ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR ATMALI PLAZMA KATODİK ARK YÖNTEMİYLE ELDE EDİLMİŞ ZnO ( ÇİNKO OKSİT ) İNCE FİLMLERDE FOTOİLETKENLİK FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2006

2 ÖZ YÜKSEK LİSANS ATMALI PLAZMA KATODİK ARK YÖNTEMİYLE ELDE EDİLMİŞ ZnO ( ÇİNKO OKSİT ) İNCE FİLMLERDE FOTOİLETKENLİK Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Prof. Dr. Hamide KAVAK Yıl: 2006, Sayfa: 92 Jüri: Prof. Dr. Hamide KAVAK Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Birgül YAZICI Bu çalışmada Palslı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama yöntemi ile ZnO ince filmler oda sıcaklığında cam alttaban üzerine aynı kalınlık farklı basınçlarda ve aynı basınç farklı kalınlıklarda üretildi. Elde edilen filmlerin optik ve fotoiletkenlik özelliklerinin kalınlık ve basınç değişiminden nasıl etkilendiği araştırıldı. Anahtar Kelimeler: PFCVAD Yöntemi, İnce Film, ZnO, fotoiletkenlik I

3 ABSTRACT MSc PHOTOCONDUCTIVITY OF ZnO THIN FILMS WHICH ARE GROWN BY CATHODIC ARC DEPOSITION Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Prof. Dr. Hamide KAVAK Year: 2006, Pages: 92 Jury: Prof. Dr. Hamide KAVAK Prof. Dr. Ramazan ESEN Prof. Dr. Birgül YAZICI In this work, ZnO thin films were produced on glass substrates by Pulsed Filtered Cathodic Vacuum Arc Deposition Method at room temperature for the same thickness at different pressure and for different thickness at the same pressure. Furthermore, the influences of thickness and pressure on the optical and photoconductivity properties were investigated for the produced ZnO thin films. Key Words: Photoconductivity, PFCVAD Method, Thin Film, ZnO II

4 TEŞEKKÜR Çalışmalarım sırasında bana yol gösteren Danışmanım Prof. Dr. Hamide KAVAK a, tez konumu belirleyen ve çalışmalarım boyunca desteğini esirgemeyen hocam Prof. Dr. Ramazan ESEN e, deneylerim ve ölçümlerim sırasında benden yardımlarını esirgemeyen Arş. Gör. Ebru ŞENADIM a, deneyleri beraber yaptığımız grup arkadaşlarım M. Derya ÖZDEMİR ve Mediha SOYLU ya, fotoiletkenlik ölçümleri sırasında yaptığı malzeme yardımları için Doç. Dr. İsa DUMANOĞLU na, tezim sırasında her türlü desteği benden esirgemeyen sevgili arkadaşım Kamuran KARA ya ve Kamuran ı ondan çaldığım zamanlarda gösterdiği sabırdan dolayı değerli arkadaşım İlham NASIROĞLU na çok teşekkür ederim. Ayrıca, bugün sahip olduğum şeylere ulaşmam sırasında her zaman yanımda olan annem Fadime ÖZBAYRAKTAR a, tezimi hazırlarken sevgisi ile her zaman yanımda hissettiğim sevgili nişanlım Mehmet VERGİLİ ye ve onun ailesine sonsuz teşekkürler ederim. III

5 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ I ABSTRACT.... II TEŞEKKÜR. III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VII ŞEKİLLER DİZİNİ... VIII SİMGELER VE KISALTMALAR XI 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOD Atmalı Plazma ve Filtreli Katodik Vakum Ark Yöntemi ZnO İnce Film Üretiminde Kullanılan FCVAD Sistemin Yapısı ve Sistemi Reaksiyon Odacığı Turbomoleküler Pompa Sistemi Atmalı Plazma Ark Kaynağı Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi Oksijen Tüpü Katot ve Alt Tabaka ZnO İnce Filmin Üretilmesi ZnO nun Genel Özellikleri ZnO nun Yapısal Özellikleri Örgü Parametreleri Elektronik Bant Yapısı Mekaniksel Özellikler Termal Özellikler Termal İletkenlik Elektriksel Özellikleri ZnO in Katkılanması IV

6 n-tip Katkılama p-tip Katkılama Yarıiletkenlerde Elektron-Deşik Yeniden Birleşimi Ve Fotoiletkenlik Direkt Olmayan Yeniden Birleşim Kinetikleri Direkt Yeniden Birleşim Kinetikleri Düşük Seviyeli Enjeksiyon (n po << n p << p po ) Yüksek Seviyeli Enjeksiyon ( n p >> p po ) Fotoiletkenliğin Elemanları Düzgün Hacim Soğurması İçin Yarıiletken Eşitlikler Basamak Şeklinde Aydınlatma ve Geçiş Fotoakımı Modüle Edilebilir Fotoiletkenlik Güçlü Enjeksiyon ve Bimoleküler Yeniden Birleşim Düşük Seviyeli Enjeksiyon ( n p <<Δ n p <<p p ) Yüksek seviyeli Enjeksiyon ( Δn p >> p p ) Fotoiletken Kazanç Etkin Fotoiletkenlik Soğurma Sınırlı Fotoiletkenlik Difüzyon Sınırlı Fotoiletkenlik FCVAD Yöntemiyle Üretilen ZnO İnce Filmlerin Fotoiletkenlik Ölçüm Yöntemi Optik Özellikler Temel Soğurma Doğrudan Geçişler Yasaklı Doğrudan Geçişler Dolaylı Bantlar Arasında Dolaylı Geçişler Direk Bantlar Arasındaki Dolaylı Geçişler Bant Kuyrukları Arasındaki Geçişler Filmlerin Optik Özelliklerinin Belirlenmesi Soğurma Katsayısının Hesaplanması Yasak Enerji Aralığının Bulunması Film Kalınlığının Belirlenmesi 71 V

7 4. ARAŞTIRMA ve BULGULAR Palslı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi İle Elde Edilen ZnO İnce Filmlerin Fotoiletkenlik Çalışmaları Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Yöntemi İle Elde Edilen ZnO İnce Filmlerin Optik Özelliklerinin Belirlenmesi SONUÇLAR ve ÖNERİLER. 88 KAYNAKLAR.. 89 ÖZGEÇMİŞ VI

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 3.1. Bazı yarı iletken materyallerin örgü uyumsuzlukları ve kristal Sabitleri 19 Çizelge 3.2. ZnO in sahip olduğu bazı değerler.. 19 Çizelge 3.3. ZnO nun ölçülen ve hesaplanan örgü sabitleri ve u örgü parametresi.. 21 Çizelge 3.4. Hesaplanan yakın komşu bağ uzunluğu, safsızlıkların yerine geçmiş negatif yüklerin kusur enerji seviyeleri ve alıcı yerine geçmesinden ötürü pozitif yüklenmiş Ax merkezinin oluşması için gerekli olan enerji Çizelge 4.1. Çizelge 4.2. Aynı basınç (6,5x10 Torr) farklı kalınlıktaki ZnO filmlerin geçirgenlik ve soğurma spektrometrelerinden elde edilen sonuçların değerlendirmesi.. Aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçtaki ZnO filmlerin geçirgenlik ve soğurma spektrometrelerinden elde edilen sonuçların değerlendirmesi VII

