarak, GaAs nin bant aralığı 1.43 ev olup bu da spektrumun yakın kızılötesi bölgesine karşılık gelmektedir. Buna kıyasla, GaP, 2.3 ev bant aralığına sahiptir ve bu da spektrumun yeşil bölgesine karşılık gelmektedir Yarıiletkenlerin bant aralıklarının geniş çeşitliliğinin bir sonucu olarak, spektrumun kızılötesinden UV ye kadar olan geniş bir aralığındaki dalga boylarında ışık yayan diyotlar ve lazerler yapılabilir. Yarıiletken materyallerin elektronik ve optik özellikleri, miktarı tam olarak kontrol edilebilen safsızlıklar tarafınan güçlü bir şekilde etkilenir. Bu safsızlıklar yarıiletkenlerin iletkenliklerinin değişmesinde kullanılır ve hatta iletkenlik tipinin değişmesinde bile etkili olabilmektedirler. Safsızlıkların kontrol edilebilir bir şekilde eklenmesi, katkılama olarak adlandırılır. Yarıiletkenlerin bu faydalı özelliklerini araştırmak için bu materyallerdeki atomik düzenin anlaşılması gerekmektedir. Orijinal malzemenin safsızlığındaki küçük değişim, elektriksel özelliklerde büyük değişiklikler yaratabilir. Her bir yarıiletkendeki atomların doğal ve özel düzeni çok büyük bir öneme sahiptir. (Streetman ve ark, 2006) Geniş bant aralığına sahip yarıiletkenler kısa dalgaboyundaki optoelektronik uygulamalarda çok büyük bir ilgi görmektedirler. Bunların arasından ZnO, 3.37 ev geniş bant aralığına ve yüksek eksiton bağlanma enerjisine (60 mev) sahiptir Dolayısıyla ZnO, (UV) ışık yayan aygıtlar, diyot lazerler ve UV dedektörler gibi optoelektronik aygıt tasarımında çeşitli uygulamalar için gelecek vaad eden II-VI oksit yarıiletkenlerden birisi olarak göz önüne alınmaktadır (Wang ve ark, 2008; Park ve ark, 2009). ZnO bazlı optoelektronik aygıtların etkin bir şekilde geliştirilmesi için, alıcı düzey oluşumunun anlaşılmasını gerektiren araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır (Erie ve ark, 2008). Optoelektronik aygıtlar için kabul edilebilir elektriksel ve optiksel özelliklerle birlikte, kalıcı ve tekrarlanabilir p-tipi ZnO üretilmesi çok önemlidir (Yang ve ark, 2008). Hiçbir katkılama yapmadan yüksek taşıyıcı yoğunluklu n-tipi ZnO kolayca elde edilebilirken, oksijen boşlukları, çinko arayer atomu v.b. gibi doğal kusurlardan kaynaklı kendini kompanse eden etkilerinden dolayı p-tipi ZnO üretimi zordur (Kumar ve ark, 2008). p-tipi ZnO elde edebilmek için, azot, arsenik ve fosfor gibi 2

20 1. GİRİŞ katkılayıcılar kullanılarak çok çaba sarf edilmiştir. As ve P nin her ikisi de derin alıcılar olup p-tipi iletkenliğe çok az katkı sağlamaktadırlar. Bu da p-tipi ZnO da alıcı katkılayıcılar için azotu en iyi seçenek haline getirmektedir (Cao ve ark, 2008; Vaithianathan ve ark, 2006). Aynı zamanda, elektronik bant yapısının teorik hesaplamaları sonucunda, diğer V. grup elementleriyle kıyaslandığında ZnO da bir sığ alıcı düzey oluşturmak için azotun en iyi aday olduğu tahmin edilmektedir. Çünkü, azot ve oksijen hemen hemen aynı iyonik yarıçapa sahiptir (.Yang ve ark, 2008) Dolayısıyla, ZnO da p-tipi katkılama yapmak için moleküler demet epitaksi (Sun ve ark, 2006), metal organik kimyasal buhar depolama (Zhu ve ark, 2009), magnetron söktürme (Yao ve ark, 2007) ve atmalılı lazer depolama (Erie ve ark, 2008) gibi bir çok yöntem kullanılarak yapılan bir çok araştırmada, katkılayıcı olarak azot kullanılmıştır. Herşeye rağmen, N katkılayıcısının çok düşük çözünürlüğü ve azotun arzu edilen sığ alıcıları biçimlendirecek kadar yeteri düzeyde iyonlaşmamasından dolayı, N-katlılı p-tipi ZnO üzerinde çok kısıtlı raporlar sunulmuştur. Bundan başka, katkı seçimi ve büyütme teknikleri tartışmalı durumda olup p-tipi ZnO üretimi de hala tartışılmaktadır (Yang ve ark, 2008). Filtreli katodik vakum ark tekniği ile iyi kalitede yoğun karbon kaplamalar üretildiği bilinir. Plazmada katot materyalinin % 100 iyonizasyonu, büyütme yüzeyinde depolanan iyonların varış enerjilerinin elektrik alan kullanarak kolayca kontrol edilebilmesi anlamına gelir. Onların yüksek enerji plazma