9 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1. FCVAD siteminde kullanılan filtre türlerine göre oluşan filmlerdeki makro parçacık miktarı 12 Şekil 3.2 FCVAD sisteminin şematik gösterimi.. 13 Şekil 3.3 Reaksiyon Odacığı Şekil 3.4 Turbomoleküler pompa sistemi Şekil 3.5 (a) Filtrenin kendisi, (b)atmalı Plazma Ark Kaynağı, (c) Şematik gösterimi 15 Şekil 3.6 Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi Şekil 3.7 Film üretiminde kullanılan O 2 tüpü ve Gaz Vanası 16 Şekil 3.8 ZnO nun kristal yapılarının gösterimleri. 20 Şekil 3.9 Şekil 3.10 Şekil 3.11 Şekil 3.12 Şekil 3.13 Sıcaklığın fonksiyonu olarak wurtzite yapıdaki ZnO nun örgü parametreleri Tamamen katılaştırılmış ZnO nun oda sıcaklığından C ye kadar ısıtıldığında termal iletkenliğindeki değişim 24 Silisyum materyalde orta seviyeye yakın bir yerde E r enerji seviyesinde lokalize olmuş yeniden birleşim merkezi aracılığıyla yeniden birleşim GaAs de direkt yeniden birleşim. k cb =k vb olduğundan momentum korunumu istenilen gibidir. 28 L uzunluğunda, W genişliğinde ve D derinliğinde kalın bir dilim halinde olan yarıiletkenin λ dalga boylu ışık ile aydınlatılması. 31 Şekil 3.14 Azınlık taşıyıcı konsantrasyonunun zamanla değişimi.. 36 Şekil 3.15 Açısal frekans ω da modüle edilmiş ışık şiddeti Şekil 3.16 σ ph ve σ ph nün frekansa bağımlılığı Şekil 3.17 Kararlı durum fotoiletkenliğinin ışık şiddetine göre davranışı 42 Şekil 3.18 Ohmik kontaklara sahip bir fotoiletkende kazanç Şekil 3.19 Işık şiddeti ve aydınlatılmış yüzeyden itibaren fotoiletkenliğin x ekseni boyunca bozunması VIII

10 Şekil 3.20 Yüzeye çok yakın ince bir bölgede fotoüretimin olması ve bunun sonucunda taşıyıcıların balkın içine yayılması.. 50 Şekil 3.21 Dalga boyuna bağlı fotoiletkenlik ölçümünde kullanılan devre şeması. 51 Şekil 3.22 Zamana bağlı Fotoiletkenlik ölçümünde kullanılan devre şeması 52 Şekil 3.23 Parabolik bir bant yapısında doğrudan geçiş Şekil 3.24 Dolaylı geçişler Şekil 3.25 Soğurmanın sıcaklık bağımlılığı 58 Şekil 3.26 İki fonon yardımlı geçişler. 59 Şekil 3.27 Optik soğurmanın iletim bandı durumlarının doldurulmasıyla değişimi Şekil 3.28 Aşırı katkılamanın bant kenarına etkisi Şekil 3.29 Taşıyıcı yoğunluğunun soğurmaya etkisi Şekil 3.30 İletim bandına doğrudan geçişler Şekil 3.31 GaAs' ın oda sıcaklığındaki soğurma kenarı Şekil 3.32 İletim bant kuyruğunun optik soğurma ile gözlenmesi Şekil 3.33 İnce bir tabakadaki soğurma Şekil 3.34 İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi 68 Şekil 3.35 Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile değişimi Şekil 4.1 Dedektör Geriliminin Dalga Boyuna Karşı Değişimi Şekil 4.2. Kullanılan Dedektörün Spektral Duyarlılık Eğrisi 74 Şekil 4.3. Monokromatör Çıkışından Elde Edilen Işık Dağılımı Şekil 4.4. Aynı Basınçta Farklı Kalınlıklarda Üretilen ZnO İnce Filmler İçin Fotoiletkenlik Ölçümü 75 Şekil 4.5. Aynı kalınlıklarda, farklı basınçlarda üretilen ZnO ince Filmler için fotoiletkenlik ölçümü Şekil 4.6 4x10-4 Torr basınçta üretilmiş 236 nm film kalınlığına sahip ZnO ince filmin zamana bağlı fotoiletkenlik grafiği. 78 IX

11 Şekil 4.7. Şekil 4.8. Şekil 4.9. Şekil x10-4 Torr basınçta üretilmiş 168 nm film kalınlığına sahip ZnO ince filmin zamana bağlı fotoiletkenlik grafiği x10-4 Torr basınçta üretilmiş 493 nm film kalınlığına sahip ZnO ince filmin zamana bağlı fotoiletkenlik grafiği.. 79 Aynı basınç (6,5x10-4 Torr) farklı kalınlıklarda elde edilen ZnO ince filmlerin optik geçirgenlik değerlerinin dalga boyuna karşı grafiği Aynı basınç (6,5x10-4 Torr) farklı kalınlıklarda elde edilen ZnO ince filmlerin soğurma katsayısının enerjiye karşı gradiği 82 Şekil Aynı basınç (6,5x10-4 Torr) farklı kalınlıklarda elde edilen ZnO ince filmler için (αe) 2 nin E ye göre değişimi 83 Şekil Şekil Aynı kalınlık (~236nm) farklı basınçlarda elde edilen ZnO ince filmlerin optik geçirgenlik değerlerinin dalga boyuna karşı grafiği Aynı kalınlık (~236 nm) farklı basınçlarda elde edilen ZnO ince filmlerin soğurma katsayılarının enerjiye karşı değişimi Şekil Aynı kalınlık (~236nm) farklı basınçlarda elde edilen ZnO ince filmler için (αe) 2 nin E ye göre değişimi X

12 SEMBOLLER VE KISALTMALAR Γ ph EPHs G AC DC τ α σ FCVAD : Birim Alan Başına Düşen Foton Miktarı : Fotoüretim Sonucunda Oluşan Elektron Deşik Çiftleri : Kazanç : Alternatif Akım : Doğru Akım : Ömür : Soğurma Katsayısı : İletkenlik : Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Tekniği XI

13 1. GİRİŞ Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR 1. GİRİŞ Yarı iletkenler elektriksel özellikleri metaller ve yalıtkanlar arasında olan materyal grubu olup bunların elektriksel karakteristikleri katkı, sıcaklık, optik uyarım, gerilme ve benzer birçok yolla değiştirilebilmektedir. Bileşik yarı iletkenler iki ya da daha fazla elementin birleşiminden meydana gelen yarı iletkenlerdir. ZnO da bileşik bir yarı iletkendir. ZnO gaz sensörler, varistörler, yüzey akustik dalga aygıtlar içeren çeşitli alanlarda kullanılan çok fonksiyonlu bir yarı iletken materyaldir. ZnO kısa dalga boylu ışık yayıcı aygıtlar ve gün ışığına kör UV dedektörler için umut verici bir materyaldir. ZnO önemli bir geçirgen iletken oksit olduğu için, görünür bölgede yüksek geçirgenliğe ve doğal kusurlar ya da katkı ile yüksek elektriksel iletkenliğe sahip bir materyale dönüştürülebildiği için güneş pili ve düz gösterge panelleri için ideal bir pencere materyalidir. 1 nm den birkaç µm ye kadar uzanan kalınlık bölgesindeki yarıiletken ve yalıtkan filmlerin (ince filmler) üretim teknolojileri geniş uygulama alanına sahiptir. İnce filmlerin sentezi hacimsel materyaller için kullanılandan farklıdır. İnce filmler çoğunlukla depolamayla elde edilirler ve ileri teknoloji uygulamaları sayılamayacak kadar çoktur. Materyal özellikleri analiz edildiğinde bunların hacimsel yapıda ve ince film yapısında farklılıklar gösterdiği gözlenir. Bu farklılık yüzey/hacim oranı ve/veya yüzey içeriği, yüzey mobilitesi, yüzey topolojisi, kristalografik yönelim ve stres etkilerine dayanır. Çeşitli materyal depolama tekniği vardır. Bu yöntemlerden biri de atmalı plazma ark yöntemidir. Bu yöntem, ince film depolama yöntemleri içinde, plazma yardımlı işlemlerden oluşan fiziksel buhar depolama (PVD) tekniğidir. Plazma depolama işlemi diğer iyonla kaplama işlemlerine göre daha yüksek iyonizasyon ve parçacık enerjisine sahiptir. Bu işlem değişik metallerin, bileşik filmlerin ve diğer alaşım filmlerin farklı aşınma direnci, korozyon direnci ve dekoratif uygulamalar için kullanılır. Plasma ark işlemi sırasında, ark spotu katodu aşındırarak yüksek dereceli iyonizasyona sahip plazmayı üretir. Yüksek iyon yoğunluğu; film morfolojisinin kontrolü, yüksek tutunma, bileşiklerin etkin reaktif depolanmasını ve değişik yapılarda da düzgün depolanma olmasını sağlar. Alaşımların bileşimleri genelde 1