jeti çok fazla arkaplan gazın kolayca iyonize olmasını sağlamaktadır. Bu özellikler bu sistemi metal oksit ve nitrür filmlerin üretimi için ideal bir kaynak durumuna getirmektedir (Xu ve ark, 2001) Bu çalışmada atmalı katodik vakum ark depolama sistemi kullanılarak cam alt tabanlar üzerine depolanan Zn x N y filmlerinin oksidasyonu ile N katkılı ZnO ince filmler elde edilmiştir. Tavlama sıcaklığının depolanan Zn x N y ince filmlerinin yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bundan başka, N katkılı ZnO filmler O 2 -N 2 karışım atmosferinde cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır. Elde edilen filmlerin 450 C de tavlanmasıyla p-tipi ZnO:N ince filmler elde edilmiştir. O 2 nin N 2 ye oranının elde edilen ve tavlanan filmlerin elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi çalışılmıştır. Ayrıca, n-tipi (100) 3

21 1. GİRİŞ yönelimli tek kristal silisyum alt tabakaları üzerine, Zn x N y ve 5/3 lük O 2 /N 2 oranıyla birlikte ZnO:N filmleri depolanmıştır. Elde edilen bu filmler p-zno/n-si heteroeklem yapılar elde etmek için 450 C de 1 saat tavlanmışlardır. Bu yapıların akım-gerilim (I-V) karakteristikleri oda sıcaklığında ölçülmüştür. 4

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Bu çalışmada, Zn 3 N 2 ince filmler hedef olarak saf çinko diski ve çalışma gazı olarak da Ar-N 2 kullanılarak reaktif dc magnetron söktürme yöntemiyle amorf kuvarz üzerine hazırlanmışlardır. Alt taban sıcaklığı 150 C ±0.5 C olarak ayarlanmıştır. Depolama odasının basıncı Pa olarak belirtilmiştir. Söktürme süresince, argonun azota oranı 3:1 ve toplam gaz akış oranı da 40 sccm olarak belirlenmiş ve bununda Pa basınç oluşturduğu belirtilmiştir. Filmler 3 dakikada 70 W da depolanmışlardır. Büyütülen Zn 3 N 2 filmlerinin koyu-gri renkli oldukları ve 3 saatte 350 ve 550 C arasında havada tavlandıktan sonra saydam oldukları görülmüştür. Büyütülen filmlerin XRD analizinde, Zn 3 N 2 (332) kırınımıyla uyumlu kırınım pikinin etkin olduğu gözlenmiştir. Isısal oksidasyondan sonra, ZnO ya ait kırınım piklerinin ortaya çıktığı görülmüştür. Bu sonuçla birlikte, ısısal oksidasyonun Zn 3 N 2 filmlerini ZnO ya dönüştürdüğü belirtilmiştir. Farklı sıcaklıklarda hazırlanan ZnO filmlerinin UV-görünür soğurma spektrumu elde edilmiş ve bütün spektrumda 385 nm civarında keskin soğurma kenarı bulunmuştur. Buradan da bütün filmlerin saf çinko oksit fazına sahip oldukları belirtilmiştir. Soğurma spektrumundan, özden soğurma katsayısı α~25 μm -1 alınarak kalınlık değerleri tahmin edilmeye çalışılmıştır. 368 nm deki ortalama soğurma 5.25±0.2 alınarak, ortalama kalınlık 210 nm civarında elde edilmiştir. 350 ve 500 C arasındaki oksidasyon sıcaklıklarında p-tipi iletkenlik sağlanmış olup, Hall etkisi ölçüm sonuçlarından, 450 C de cm -3 hall konsantrasyonu, 220 Ω cm direnç ve cm 2 /Vs Hall mobilitesi değerleri elde edilmiştir. Oksidasyon sıcaklığı 500 C den daha yüksek olduğunda, filmlerde yeteri kadar N olmadığından dolayı ZnO filmlerinin n-tipi oldukları belirtilmiştir. (Wang ve ark, 2003) Bu çalışmada, Zn 3 N 2 filmler N 2 /Ar plazmada Zn (%99.995) hedefinden rf söktürme yöntemiyle kuvarz, safir, GaN ve ZnO yüzeyleri üzerine hazırlanmışlardır. Vakum odası temel basınç değeri mbar olarak belirtilmiştir. Depolama süresince toplam basınç mbar olarak ayarlanmıştır. RF güç yoğunluğu 1.9 5

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR W/cm 2 olarak belirtilmiş ve alt tabakalar oda sıcaklığında tutulmuştur. Zn 3 N 2 filmlerinin kalınlığının 200 nm den 1.5 μm ye kadar değiştiği belirtilmiştir. Örnekler O 2 akısında 600 C de 5 dakikadan 60 dakikaya kadar olan sürelerde tavlanmışlardır. ZnO filmlerinin üretimi için başlangıç maddesi olarak kullanılan Zn 3 N 2 filmlerinin özelliklerinin en iyi halini belirlemek için, söktürme gazındaki N 2 konsantrasyonunun, bileşik ve depolanan malzemenin yapısı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Söktürme gazında