14 1. GİRİŞ Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR kaynaktan alt tabakaya taşınır. Depolama oranları dakikada nanometreden mikrometreye kadar değişen geniş bir alanı kapsar. Bu çalışmada atmalı katodik vakum ark yöntemiyle oda sıcaklığında farklı basınçlar için aynı kalınlığa sahip, aynı basınç için farlı kalınlığa sahip ZnO ince filmler üretilerek filmlerin optik özellikleri ve dalga boyunun değişimine göre filmlerin fotoiletkenlik özelliğinin değişimi incelenmiştir. Fotoiletkenlik terimi, göz önüne alınan malzemede ışığın soğurmasını takiben iletkenliğin değişmesi ile ilgili bütün olguları kapsar. Bir yalıtkan yeteri derecede kısa dalga boylu ışığa maruz bırakılırsa, yalıtkanın değerlik bandından iletkenlik bandına geçişler meydana gelir. Böylece serbest elektron ve serbest deşik yoğunlukları meydana getirilip yalıtkan, iletken haline dönüşmüş olur. Bu işlemde önemli olan serbest taşıyıcı sayısındaki kararlı artış ve bu artışı belirleyen taşıyıcıların ömürlerinin durumlarıdır. Yalıtkana omik bağlantı kurarak sabit bir gerilim uygulayıp örneğe gönderildiğinde ışığın dalga boyu değiştirilerek devreye bağlanan direnç üzerinden gerilim ölçüldüğünde fotoiletkenlik değişimi gözlemlenebilir. Bu işlemin gerçekleşebilmesi için örnek üzerine gönderilen fotonun enerjisinin örneğin yasak enerji aralığına eşit veya büyük olması gerekir. Fotoiletkenlik, optik soğurma, sıcak taşıyıcı durulması, yeniden birleşme gibi birden fazla ardı ardına veya eş zamanlı işleyişi içerdiğinden karışık bir olgudur, fakat malzemenin birçok fiziksel özelliğinin anlaşılması açısından çok önemli bir işlemdir. Fotoiletkenlik işlemi pratikte fotokopi makinelerinde, televizyon kameralarında, kızılötesi detektörlerde, ışıkölçerlerde, doğrudan olmasa da fotoğrafın geliştirilmesinde uygulama alanı bulmaktadır. Görünür bölgede yüksek geçirgenlik ve yüksel elektriksel iletkenlik değerine sahip Saydam İletken Oksit adı verilen ince filmlerin teknolojide kullanım alanının giderek yaygınlaşmaktadır. Saydam iletken oksit olan ZnO ince filmlerin üretilip optik ve fotoiletkenlik özelliklerinin incelenmesi hem bilimsel hem de teknolojik açıdan önem taşımaktadır. 2

15 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Çinko oksit (ZnO) yüksek elektriksel ve optik geçirgenliğe, düşük bant aralığına sahip olması nedeniyle gaz sensörleri, LED, foto rezistörler gibi optoelektronik cihazların yapımında tercih edilen bir materyal olmuştur. Bu özelliklerinden dolayı ZnO üzerinde çalışıldığı ilk zamandan bu yana çeşitli üretim yöntemleri kullanılarak kullanım amaçlarına hizmet edecek biçimde, en kaliteli ve en ucuz olacak şekilde üretilmeye çalışılmıştır. Bugüne kadar çeşitli yöntemler kullanılarak üretilen ZnO in fotoiletkenliği üzerine yapılmış çalışmalar ve elde edilen sonuçlara yazının devamında kısa kısa değinilmiştir. Prizma yüzeyleri ( 1100) yöneliminde olan ZnO in fotoiletkenliği çok yüksek vakumda ve düşük sıcaklıklarda ölçülmüştür. Tayfsal dağılımın minimal durumda 0.2 ve 0.7 ev değerlerinde iki sıra olacak şekilde bulunduğu ortaya konulmuştur. Periyotların bulk halindeki LO fononlarının ve yüzey fononlarının enerjileriyle eş zamana rastladığı görülmüştür. Yüzey fononlarının karşılıklı etkileri için diğer bir kanıtın da kristal yüzeyine yoğunlaştırılmış ksenon (Xe) verilmiştir. Ayrıca yüzey fononlarının enerjiye uyum periyotlarının beklenildiği gibi azaldığı gözlenmiştir. (Lüth H. 1972) ZnO in lineer olmayan dalga bükümünün ışık artırımıyla sıcaklık bağımlı yapısı hakkında bilgi verilmiştir. Bu çalışmada ışık artırımı etkisindeki ZnO için fotoiletkenlik özellikleri, ısısal uyarılmış iletkenlik ve ışık olmaksızın yüzey dalga bükümünün sıcaklığa bağlı yapısı üzerine incelemeler yapılmış; ve bunların fotoiletkenlik yüzeyinin hazırlanışına ve tuzaklara duyarlı olduğu saptanmıştır. Foton dalgası üzerinde ışık artırımı (bağıl birim) dalga boyuna (mikron) bağlı grafikleri çizilerek gösterilmiştir. ( Lim T.C., Kraut E.A., ve ark., 1976) Üzeri içeriği n-oktadeklamin ve sterik asit olan bir boya konsantrasyonu ile Lagmuir-Blodgett metodu aracılığı ile tek tabaka halinde kaplanan polikristal ZnO in fotoiletkenliğinin tayfsal duyarlılığının monotonik olmayan titreşim bağımlılığı deneysel olarak gözlenmiştir. Gözlenen bu etkilerin aynı şartlarda üretilmiş filmlerin ve vakumda depolanan filmlerin monotonik titreşim bağımlılığından tamamen farklı olduğu saptanmıştır. Ayrıca boyanın monomer ve dimerlerinin dengesini tanımlayan 3