çeşitli azot konsantrasyonları (% 20, % 25, % 50, % 90) kullanılarak söktürme yöntemiyle Zn 3 N 2 filmleri hazırlanmıştır. Zn 3 N 2 filmi atomca % 90 N 2 ile depolandığında ve 600 C de O 2 ortamında 15 dakikada tavlandığında, oda sıcaklığında cm -3 civarında taşıyıcı konsantrasyonu ve 10 cm 2 /Vs mobiliteyle birlikte p-tipi iletkenlik başarılmıştır. p-tipi Zn:O filmlerinin PL spektrumunda, ev de büyük olasılıkla nötral alıcı bağ eksitonuna bağlanan keskin bir pik gözlenmiştir. p-tipi ZnO:N filmlerinin görünür bölgedeki geçirgenliklerinin % 80 civarlarında olduğu belirlenmiştir (Kaminska ve ark, 2005). Bu çalışmada, farklı Li içerikli ZnO filmlerinin iki serisi dc reaktif magnetron söktürme yöntemiyle cam alt tabanlar üzerine hazırlanmışlardır. % 0.1 ve % 0.5 oranında Li (%99.99 saflıkta) ile birlikte karıştırılmış bir Zn metal (99.99 saflıkta) diski söktürme hedefi olarak kullanılmıştır. Vakum odası 10-3 Pa a getirilmiştir. 4 Pa lık sabit bir toplam basınçla birlikte, söktürme gazları olarak yüksek saflıkta O 2 (% 99.99) ve Ar (% 99.99) içeriye alınmıştır. Depolamadan önce, yüzeydeki kirliliklerin çıkarılması için hedef malzeme 5 dakikalığına önsöktürme işlemine tabi tutulmuştur. Büyütme sıcaklığı 450 den 600 C ye kadar değiştirilmiştir. Bütün filmler 30 dakikada büyütülmüşler ve arakesitsel tarayıcı elektron mikroskobu (SEM) ölçümlerinden film kalınlıklıkları tipik kalınlık değeri olan 300 nm civarında bulunmuştur. 570 C alt tabaka sıcaklığında büyütülen Li-katkılı ZnO filmlerinin XRD sonuçlarından, ZnO nun (002) ve (004) düzlemlerinin karşılığı olan iki pik gözlenmiştir. % 0.1 Li katkılı ZnO filmlerinin (002) pikinin kırınım açısının ZnO bulk tek kristali ile hemen hemen uyumlu olduğu gösterilmiş ve bu sonuca dayanarak 6

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR da Li atomlarının Zn sitelerinde yer aldığı önerilmiştir. Hedefteki Li içeriği % 0.5 e kadar arttığında, (002) pikinin şiddetinin azaldığı gözlenmiş ve bu da Li atomlarının daha fazla olmasına bağlı olarak kristalliğin zayıfladığı şeklinde yorumlanmıştır. Bundan başka, (002) pikinin kırınım açısının, daha düşük kırınım açısı kenarına 0.1 kaydığı gözlenmiş ve bunun da, bazı Li atomlarının Zn sitelerinin yerine, arayer sitelerine yerleşmesinden dolayı kaynaklanabileceği belirtilmiştir. Hall etkisi ölçüm sonuçları elde edilmiştir. p-tipi iletkenliğin, alt tabakadan daha ziyade ZnO filmlerinden geldiğini sağlama almak için cam alt tabanlar kullanılmıştır. % 0.1 oranında Li katkılı ZnO filmleri için bütün büyütme sıcaklıklarında (450 den 600 C ye) p-tipi iletkenlik başrılmıştır. En iyi sonuçlar 570 C alt tabaka sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Bu sonuçlara göre, direnç 17.6 Ω cm, Hall mobilitesi 3.47 cm 2 /Vs ve taşıyıcı konsantrasyonu cm -3 olarak elde edilmişlerdir. p-tipi iletkenliğin kalıcılığının araştırılması için, Li katkılı ZnO filmleri bir hafta sonra yeniden çalışılmıştır. Bütün filmlerde elektriksel özelliklerde hiçbir bozulma olmadan p-tipi iletkenliğin muhafaza edildiği gösterilmiştir. % 5 oranında Li katkılı ZnO filmlerinde, alt tabaka sıcaklığı ne olursa olsun yüksek dirençle birlikte zayıf p-tipi iletkenlik gözlenmiştir. Elektriksel özelliklerdeki bu düşüş, hedefteki daha fazla Li atomlarına bağlı olarak, Li Zn -Li i komplekslerinin oluşumuna bağlanmıştır. Alan yayınım tarayıcı elektron mikroskobu (FE-SEM) kullanılarak Li katkılı ZnO filmlerinin yüzey morfolojisi incelenmiş ve yoğun tanecikli düzgün yüzeyler elde edilmiştir. Hatta, yüksek Li içerikli filmler ile düşük Li içerikli filmler karşılaştırdıklarında, yüzey morfolojisinde belirgin bir bozulma olmadığı gözlemiştir. 570 C alt tabaka sıcaklığında büyütülen Li katkılı ZnO filmlerinin geçirgenlik spektrumundan, bütün filmler için görünür bölgede geçirgenliğin % 90 dolaylarında olduğu gözlenmiştir (Zeng ve ark, 2005). Bu çalışmada, N-Al birlikte katkılı p-tipi ZnO filmler dc reaktif magnetron söktürme yöntemiyle hazırlanmışlardır. Film depolama için, cam, kuvarz, safir (0001) ve n-tipi Si (100) (ρ=10-3 Ωcm) tabakaları olmak üzere dört çeşit alt tabaka kullanılmıştır. Ağırlıkça % 0.15 Al (% saflıkta) ile karıştırılmış bir Zn (%99.99 saflıkta) metal diski hedef olarak kullanılmıştır. Filmler saf bir N 2 O (% 99.99) 7

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ortamında 500 C lik sabit bir sıcaklıkta büyütülmüşlerdir. Burada, N 2 O hem azot katkılayıcı kaynağı olarak hem de oksijen kaynağı olarak kullanılmıştır. ZnO p-n homoeklemleri sırayla Al katkılı ZnO filmlerinin üzerine N-Al birlikte katkılı ZnO filmlerinin depolanmasıyla hazırlanmışlardır. Al katkılı ZnO filmleri, söktürme hedefi olarak ağırlıkça % 1.5 Al ile karıştırılmış bir çinko metal diski kullanılarak Ar-O 2 ortamında büyütülmüşlerdir. ZnO p-n homoeklem üretimi için, ilk olarak 400 C de 400 nm kalınlıklı bir ZnO:Al tabakası depo edilmiş ve daha sonra 500 C de 300 nm kalınlıklı bir ZnO:(N,Al) tabakası depolanmıştır. Farklı tabakalar üzerine depolanan p-tipi ZnO:(N,Al) filmlerinin Hall ölçüm sonuçları elde edilmiştir. Birlikte katkılı filmlerin iletkenliğinin güvenilirliğini ve tekrarlanabilirliğini araştırmak için, elektriksel ölçümler bir kaç defa gerçekleştirilmiş ve çoğunlukla aynı sonuçlar elde edilmiştir. Örneğin, cam, kuvarz ve safir yalıtkan alt tabakaları üzerine depolanan p-tipi ZnO:(N,Al) filmleri için direncin Ω cm arasında değerler aldığı belirlenmiştir. n-si alt tabakası üzerine depo edilen ZnO:(N,Al) filmleri için Hall ölçüm sonuçlarından ρ=0.029 Ω cm, N= cm -3 ve μ= 159 cm 2 /Vs değerleri elde edilmiş ve burada kullanılan düşük-dirençli alt tabakadan (ρ=10-3 Ωcm) dolayı Hall ölçüm sonuçları gerçekçi bulunmamıştır. Bu nedenden dolayı bu sonuçlar güvenilir bulunmamıştır. En düşük güvenilir oda-sıcaklığı direnci, 2.64 Ωcm ile safir bir alt tabaka üzerine depolanan filmde elde edilmiştir. Aynı zamanda bu film için taşıyıcı yoğunluğu cm -3 ve mobilite 1.62 cm2/vs olarak elde edilmiştir. Zaman bağımlı araştırmalardan p-tipi iletkenliğin kalıcı olduğu gösterilmiştir. Cam, kuvarz, safir ve Si alt tabakaları üzerine depo edilen ZnO:(N,Al) filmlerinin XRD analizlerinden, bütün filmlerin (002) yönelimli oldukları gözlenmiştir. İkincil iyon kütle spektroskopi (SIMS) analizlerinden N ve Al nin ZnO içinde düzgün dağılıma sahip oldukları belirlenmiştir. Bu yüzden ZnO:(N,Al) filmlerinin iyi kristal özelliklere sahip oldukları ve pratikte oldukça faydalı bir şekilde kullanılabileceği belirtilmiştir. Ayrıca, p-tipi ZnO:(N,Al) filmlerinin optiksel geçirgenliğinin görünür bölgede % 90 civarında olduğu gösterilmiştir. Optik özellikleri daha ileri düzeyde araştırmak için PL çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İki çeşit yenidenbirleşme yayınımı 8

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR gözlenmiştir ev civarındaki UV yayınım bandı, bu örneklerdeki alıcı ve verici türlerinden dolayı, bir alıcı-verici çifti (DAP) lüminesansı olarak belirlenmiştir ev civarındaki geniş mavi-yeşil yayınım bandı ise, sığ düzey yayınımı olarak adlandırılmıştır. Birlikte katkılı bütün filmlerin oda sıcaklığında UV bölgesinde belirgin bir yayınım gösterdikleri belirtilmiştir. p-tipi ZnO:(N,Al) filmleri kullanılarak, ZnO p-n homoeklemi başarıyla üretilmiştir. Burada, safir üzerine ZnO:Al tabakası hazırlanmış olup, onun üzerine de ZnO:(N,Al) tabakası hazırlanmıştır. N-tipi ZnO:Al filminin elektron konsantrasyonu cm -3 ve mobilite değeri de yaklaşık 10 cm 2 /Vs olarak belirtilmiştir. Elektriksel özellik ölçümleri için, her iki tabaka üzerine de In-Sn kontakları yapılmış ve takiben saf Ar atmosferinde 400 C de 30 s sürede tavlama işlemi gerçekleştirilmiştir. p-tipi ve n-tipi ZnO ince filmlerin her ikisinin de üzerindeki In-Sb kontakları için elde edilen lineer I-V eğrilerinden, filmlerle kontaklar arasında omik davranış sağlandığı gösterilmiştir. p-zno:(n,al)/n-zno:al eklemlerinin