16 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR basit bir model incelenmiştir. Problemin çözümünün azalan tek tabakadaki toplam boya konsantrasyonu gibi monomer kontsantrasyonunun titreşerek bozunan bir fonksiyonudur. ( Savvin N.Y., Tolmachev A.V., ve ark., 1196) Çinko nitrat çözelti kullanılarak farklı alt taban sıcaklıklarında püskürtme tekniğiyle üretilen ZnO ince film üzerinde üretim sıcaklığının yapı üzerindeki etkileri, optik ve elektriksel özellikleri çalışılmıştır. Bu çalışmada 180 ºC gibi bir kritik sıcaklık belirlenmiştir. Bu sıcaklığın üzerinde üretim yapıldığında üretim sonucunda ortaya çıkan ZnO in c yöneliminde polikristal özelliğe sahip olduğu görülmüştür. Bu sıcaklığın altında yapılan üretim çalışmalarında ise ZnO in toz halinde kaldığı, filmin üretilemediği görülmüştür. Tavlama işleminin uygulanmasıyla bütün ürünler için en yüksek soğurmanın yarı yüksekliğinde bant aralığının 3.30 ev olduğu saptanmıştır. Işınımdan sonra katkılanmamış (as-grown) kararlı durumdaki ürünler için fotoiletkenliğin bir hafta civarında çok yavaş olarak bozulduğu gözlenmiştir. Kararlı durum için aydınlık (gün ışığı) fotoiletkenliğin doyuma çok yakın olduğu ve bu durum için aydınlık fotoiletkenliğin karanlık değerinden daha geniş büyüklükler için en fazla dört duruma kadar çok duruma sahip olabileceği tespit edilmiştir. 400 C de azot ortamında tavlama işlemine tabi tutulan ürünlerin fotoiletkenlik değerleri aydınlıkta 10-3 (Ώ.cm) -1, karanlıkta ise 10-4 (Ώ.cm) -1 bütün ürünler için aynı değer olarak ölçülmüştür. Fotoiletkenlik geçişleri tavlama işleminden sonra güçleşmiş ve güç kanunundan çok üslü zaman bağımlılığına doğru değişim gösterdiği tespit edilmiştir. (Studenikin S.A., Golego N., ve ark., 1997) Püskürtme yöntemiyle üretilen ZnO ve TiO 2 (titanyum di oksit) ince filmlerin geliştirilmiş Laplace dönüşüm metodu kullanılarak fotoiletkenlik geçişlerinden bant aralığındaki tuzakların yoğunluğu bulunmaya çalışılmıştır. Günün periyotları boyunca fotoiletkenliğin yavaş durulması üretilen filmler üzerinde gözlenmeye çalışılmıştır. Bu olay derin duyarlılığa sahip hol tuzakları içeren bir model ile tanımlanır. Bu model üzerine kurulan tuzak dağılımı geliştirilmiş Laplace dönüşüm metodu ile hesaplanmıştır. ZnO ve TiO 2 ince filmler için durumların yoğunluğu üçüncü enerji seviyesi civarında bir pik ile gösterilmiştir. Bu filmlerin yapısal özellikleri tarayıcı mikroskobu ve X ışını kırınımı vasıtasıyla incelenmiş her iki filmin yapısının da gözenekli yapıda ve polikristal yapıya sahip oldukları 4

17 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR görülmüştür. Optiksel dağılım ölçümleri optiksel bant aralığının ZnO için 3,3 ev, TiO 2 için 3.1 ev olduğunu göstermiştir. Depolama işleminden sonra ZnO içerisinde % 95 oranında azot gazı (N 2 ) ve % 5 oranında hidrojen gazı (H 2 ) bulunan ortamda 700 C de tavlama işlemine tabi tutulmuş ve bu işlemden sonra karanlık iletkenliğin arttığı gözlenmiştir. Ayrıca yine bu işlem sonucunda fotolüminisansın da 510 nm de arttığı gözlenmiştir. Hall etkisi ölçümlerine dayanarak elde edilmiş olan elektron mobilitesinin ve konsantrasyonunun sırasıyla ZnO için 0,1 cm 2 /V.s ve 9x10 10 cm -3 olduğu görülmüştür. Denge durumundaki iletkenlik durulumu oda sıcaklığında s civarında bir değer almıştır. ZnO için karanlık denge değerleri σ = 3,7 Ώ -1.cm -1, μ = 23 cm 2 /V.s ve n = 1x10 18 cm -3 olarak bulunmuştur. (Studenikin S.A., Golego N., ve ark., 1998) ZnO filmler, optiksel pompalanan lazerlerin aktif tabakaları olarak kullanılarak geçirgenlik, yansıma, fotolüminisans, direk ve alternatif fotoakım gibi optik ve fotoelektrik tekniklerle dikkatli olarak incelenmişlerdir. Filmlerin homojenliği bulk yapıya ve yüzey özelliklerine göre değerlendirilmişlerdir. En (A,B) düşük katkısız eksiton pikinin E x tayfsal konumu 295 K de ( 3, ,002 ) ev olarak tanımlanmıştır. 0.5 μm civarında oldukça küçük bir film kalınlığına sahip olmasına rağmen, ürünlerin bant kenarlarında optik özelliklerin gerilime neden olan değişimlerinin ortaya çıkmadığı gözlenmiştir. Derin seviye oda sıcaklığındaki fotoakım için bulunmuş ve eksitonik özelliklerin soğurma çizgileri olarak ortaya çıktığı gözlenmiştir. Diğer taraftan eksitonik fotoakım pikleri düşük sıcaklıklarda gözlenmiştir. Bununla birlikte iletim mekanizması yine de kusurlara bağlı kalmıştır. (Ullrich B., Qiu X.G., ve ark., 1999) Püskürtme yöntemiyle hazırlanan ZnO filmler üzerinde yavaş fotoiletkenlik geçişleri etraflı olarak çalışılmıştır. Yüzey yük kontrollü film iletkenliği, kısa bir süre için içerisinde hidrojen gazı (H 2 ) ve oksijen gazı (O 2 ) bulunan bir ortamda tavlanarak kullanılan filmlerin iletkenlik değerinin bir çok durumu için tersinir değişken iletkenlik olası olduğu ve ışınım altında üretilen filmlerin iletkenliğinin büyüklüğünün karanlık iletkenliğe bağlı olarak çeşitli durumlara bağlı olarak artabileceği belirtilmiştir. Fotoiletkenlik durulmasının zıt yöntemi yüzeyde oksijenin bulunduğu durumlar için elektron tünelleme mekanizması ile tanımlanacağı 5

18 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR söylenmiştir. Bu çalışmada üretilen filmler hidrojen ortamında C aralığında tavlama işlemine maruz bırakılmış ve bunun sonucunda iletkenliğin ( Ω.cm ) -1 aralığında, mobilitenin (cm 2 /V.s ) aralığında, konsantrasyonun da 0.15x x10 18 cm -3 aralığında sıcaklık arttırıldıkça arttıkları gözlenmiştir. ( Studenikin S.A., Golego N., ve ark., 1999 ) Dengelenmemiş magnetron söktürme yöntemiyle hazırlanmış ZnO ince filmlerde, hızlı fotoyanıt etkileri gözlenmiştir. Oluşturulan filmlerin gözenekli yapıda ve (100), (002) ve (101) kristal yönelimine sahip oldukları tespit edilmiştir. Bu özellikler fotoyanıtın iyi bir doğrusallıkta ve minimal zaman etkilerine sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Düşük şiddette ( 9.5 mv/cm 2, λ = 365 nm ) hızın yükseliş zamanının 792 ms ve düşüş zamanının 805 ms olduğu gözlenmiştir. Ayrıca bu çalışmada değişik yönelimlere sahip ZnO filmler (bu filmlerden bir tanesi ( 100 ) ve ( 002 ), ikincisi de ( 100 ), ( 002 ) ve ( 101 ) yönelimlerine sahiptir ) için fotoakımdaki değişimin UV ışık şiddetindeki değişime bağlı olarak grafiği çizilmiş ve bu değişimin yaklaşık olarak lineer oldukları gözlenmiştir. ( Sharma P., Mansingh A., ve ark., 2001 ) Bu çalışmada nitrat tuzları içeren sulu çözeltinin püskürtülmesiyle ZnO filmler hazırlanmış ve bu filmlerin yeşil ve mavi lümünisans ölçümlerine bakılmış, yeşil ve mavi lüminisansların bağıl şiddetlerinin uyarma rejimine bağlı olduğu gösterilmiştir. Zaman kararlı (resolved) ve kararlı durum lüminisansı fotoiletkenlik geçişleri boyunca çalışılmıştır. Uyarım atmasının şiddetine bağlı olarak atmalı uyarılan lüminisans yeşil ya da mavi olurken, uyarıların devamlılığında filmden yeşil ışık yayıldığı gözlenmiştir. Mavi olanın şiddetinin bileşeni atma şiddetine lineer bağımlı olduğu, yeşilin şiddetinin ise kuvvet kanununa bağlı olarak üssel (α= 1/3) bir değişim gösterdiği tespit edilmiştir. Oda sıcaklığında geçici lüminisans, hızlı (nano saniyenin altında) ve yavaş (mikro saniye) bozunma bileşenleri içerdiği görülmüş. Hızlı bileşen ara bant eksiton yeniden birleşimi (rekombinasyon ), yavaş bileşen ise içerisinde çinko ve oksijen boşlukları olan donor-akseptör içeren elektron-deşik yeniden birleşimi olarak nitelenmiştir. Bu modelde kompleks hareket ettirildiği zaman sadece ışık yayar. Hareket ettirilen kompleksin yoğunluğu, fermi enerji seviyesinin yerine, tüketme tabakasının kalınlığına ve de bükümüne bağlıdır. 6