tipik akım-gerilim (I-V) karakteristikleri ile, onun tipik bir p-n ekleminin doğrultucu davranışını açık bir şekilde sergilediği belirlenmiştir. p-n eklemi yalıtkan alt tabaka üzerinde üretildiğinden, elektriksel ölçümler için alt tabakadan kaynaklı karışıklık olmadığı belirlenmiştir. İleri öngerilim altında uyarılma gerilimin 2 V civarında ortaya çıktığı ve ters kırılma geriliminin ise 4 V civarında olduğu gösterilmiştir (Lu ve ark, 2005). Bu çalışmada, ZnO filmler dc reaktif magnetron söktürme yöntemiyle K9 cam alt tabakaları üzerine depolanmışlardır. Depolama süresince cam alt tabanlar 370 C sıcaklıkta tutulmuşlardır. Zn hedefi, % saflıktaki Zn metalinden meyana getirilmiştir. Söktürme süresince depolama parametreleri şu şekilde belirtilmiştir: söktürme gücü: 250 W; O 2 nin Ar ye oranı: O 2 /Ar =1:1; çalışma basıncı: 1 Pa. Rusyada yapılan vakum iyon demeti cihazı (Academichesk ii, Tomask) ile N + iyonlarının implantasyon detayları şu şekilde verilmiştir: Glow deşarj gerilimi: 600 V; ivmelendirme gerilimi: 30 kv; implantasyon yapılmış ion enerjisi; 30 kev; akım; 3 ma; süre; 3 dakikadan 10 dakikaya kadar sıralanan değerler arasında. N + iyonlarıyla implantasyon yapıldıktan sonra, ZnO:N filmleri 30 s süreliğine 400, 500, 600 ve 650 C de N 2 ortamında ani ısısal tavlamaya (RTA) tabi tutulmuşlardır

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR nm kalınlıklı ZnO filmlerinin en düşük dirence sahip oldukları belirlenmiştir. Bundan dolayı, deneylerde 400 nm kalınlıklı ZnO filmleri kullanılmıştır. N + iyonlarının implantasyonu öncesinde ve sonrasında ZnO filmlerinin XRD spektrumu elde edilmiştir. XRD spektrumundan, N + iyonlarıyla implantasyon yapılmış ve implantasyon yapılmamış ZnO filmlerin tümünün (002) yönelimli oldukları belirlenmiştir. Atomik kuvvet mikroskobu (Atomik forse microscope- AFM) ile belirlenen tanecik büyüklüğünün, XRD ile belirlenen den daha büyük olduğu belirlenmiştir. AFM ile belirlenen kristal büyüklüğü yaklaşık nm olarak belirlenmiştir. N + iyonları ile implantasyon yapılmadan önce XRD ile belirlenen kristal büyüklüğü ise nm olarak belirlenmiştir. Yüzey morfolojisinin N + iyonlarının implantasyonundan etkilendiği belirtilmiş ve N + iyonlarının implantasyonundan sonra daha büyük boyutlarda kristalliklerin oluştuğu belirtilmiştir. N + iyonlarının implantasyonunun ve RTA işleminin ZnO filmlerinin yüzeyini pürüzlü hale getirdiği gözlenmiştir. 500~600 C de N 2 ortamında ani ısısal tavlamadan sonra ZnO örneklerinin direncinin 10 4 Ω cm den 10-1 Ω cm ye düştüğü gözlenmiştir. İletkenliğin zayıf n- tipinden n-tipine döndüğü belirlenmiştir. O 2 nin Ar ye oranı değiştirilerek, 10-2 Ω cm dirence ulaşılmıştır. Yüzey elektriksel özelliklerinin N + iyonlarının implantasyonundan oldukça etkilendiği belirtilmiştir. İletkenlik tipinin değişimi soğuk-sıcak prob noktası ile gözlenmiştir. N + iyonlarının implantasyonundan sonra, iletkenlik tipinin n-tipinden zayıf p-tipine değiştiği belirlenmiştir. ZnO filmlerinin görünür bölgede optik geçirgenliğinin ortalama % 85 ve optiksel yansımasının ise % 15 civarında olduğu gözlenmiştir. ZnO filmleri için, N + implantasyon sonrası ve RTA işlemi ile birlikte morötesi soğurma kenarının daha kısa dalgaboylarına kaydığı belirlenmiştir. Saf polikristal ZnO filminin E g,dir değeri yaklaşık olarak 3.34 ev olarak bulunmuş olup, N + implantasyon yapılmış ve RTA işlemine tabi tutulmuş ZnO filmlerinin E g,dir değerinin bundan farklı olduğu belirtilmiştir (Wang ve ark, 2005). Bu çalışmada, ZnO filmlerini depolamak için bir ikili-iyon-demeti sistemi (ion beam assisted deposition-ibad) kullanılmıştır. O + iyon demeti ile reaktif söktürme için % 1 In-katkılı bir Zn hedefi kullanılmıştır. Bu deneyde SiO 2 /Si ve 10

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR kuvarz kristal alt tabakaları olmak üzere iki çeşit alt tabaka kullanılmıştır. Depolama odasının basıncı Pa olarak belirlenmiş ve saf NH 3 ile doldurulduktan sonra basınç değerinin Pa değerine yükseldiği belirtilmiştir. Depolama süresince büyüyen filmleri bombardıman etmek için 70 ma lik iyon akımıyla birlikte 1.8 kev lik O + iyon demeti kullanılmıştır. Alt tabaka sıcaklığı 200 C olarak belirlenmiştir. 120 dakikalık bir depolama süresinden sonra, SEM ile belirlenen ZnO film kalınlığının 400 nm civarında olduğu belirlenmiştir. Bu örneklerin depolama sonrası tavlama işlemleri, 120 dakikada O 2 ortamında 400 C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. IBAD yöntemiyle SiO 2 /Si tabanları üzerine büyütülen ve tavlanan ZnO filmlerinin XRD analizlerinden, büyütülen ZnO filmlerinin (102) yönelimli oldukları gözlenmiştir. 400 C tavlama işleminden sonra, ZnO (002) ve ZnO (110) piklerinin ortaya çıktığı gözlenmiştir. Fakat onların şiddetinin ZnO (102) pikinin şiddetinden daha büyük olmadığı gözlenmiştir. SEM yöntemiyle filmlerin yüzey morfolojisi ve ara kesiti incelenmiş, buradan, ZnO taneciklerinin ortalama büyüklüklerinin 100 nm den 150 nm ye kadar olduğu ve düzgün dağılıma sahip oldukları belirlenmiştir. Arakesitsel SEM analizinden de film kalınlıklarının 400 nm civarında oldukları belirtilmiştir. IBAD yöntemiyle kuvarz kristal üzerine depolanan ZnO filmlerinin optik geçirgenlik grafikleri elde edilmiştir. Büyütülen filmlerin optik geçirgenliklerinin % 70 in altında olduğu ve 400 C tavlama işleminden sonra ise geçirgenlik değerlerinin görünür bölgede % 80 in üzerinde olduğu belirlenmiştir. Soğurma kenarının ise 380 nm civarında olduğu gözlenmiştir. Bu soğurma kenarının yakın UV bölgesinde ve çok keskin olduğu, bundan dolayı da ZnO filmlerinin çok güçlü UV soğurma özelliklerine sahip oldukları belirtilmiştir. Filmlerin optik bant aralığı enerjilerinin, büyütülen filmler için 3.35 ev ve 400 C de ki tavlamadan sonra ise 3.75 ev oldukları tahmin edilmiştir. Hall ölçüm sonuçlarından, N-In birlikte katkılı filmlerde asıl taşıyıcı tipinin deşikler olduğu ve oda sıcaklığında deşik konsantrasyonunun cm -3 arasında olduğu belirlenmiştir. Hall mobilitesi cm 2 /Vs civarında ölçülmüştür. 11

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR I V eğrilerinden, IBAD yöntemiyle SiO 2 /Si üzerine depolanan p-tipi ZnO filmlerinin fotoelektrik etkiler sergiledikleri ortaya çıkarılmıştır. UV etkisine maruz kalınmadığında, akımlar, -0.8 V de ma ve 0.8 V de de ma olarak ölçülmüştür. 30 s süresince 10 μw/cm 2 lik 254 nm UV etkisine maruz kalındığında ise filmin akımının çok daha büyük değerlere (-0.8 V de ma ve 0.8 V de ma) ulaştığı ve akımın uygulanan gerilimle lineer bir şekilde arttığı gözlenmiştir. 254 nm UV etkisine maruz bırakılan p-tipi ZnO filmlerinin iletkenliğinin, UV etkisine maruz bırakılmayanlardan yaklaşık 600 kat büyük olduğu tespit edilmiştir. Bundan dolayı, p-tipi ZnO filmlerinin UV etkisine maruz bırakılmaya çok duyarlı oldukları ve UV dedektör veya sensörlerde uygulama alanı bulabilecekleri belirtilmiştir. Buradan da, UV etkisine maruz bırakma sonucunda, fotoüretilmiş taşıyıcı sayısınıın arttığı ve tanecik sınırlarının bariyer yüksekliğinin düştüğü tespiti yapılmıştır (Yan ve ark, 2005). Bu çalışmada, katkılanmamış, As ve P katkılı ZnO ince filmler 600 C de ki Al 2 O 3 (0001) alt tabakaları üzerine palslı lazer depolama (PLD) yöntemi kullanılarak 30 dakikada büyütülmüşlerdir. Film büyütme süresince, O 2 ortam basıncı 50 mtorr da tutulmuştur. Büyütme odası, O 2 ortamıyla doldurulmadan önce temel basınç değeri olan Toor a getirilmiştir. 7 Hz yineleme aralığı ile çalışan atmalı bir KrF excimer lazeri (248 nm, 30 ns lazer atım süresi) ablasyon kaynağı olarak kullanılmış ve lazer demet enerjisi 130 mj/atım olarak ayarlanmıştır. Sonuçta elde edilen film kalınlıklarının 200 nm den 300 nm ye kadar olan aralıklarda oldukları belirlenmiştir. Katkılanmamış ZnO filmleri içerisine N katkılayıcısı, oda sıcakığında iyon implantasyon yöntemi ile yapılmıştır. N konsantrasyonu, , , iyon/cm 2 olarak belirlenmiştir. İmplantasyon işlemi boyunca, enerji ve iyon akım yoğunluğu sırasıyla, 100 kev ve 400 na/cm 2 olarak ayarlanmıştır. PLD yöntemiyle bir Zn 3 As 2 /ZnO hedefi kullanılarak As katkılı p-tipi ZnO filmler elde edilmiştir. Oda sıcaklığı hall ölçümlerinden, As katkılı ZnO filmlerinin, 2 dakika sürede N 2 ortamında 200 C de ani ısısal tavlama işleminden sonra, ve cm -3 arasında değişen hall konsantrasyonuyla birlikte p-tipi iletkenlik sergiledikleri gözlenmiştir. 12