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR Devamlı uyarılarak üretilen yeşil fotolüminisansın şiddeti yüksek olacak biçimde seçilmiştir. Film 190 C de depolanmış ve daha sonra içerisinde %5 hidrojen gazı, %95 azot gazı bulunan ortamda 750 C de tavlanmıştır. Daha sonra bu işleme tabi tutulan filmlerin Hall etkilerine (Hall Effect) bakılmıştır. Yine bu çalışmada farklı yöntemlerle (YAG atmalı lazer, elektron demeti ve püskürtme yöntemi ) üretilmiş ZnO filmlerin lüminisans şiddetinin dalga boyuna göre değişimi grafik olarak çizilmiş ve bu yöntemler arasında karşılaştırma yapılmıştır. YAG atmalı lazer yöntemiyle üretimde farklı atma şiddetleri için ZnO üretilmiş ve fotolüminisans şiddetinin dalga boyuna göre değişimi incelenmiştir. Ayrıca fotoiletkenliğin zamana göre değişimi çizilmiş ve burada karanlık iletkenliğin σ dark = 0.4 Ω -1 cm -1 olarak bulunmuştur. (Studenikin S.A., Cocivera M., 2002) Bu çalışmada elektron demeti ile buharlaştırma tekniğiyle safir alt taban üzerine üretilmiş c yönelimli ZnO ince film tavlanarak, tavlama işleminin elektrik ve optik özellikleri nasıl değiştirdiği incelenmiştir. Katkılanmamış ve hava ortamında tavlanmış ZnO in görünür bölgede renksiz ve şeffaf olduğu, ayrıca yine bu bölgede keskin ultraviyole (mor ötesi) soğurma şiddetine sahip olduğu görülmüştür. Tavlanan filmlerin yasak enerji bant aralığının tavlama sıcaklığına bağlı olarak 3.27 ile 3.30 ev aralığında değiştiği gözlenmiştir. Karanlık iletkenliğin yüksek değeri fotoiletkenlik ölçümlerini güçleştirdiği için tavlama işlemine tabi tutulmamış katkılanmamış ZnO için fotoiletkenlik ölçülememiştir. ZnO ince filmin tavlanması karanlık iletkenliğin değerini azaltır. Bunun sonucu olarak karanlık iletkenliğe katkıda bulunacak kusurların sayısı azalır. Bu fotoiletkenliğin kayıt edilmesine izin verir. UV fotoiletkenlikte 800 C de üç saat tavlanmış ZnO film için anlamlı bir yükseliş ve elektriksel direnç büyük olduğu zaman (ρ = 36 Ω.cm ) 3.35 ev civarında bir pik gözlenmiştir. Elde edilen sonuçların geçirgenlik spektroskopisinin verileriyle uyumlu olduğu görülmüştür. (Aghamalyan N.R., Gambaryan I.A., ve ark., 2003 ) Buhar Fazı ile üretilen ZnO ürünler hidrojen ve/veya döteryum plazma ile tedirgin edilerek bu ürünlerin fotoiletkenlik ve kızıl ötesi soğurma spektroskopileri çalışılmıştır. Değerleri 180, 240 ve 310 cm -1 olan üç batta, hidrojen ile tedirgin edilmiş ZnO in fotoiletkenlik tayfları gözlenmiştir. Bunlar bağımsız üç hidrojen bağlı sığ donorün elektronik geçişi için saptanmışlardır. Önceden hidrojen bağ 7

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Latife Nükhet ÖZBAYRAKTAR merkezi ile bağlı H-I iki elektronik taşınım IR soğurma tayfıyla 1430 ve 1480 cm -1 bulunmuştur. Fotoiletkenlik tayfı dip kısmı 350 C de on dokuz saat süreyle hidrojen ve döteryum plazma ile tedirgin edilen ZnO daha sonra 430 ve 800 C lerde tavlamış ve tavlanan bu ürünlerin direnç değerleri ölçülmüştür. Ölçülen bu direnç değerlerinin hiçbir işlem uygulanmadan önceki değerine ulaşmamakla birlikte tavlamanın etkisiyle yükseldiği gözlenmiştir. ( Lavrov E.V., Börrnert F., ve ark, 2005) ZnO ince film oda sıcaklığında atmalı filtreli katodik vakum ark yöntemiyle cam alt taban üzerine depolanmıştır. X-ışın kırınımı yardımıyla filmlerin kristalografiık yapıları ve kristal büyüklüğü çalışılmıştır. Ölçümler bütün kristallerin wurtzite formunda olduğunu ve yönelimlerinin (002) yönünde olduğunu göstermiştir. Taneceik büyüklüğünün nm olduğu tahmin edilmektedir. Tavlamanın etkisiyle kristal büyüklüklerinin arttığı ve X-ışını desenlerinin de keskinlik kazandığı gözlenmiştir. ZnO nun optik özellikleri UV-görünür spektrometre kullanılarak çalışılmış ve hesaplamalar zarf metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Tavlamanın etkisiyle filmlerin kırılma indisi azalırken soğurma katsayısı ve optiksel bant aralığının arttığı görülmüştür. Atmalı filtreli katodik vakum ark yöntemi ile cam alt taban üzerine depolanan ZnO ince filmler için en iyi tavlama sıcaklığının 600 C olduğu görülmüştür. Bu sıcaklık cam alt tabanın özelliklerinden dolayı, cam alt tabanlar için ölçülebilen en yüksek sıcaklıktır. (Şenadım E., Kavak H., ve ark., 2006) 8

21 3.MATERYAL METOD 3.1.Atmalı Plazma ve Filtreli Katodik Vakum Ark Yöntemi İnce filmlerin depolanmasında birçok yöntem mevcuttur. Bu yöntemleri aşağıdaki gibi üç ana başlık altında toplayabiliriz. 1-Sıvı Faz kimyasal işlemler 2-Fiziksel işlemler 3-Fiziksel ve kimyasal işlemler Genel olarak üç bölüm halinde inceleyebildiğimiz ince film depolama yöntemleri kendi içerlerinde birçok yöntemi barındırırlar. Fiziksel işlemler grubuna giren ince film depolama yöntemlerine örnek olarak Vakum Buharlaştırma (Klasik vakum buharlaştırma, Elektron demetiyle buharlaştırma) ve MBE (Moleculer Beam Epitaxy) yöntemlerini, sıvı faz kimyasal işlemler grubuna kimyasal depolama yöntemini, fiziksel ve kimyasal grubuna ise söktürme yöntemlerini (dc, rf, magnetron söktürme, reaktif söktürme, iyon yayıcı söktürme), katodik ark depolama yöntemini (atmalı katodik vakum ark ve dc katodik vakum ark) ve anodik vacuum ark yöntemlerini örnek verebiliriz. Görüldüğü gibi katodik vakum ark tekniği üçüncü grup olan fiziksel ve kimyasal işlemler grubuna dahil olmaktadır. Vakum ark depolama tekniğinin genel olarak geçmişine baktığımızda bu teknikle ilgili ilk dokümanlara 19. yy da rastlandığını görürüz. Rastlanan bu kayıtlardan vakum ark depolama tekniğinin cam boşaltma tüplerinin duvarlarına metal film depolamak için kullanıldığı anlaşılmıştır. (Wright, A.W., 1877) 1884 yılında Thomas Edison vakumda elektrik ark kullanarak elektriksel iletken bir materyalle kaplama yöntemi için patent talebinde bulunmuştur. Edison bu yöntemi fonografik wax (bal mumu) silindirler üzerine iletken bir tabaka depolamak için kullanmıştır. (Edison, T.A., 1884) 1960 larda Kikuchi Vakum Ark Buharlaştırma Yöntemiyle Üretilen Metal Filmlerin Yapısı isimli bir çalışma yayınlayıncaya kadar vakum ark ile ilgili çalışmalar kesik kesik devam etmiştir. Bu çalışmadan sonra 9