30 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR PLD yöntemiyle bir Zn 3 P 2 /ZnO hedefi kullanılarak P katkısı gerçekleştirilmiştir. % 3 mol P-katkılı ZnO filmlerinin, O 2 ortamı altında 600 ve 800 C arasındaki sıcaklıklarda ani ısısal tavlanmasıyla, cm -3 hall konsantrasyonuyla birlikte p-tipi davranış sergiledikleri belirtilmiştir. N katkılama durumunda, iyon/cm 2 lik bir N dozu ile implantasyon yapılan filmlerin 700 C ye varan sıcaklıkta ani ısısal tavlanmasıyla, cm -3 hall konsantrasyonu ve Ω cm lik düşük bir direnç ile birlikte p-tipi iletkenlik sergilediği gözlenmiştir. Düşük sıcaklık fotoüminesans sonuçlarından, p-tipi davranış gösteren filmlerde sadece nötral-alıcı bağ eksiton (A o, X) yayınımı ile ilişkili pik gözlendiği belirtilmiştir (Vaithianathan ve ark, 2006). Bu çalışmada, ZnO filmler dc reaktif magnetron söktürme yöntemiyle cam alt tabanlar üzerine hazırlanmışlardır. Cam alt tabanlar 30 dakika süreyle aseton ile ultrasonik bir banyoda temizlenmişlerdir. Söktürme hedefi olarak % 1 oranında Li (% saflıkta) ile alaşım yapılmış bir Zn metal (% saflıkta) diski kullanılmıştır. Depolama odasının basıncı 10-3 Pa olarak belirlenmiştir. Toplam 5 Pa lık basınçla birlikte söktürme gazı olarak 3:2 oranıyla Ar (% saflıkta) ve O 2 (% saflıkta) kullanılmıştır. Altaban sıcaklığı 500 C de tutulmuştur. Söktürme süresi, akımı ve gerilimi sırasıyla, 40 dakika, 200 ma ve 175 V olarak belirtilmiştir. Büyütmeden sonra, filmler 400 den 600 C ye kadar çeşitli alt taban sıcaklıklarında 2 dakika süreyle Ar ortamında ani olarak tavlanmışlardır. Büyütülen Li katkılı ZnO filmler ve cam alt tabanları üzerindeki çeşitli alt taban sıcaklıklarında tavlanan ZnO:Li filmlerinin elektriksel özellikleri hall etkisi analizi ile incelenmişitr. % 1 oranında Li katkılı büyütülmüş ZnO filmlerinin yüksek dirence sahip olduğu ve taşıyıcı tipine ait sinyalin belirsiz olduğu belirtilmiştir. Tavlama sıcaklığı düşük olduğunda da, filmlerin yüksek dirençli oldukları ve yine taşıyıcı tipinin belirsiz olduğu gözlenmiştir. Tavlama sıcaklığı yükseldikçe, p-tipi iletkenliğin sağlandığı ve geliştirildiği kanıtlanmıştır. En iyi sonuçların, 57 Ω cm direnç, cm -3 taşıyıcı konsantrasyonu ve 1.03 cm 2 /Vs hall mobilitesiyle birlikte 500 C tavlama sıcaklığında başarıldığı belirtilmiştir. 3 ay sonra yeniden yapılan elektriksel özellik testlerinden sonra, herhangi bir bozulma olmaksızın 13

31 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR filmlerin p-tipi iletkenliği muhafaza ettiği gözlenmiştir. Tavlama sıcaklığı daha fazla arrtırıldığında ise ZnO: Li filmlerinin p-tipinden n-tipine dönüştüğü belirtilmiştir. Tavlama sıcaklığına bağlı olarak (002) pikinin pozisyonu araştırılmıştır. % 1 oranında Li katkılı büyütülmüş ZnO filmi için, 2θ değeri o olarak belirlenmiş olup bu değerin tavlanmış ince filmlere ve saf ZnO ya ait değerlerden daha düşük olduğu belirtilmiştir. ZnO ya ait 2θ değerinin tavlama sıcaklığındaki artışla birlikte arttığı gözlenmiş ve bununda örgü parametrelerinin düştüğü anlamına geldiği belirtilmiştir. 500 C de tavlanan ZnO:Li ince filmleri için (002) pikine ait kırınım açısı o olarak belirlenmiştir. Bütün filmlerin sadece (002) Bragg pikleri sergilediği ve bununda yüksek c-ekseni yönelimini ve yeterli ktistal özelliği işaret ettiği belirtilmiştir. Tavlama sıcaklığına bağlı olarak (002) piklerinin yarı maksimum genişliğinin (FWHM), tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte düştüğü belirlenmiştir. Bütün gerçekleri gözönüne alarak 500 C de tavlanan ZnO:Li ince filmlerinin büyütülen Li katkılı ZnO ince filmlerden daha iyi kristal özelliklere sahip olduğu vurgulanmıştır. PL analizlerinden, valans bandının üzerinde 140 ve 260 mev de lokalize olmuş iki alıcı düzeyi belirlenmiştir. Bunlardan 140 mev düzeyi Li Zn alıcısına bağlanmıştır. 500 C de tavlanmış yaklaşık 400 nm kalınlıktaki ZnO:Li ince filmlerinin SIMS analizlerinden, Li nin iyi bir şekilde dedekte edildiği anlaşılmış ve PL sonuçlarını desteklediği belirtilmiştir (Chen ve ark, 2006). Bu çalışmada, ZnO ince filmler hedef olarak saf çinko diski (4N) kullanılarak reaktif dc magnetron söktürme yöntemiyle cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır. Bu çalışmada alt tabaka sıcaklığı 200 C ye ayarlanmış olup, bir termokapılın alt tabakaya iliştirilmesiyle bu sıcaklık değeri kontrol altına alınmıştır. Depolama odasının temel basınç değeri Pa olarak ve çalışma basıncıda Pa olarak belirlenmiştir. Odaya yüksek saflıkta argon (% 99.99), azot ve oksijen konularak üç dijital kütle akı kontrol mekanizmasıyla bunların akış oranı kontrol edilmiştir. Söktürme boyunca toplam gaz akısı ve argon gaz akısı sırasıyla, 60 sscm ve 30 sscm olarak kararlaştırılmıştır. N 2 nin O 2 ye oranı 0:30 dan 30:0 a kadar değiştirilmiştir. Filmler 15 dakikada 150 W da depolanmışlardır. Depolamadan sonra, filmler 450 o C de hava ortamında 3 saatlik bir sürede tavlanmışlardır. 14

32 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Söktürme gaz karışımında azotun oksijene (N 2 /O 2 ) farklı oranlarıyla birlikte cam üzerine depolanan filmlerin X-ışını kırınım spektrumu elde edilmiştir. Oksijenin yokluğunda depolanan filmlerin XRD analizinden, 34 ve 43 de iki pik gözlenmiştir. Bu pikler, sırasıyla, Zn 3 N 2 (321) ve (332) kırınımıyla ilişkilendirilmiştir. Gaz karışımındaki oksijen içeriği arttıkça, Zn 3 N 2 ye ait iki pikin kaybolduğu ve ZnO ya ait kırınım piklerinin ortaya çıktığı belirlenmiştir. Söktürme gaz karışımında azot yok iken depolanan ZnO filmlerinin c-ekseni yönelimli oldukları belirlenmiştir. 450 o C de 3 saat sürede tavlanan filmlerin XRD spektrumunda Zn 3 N 2 ile ilişkili hiçbir pik gözlenmemiştir. XRD analizlerinden ZnO filmlerinin zayıf c-ekseni yönelimli oldukları gözlenmiştir. 450 C de 3 saat sürede tavlanan filmlerin geçirgenlik spektrumu elde edilmiştir. Bu filmlerin optik geçirgenliğinin N 2 /O 2 oranından etkilendiği belirlenmiştir. En düşük N 2 /O 2 oranında depolanan filmlerin geçirgenlik spektrumunun, ZnO nun tipik spektrumuyla uyum içinde olduğu belirtilmiş ve görünür dalgaboyu bölgesinde filmlerin oldukça yüksek geçirgenliğe sahip oldukları gözlenmiştir. Artan N 2 /O 2 oranıyla (özellikle de 20:10 dan 30:0 a) birlikte geçirgenliğin azaldığı belirlenmiştir. Bunlara ek olarak bütün filmler için 380 nm civarında keskin bir soğurma kenarı gözlenmiştir. Hall etkisi ölçüm sonuçlarından, tavlanmış filmlerin mobilitesinin büyütülen filmlerin mobilitesinden daha büyük olduğu belirlenmiştir. N 2 /O 2 oranı 20:10 olarak depolanan filmlerin en yüksek deşik konsantrasyonuna ve en düşük dirence sahip oldukları saptanmıştır. N 2 /O 2 oranı 25:5 olarak hazırlanan filmlerin n-tipi iletkenlik sergilediği belirlenmiştir. N 2 /O 2 oranı 20:10 seçilerek 3 saat süre ile 450 C de tavlanan film için, 8.34 Ω cm elektriksel direnç ve cm -3 deşik konsantrasyonuyla birlikte p-tipi iletkenlik sağlanmıştır (Wang ve ark, 2006). Bu çalışmada, N-In birlikte katkılı ZnO ince filmler iyon demeti geliştirilmiş depolama metodu ile Si, SiO 2 ve cam alttabanlar üzerine depolanmışlar ve onların yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri incelenmiştir. % 99.9 saflıktaki ZnO tozu atomik olarak % 2 In 2 O 3 (% 99.9 saflıkta ) ile karıştırılarak söktürme hedefi olarak preslenmiştir. Depolamadan önce, alttabaka, yüzey temizliği için 15 dakika Ar ile bombardıman edilmiştir. In katkılı ZnO toz hedefi 1.7 kev enerjili Ar + iyonları ile 15