22 vakum ark üzerine yapılan çalışmalar birden hız kazanmış ve günümüze kadar devam etmiştir. Günümüzde de gerek vakum ark depolama sistemleri ile ilgili araştırmalar gerekse bu sistemler ile üretilen ürünler ile ilgili araştırmalar devam etmektedir. Katodik Vakum Ark depolama tekniği ince film depolama yöntemleri içinde, plazma yardımlı işlemlerden oluşan fiziksel buhar depolama (PVD) tekniğidir. Plazma depolama işlemi diğer iyonla kaplama işlemlerine göre daha yüksek iyonlaşma ve parçacık enerjisine sahiptir. Bu işlem değişik metallerin, bileşik filmlerin ve diğer alaşım filmlerin farklı aşınma direnci, korozyon direnci ve dekoratif uygulamalar için kullanılır. Plazma ark işlemi sırasında, ark spotu katodu aşındırarak yüksek dereceli iyonlaşmaya sahip plazmayı üretir. Yüksek iyon yoğunluğu; film morfolojisinin kontrolü, yüksek tutunma, bileşiklerin etkin reaktif depolanmasını ve değişik yapılarda da düzgün depolanma olmasını sağlar. Alaşımların bileşimleri genelde kaynaktan alt tabakaya taşınır. Depolama oranları dakikada nanometreden mikrometreye kadar değişen geniş bir alanı kapsar. Katodik arklar şu önemli karakteristiklere sahiptir. 1) Plazma, katot yüzeyinde hızlı ve gelişigüzel hareket eden ark spotuyla üretilir. 2) Plazma katot materyalinden elde edilir. 3) Katot yüzeyinden aşındırılan materyalin büyük bir kısmı (%10-100) iyonlardan oluşur 4) İyonların büyük bir yüzdesi çoklu yük durumundadır (+2,+3 gibi) 5) İyonların ortalama kinetik enerjisi yüksektir ( ev) Bu fiziksel karakteristikler, filmler ve kaplamaların depolanmasında aşağıdaki özellikleri sağlar. 1) Film morfolojisi üzerinde mükemmel kontrol 2) Düşük alt tabaka sıcaklıkları 10

23 3) Yüksek film yoğunluğu 4) Bileşik filmlerin etkin sentezi 5) Yüksek film tutunması 6) Düzlemsel olmayan yüzeylerde de mükemmel kaplama düzgünlüğü 7) Alaşım bileşenlerinin kaynaktan alt tabakaya taşınması Plazma, elektriksel olarak nötral olan ve rasgele doğrultularda birlikte hareket eden hemen hemen eşit yoğunluktaki pozitif ve negatif parçacıklar topluluğudur. Atmalı plazma sisteminde bu ortam bir defaya mahsus yüksek derecede gerilim (yaklaşık 24000V) daha sonra da sabit bir gerilim (yaklaşık 600V) uygulanarak sağlanmaktadır. Uygulanan V luk gerilim ile katottan üretilen materyalle bir ark spotu oluşturulur. Oluşan ark spotu katodu aşındırarak plazmayı oluşturur. Oluşan plazma polarize olur ve anottan katoda doğru ilerleyerek alt tabanın üzerine düşer ve böylece film depolanmış olur. Katodik vakum ark depolama sistemi, güç kaynağının tanımlanmasına bağlı olarak sürekli ark kaynakları (DC katodik vakum ark) ve atmalı ark kaynakları (Atmalı katodik vakum ark) olmak üzere iki grupta toplanabilir. DC katodik vakum ark depolama yöntemi geniş yüzeylerin kaplanmasına olanak verirken kalınlık kontrolünü sağlama atmalı katodik vakum ark tekniğine göre daha zordur. Atmalı ark kaynakları ise depolama üzerinde iyi kontrol sağlayan ve böylece metalik ince film ve monolayer seviyelerine kadar uzanan kalınlık bölgesinde üretime izin veren tetikleme sistemidir. DC katodik vakum ark yöntemine göre dezavantajı daha küçük alanları kaplar. Katodik vakum ark depolama tekniğinin tek dezavantajı makro parçacık üretimidir. Bunlar ise manyetik indüklenen katot spot hareketiyle, katot akım yoğunluğu ve katot yüzey sıcaklığı azaltılarak ve reaktif gaz eklenmesiyle azaltılabilir. Ayrıca plazmadaki makro parçacık miktarını azaltmak için filtreler kullanılmaktadır. Makro parçacık filtreler kapalı ve açık olmak üzere ikiye ayrılır ve 19 türü vardır. Filtreler ile ilgili çalışmalar hala devam etmektedir. Bu konuyla ilgili en son çalışma geliştirilmiş çift belli filtredir. Yapılan çalışmalarda geliştirilmiş çift belli filtre kullanıldığında depolanan filmdeki makro parçacık oranının en aza indiği 11

24 görülmüştür. Aşağıdaki şekilde tek eğimli bir filtre kullanıldığında, çift belli bir filtre kullanıldığında ve geliştirilmiş çift belli filtre kullanıldığında depolanan filmdeki makro parçacık miktarı arasındaki fark açık bir şekilde görülmektedir. (a) (b) (c) Şekil 3.1. PFCVAD siteminde kullanılan filtre türlerine göre oluşan filmlerdeki makro parçacık miktarı. (a) Geleneksel filtre kullanılarak, (b) çift belli filtre kullanılarak, (c) geliştirilmiş çift belli filtre kullanılarak üretilen aynı malzemeden üretilmiş ince filmlerde bulunan makro parçacık miktarları (NTI, 2000) Filtre kullanımı makro parçacıkların sayısını azaltırken depolama oranını düşürür. Depolama oranını arttırmanın iki yolu vardır. 1) Atma akımını arttırmak 2) Ark akımını arttırmak (Bilek, M, 2003) Bu iki yöntem uygulanarak depolama oranları arttırılabilir ZnO İnce Film Üretiminde Kullanılan PFCVAD Sistemin Yapısı ve Sistemi Oluşturan Elemanlar Şekil 3.2. de ZnO üretiminde kullanılan PFCAVD sistemi şematik olarak gösterilmiştir. Sistemi oluşturan elemanlar ve özellikleri konunun devamında tanıtılmıştır. Şeklin üzerindeki rakamlar sistemi oluşturan elemanın hangi bölümde anlatıldığını göstermektedir. 12

25 : Şekil 3.2. PFCVAD sisteminin şematik gösterimi Reaksiyon Odacığı Şekil.3.3. Reaksiyon Odacığı Reaksiyon odacığı manyetik alan girişine izin veren 304 paslanmaz çelikten yapılmıştır. Yarıçapı 24.3 cm, boyu 38.5 cm dir. 1 Thermo couple gauge, 1 ion gauge, 1 gözlem penceresi, gaz akış kontrol ve kalınlık ölçme, 1 valf ve alt taban tutucu girişleri bulunmaktadır. Vakuma alındığında basınç 1.3 x 10-8 Torr a kadar düşebilmektedir. 13

26 3.2.2.Turbomoleküler Pompa Sistemi Şekil 3.4. Turbomoleküler pompa sistem Vakum pompası aşağıdaki özelliklere sahiptir. Sahip olduğu bu özellikler sayesinde reaksiyon odacığının havası boşaltılıp vakum ortamı oluşturulabilmektedir. Boşaltılma işlemi sonucunda taban basıncı 1.3 x 10-8 Torr a kadar düşürülebilmektedir. Dönme hızı dakikada devir Taban basıncı <1x Torr Pompalama Hızı N 2 =550 l/s He=600 l/s H 2 = 510 l/s Sıkıştırma Oranı N 2 : >1x10 9 He: 1x 10 7 H 2 : 1x

27 3.2.3.Atmalı Plazma Ark Kaynağı (a) (b) (c) Şekil 3.5. (a) Filtrenin kendisi, (b)atmalı Plazma Ark Kaynağı, (c) Şematik gösterimi Atmalı tetiklemeyle 0.1 monolayer hassaslığında kalınlık kontrolü yapılabilmektedir. Bu kontrol çok ince filmlerin üretilebilmesine olanak sağlar. Şekil 3.5 de plazma tabancasının şekli görülmektedir. ZnO ince film depolamada kullanılan plazma tabancasının özellikleri aşağıda açıklanmıştır. 1) Katot çıkışı : Çıkış gerilimi plazma tabancasının katoduyla bağlantılıdır. Çıkış kablosu 15 kv ta sınırlıdır. Kaynak materyalde atma deşarjı 750 volt, 650 A ve 600 µs dir. 2) Tetikleyici çıkışı : Plazma tabancasının tetikleyicisiyle bağlantılıdır. Çıkış kablosu 25 kv ta sınırlıdır. Tetikleyici devrede atma deşarjı 24 kv, 150 ma ve 70 µs dir. 3) Anot çıkışı : Çıkış gerilimi plazma tabancasının anoduyla bağlantılıdır. 15

28 3.2.4.Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi Şekil 3.6. Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi Gaz akış-basınç kontrol sistemi gaz akışının ve basınç kontrolünü sağlar. 4 akış ve 1 basınç kanalı bulunmaktadır. Bu sistem sayesinde reaksiyon odacığına giren gaz miktarını ayarlayabilme olanağına sahip oluyoruz. Dolayısıyla reaksiyon odacığının sahip olacağı basıncı da ayarlayabiliyoruz Oksijen Tüpü Şekil 3.7. Film üretiminde kullanılan O 2 tüpü ve Gaz Vanası Oksijen tüpünden reaksiyon odacığına oksijen gazı göndererek hem film üretimi için gerekli basıncı hem de ZnO (çinko oksit) ince film üretmek için ortamda gerekli oksijeni sağlamış oluyoruz. 16

29 3.2.6.Katot ve Alt Tabaka Bizim sistemimizde katot olarak %99,99 saflıkta Zn (çinko) tel kullanılmıştır. Zn tel istenilen uzunlukta kesilip katot tutucuya yerleştirilir. Alt taban olarak da cam kullanılmıştır. ZnO ince film cam alt taban üzerine depolanmıştır ZnO İnce Filmin Üretilmesi İlk olarak üzerine film depolanacak olan cam alt taban temizleme işleminden geçirilir. Cam önce yıkanarak temizlenir; daha sonra yıkama asitinin içerisinde bir süre bekletilir. Bekleme işleminden sonra saf suyla üzerindeki asitten arındırılır. Son olarak da ilk önce metanolle doldurulmuş behere sonrasında 2-propanolle doldurulmuş behere daldırılıp çıkarıldıktan sonra kuruma işlemine tabi tutulur. İkinci olarak içerisi daha önceden metanol ile temizlenmiş olan reaksiyon odacığının içerisinde bulunan katot tutucuya istenilen uzunlukta çinko tel yerleştirilir. Sonrasında katot filtrenin girişinde bulunan anota doğru yerleştirilir.temizlenmiş olan cam alt taban da alt taban tutucuya yerleştirildikten sonra alt taban tutucunun filtrenin tam alt kısmına ortalanarak yerleştirilir. Bütün bu işlemler tamamlandıktan sonra reaksiyon odacığının kapağı kapatılır. Reaksiyon odacığının üzerinde bulunan valfin kapalı olduğundan emin olunduktan sonra vakum pompası çalıştırılır. Odacığın içerisindeki basınç 1x10-3 Torr seviyesine kadar termo couple gauge den gözlenebilir. Bu değerden daha düşük basınçları iyon gauge den gözlemlenir. Sistem taban basıncına ulaştıktan sonra ortama oksijen gazı verilerek basınç yükseltilir. Basınç 10-4 Torr seviyelerine geldiğinde istediğimiz değeri içeri giren gaz miktarını değiştirerek ayarlanır. Basınç ayarını yaptıktan sonra iki atma arasındaki süreyi belirlediğimiz atmalı plazma ark kaynağının düğmesini yukarı kaldırarak katoda gerilim uygulanmasını sağlanır. Uygulanan ilk gerilimin değeri V tur. Bu gerilim katodu aşındırarak ark spotunun oluşmasını sağlar. Bu gerilim ile oluşan ark spotu daha sonra uygulanan 600 V luk gerilim ile katodu aşındırarak plazmanın oluşmasına neden olur. Oluşan plazma katot ile anot arasında 17

30 polarize olur. Böylece katottan anota doğru hareket edebilir. Plazma, filtrenin etrafına sarılı olan tellerden kaynaklanan manyetik alan ile saptırılarak içerisinde bulunan makro parçacıkların filtrenin içerisinde kalması sağlanır. Filtreden geçen plazma filtrenin alt kısmına yerleştirilmiş cam alt taban üzerine düşer. Böylece ZnO ince film depolanmış olur ZnO nun Genel Özellikleri ZnO ince filmler, geniş eksiton bağlanma enerjisi ve geniş band aralığına sahip olduğundan dolayı yüksek frekanslı yüzey aygıtları, UV dedektör, LD ler, LED ler gibi optiksel aygıtlar için kullanılabilen çok geniş uygulama alanlarına sahip ince filmlerdir. ZnO ince filmler görünür bölgede yüksek geçirgenlik ve yüksek elektriksel iletkenlik değerine sahip saydam iletken oksit filmlerdir. Sahip olduğu özelliklerden dolayı ZnO ince filmler çalışıldığı ilk günden bu yana bir çok ince film depolama yöntemiyle üretilmiş ve üretilen bu filmlerin elektriksel, optik ve yapısal özellikleri incelenmiştir. Günümüzde de ZnO ile ilgili çalışmalar devam etmektedir. Günümüze kadar üretilen ZnO ince filmlerin çoğu safir (Al 2 O 3 ) üzerine depolanmıştır; fakat ZnO ince film ve safir alt taban arasında %18 lik geniş bir örgü uyumsuzluğu mevcuttur. Bu örgü uyumsuzluğundan dolayı ZnO ince filmler Si, GaN gibi diğer alt tabanlar üzerine de depolanmışlardır. ZnO ince film ile GaN alt taban arasındaki örgü uyumsuzluğu sadece % 1.8 dir. Bu değer ZnO ile Al 2 O 3 arasındaki uyumsuzluk değerinden oldukça küçüktür. Çizelge 3.1. de farklı alt tabanlar için bu alt tabanlar ile ZnO ince filmler arasındaki örgü uyumsuzluğu gösterilmiştir. 18

31 Çizelge 3.1. Bazı yarı iletken materyallerin örgü uyumsuzlukları ve kristal sabitleri (Fons, 1999) ZnO ince filmler kendi doğalarından dolayı n-tipi yapıya sahiplerdir. P-tipi ZnO ince film elde etmek için n-tipi ZnO ince filmleri katkılamak gerekir. P-tipi ZnO ince filmler elektriksel aygıtlar için yapılan uygulamalar açısından oldukça önem taşımaktadırlar. Güvenilir bir p-tipi ZnO ince filmin üretilmesi ZnO optoelektronik aygıtların gelişimini oldukça hızlandıracaktır. Çizelge 3.2 de ZnO ince film için çeşitli parametrelerin aldıkları değerler gösterilmektedir. Çizelge 3.2. ZnO in sahip olduğu bazı değerler Özellik Değer 300 K deki örgü parametreleri a 0 c 0 a 0 /c nm nm (hegzagonal yapı için ideal olanı 1.633) Yoğunluk g/cm 3 Erime Noktası 1975 o C Termal iletkenliği 0.6, Statik Dielektrik sabiti Kırılma indisi 2.37 Enerji-Bant aralığı 3.3 ev Özdirenç Ωcm Kristal Wurtzite 19

32 Yukarıdaki tabloda görülen değerler depolama yöntemlerinin farklılığına ve depolama şartlarına göre çok küçük değişimler gösterebilir ZnO nun Yapısal Özellikleri Şekil 3.8. ZnO nun kristal yapılarının gösterimleri (a)kaya tuzu, (b) Zinc Blende, (c)wurtzite (Jaffee, 1993) II-IV bileşiklerinin çoğu ya kübik ya zinc blende ya da hekzagonal wurtzite yapısına sahiptir. ZnO te II-IV grubuna ait bileşik bir yarıiletkendir. Sınırdaki iyonizitesi kovalent ve iyonik yarıiletkenler arasındadır. ZnO in kristal yapısı Şekil 3.8 de gösterildiği gibi kaya tuzu, zincblende veya wurtzite yapıda olabilir. Jaffee ve Hess tarafından atomik orbitaller teorisinin periyodik Hartree-Fock lineer kombinasyonu kullanılarak ZnO in farklı yapıları için taban durum toplam enerjisinin hesaplanmasından wurtzite yapının en termodinamiksel kararlı fazda görüldüğü saptanmıştır Örgü Parametreleri Örgü Parametreleri, özellikle bir yarıiletken aygıt geliştirileceğinde, göz önünde bulundurulması gereken çok önemli parametrelerdir. Yarıiletkenlerin örgü parametrelerini tanımlayan dört ana faktör vardır. İlk faktör iletim bandının en alt kısmında elektronlarla doldurulmuş bölgenin potansiyelini etkileyen serbest elektron konsantrasyonudur. İkinci faktör, safsızlıkların ve kusurların konsantrasyonu, bu kusurlar ve safsızlıkların ve bunların yerlerine geçmiş olan matris iyonlarının 20

33 yarıçapları arasındaki farktır. Üçüncü faktör ise yüzey gerilimidir. Son faktör ise yarıiletkenlerin sıcaklık bağımlılığıdır. Çizelge 3.3 de wurtzite yapıdaki ZnO nun bazı örgü sabitleri gösterilmektedir. Çizelge 3.3. ZnO nun ölçülen ve hesaplanan örgü sabitleri ve u örgü parametresi (Rössler, 1969) Elektronik Bant Yapısı Bir yarıiletkenin bant yapısını bilmek, o yarıiletken elektronik aygıtlara uygulandığında elektronik aygıtın performansını analiz etmek açısından önemlidir. Farklı kristal yapıya sahip ZnO in bant yapısını hesaplamakta kullanılan farklı karmaşıklık derecelerine sahip birçok teorik model vardır. Normalde elektronik kor seviyelerini ölçmek için X ışını, UV soğurma, yansıma ve emisyon teknikleri kullanılır. Bu araştırma alanında yaygın olarak kullanılan fotoelektron spektroskopisi (PES), açı çözümlemeli fotoelektron spektroskopisi gibi diğer tekniklerde mevcuttur. ZnO e ait kor elektron enerji seviyelerinin deneysel verileri Langer ve Vesely tarafından açıklanmıştır. Deneylerinde fotoemisyon spektroskopisine neden olan X ışınları kullanmışlardır. Bu çalışmadan çıkan iki ana sonuçtan ilki ZnO in 3d seviyesine Zn atomunun yerleştiği açık olarak saptanmıştır. İkincisi ise açısal momentum bağımlılığının bulunmasıdır. 3d seviyesindeki Zn atomuyla ilgili birçok deney yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda seviyenin bazı türlerinde nicel uyuşmazlıklar olduğu ve Zn 3d durumunun yerleşimininin kesin olarak önceden söylenemeyeceği ifade edilmiştir. 21

34 Mekaniksel Özellikler Mekaniksel özellikler yarıiletkenin piezoelektrik, bulk modülü gibi özellikleriyle ilişkili olması açısından çok büyük önem taşır. Hekzagonal kristaller için C 11, C 33, C 12, C 13, C 14 olmak üzere beş bağımsız elastik sabiti vardır. Düşük simetrili ZnO wurtzite yapı kendiliğinden var olan polarizasyona neden olur. Fakat ferroelektrik olmayan materyallerde bu kendiliğinden olan polarizasyon değerlerini ölçmek oldukça zordur. Geleneksel yaklaşım kullanılarak oluşturulan bazı deneyler vardır. Bu deneylerde aynı materyalin düşük ve yüksek simetrili yapıları için kendiliğinden olan polarizasyon değerleri belirlenir ve birbirleriyle karşılaştırılır. Tipik sertlik ölçümleri üçgen veya küresel şekil gibi kesin şekillere sahip olan geleneksel elmas uç tip kullanılarak yapılır. Materyalin sertliği ile ilgili bilgiler derinliğe duyarlı girinti ölçümlerinden elde edilebilir. ZnO bulk materyal için deneysel ve teorik sonuçlar arasında iyi bir uyum gözlenmektedir. Teoriden hesaplamalar sonucu olması beklenen elastik sabitler wurtzite yapıdaki ZnO in gerçek verileriyle oldukça tutarlı olduğu görülmüştür Termal Özellikler Sıcaklığın değişimi yarıiletkenlerin örgü parametrelerini etkiler. α c ve α c oranları ile açıklanan termal yayılım katsayısı (TEC), örgü parametreleri α ve c nin nicel sıcaklık bağımlılığı kullanılarak belirlenebilir. Materyalin sahip olduğu stokiyometri, kusurlar ve serbest taşıyıcı konsantrasyonu TEC yi etkiler. X ışın güç kırınımı kullanılarak ZnO in örgü parametrelerinin sıcaklık bağımlılığı Reeber tarafından ölçülmüştür. Sonuçlar Şekil 3.9 de gösterilmektedir. 22

35 Şekil 3.9. Sıcaklığın fonksiyonu olarak wurtzite yapıdaki ZnO nun örgü parametreleri (Reeber, 1970) Termal İletkenlik Termal iletkenlik titreşim, dönme ve serbestlik elektronik derecesi ile belirlenir. Materyaller yüksek güçte, yüksek sıcaklıkta veya optoelektronik aygıtlarda kullanıldığında bu özellik gerçekten büyük önem taşır. Hafif taşıyıcı konsantrasyonuna sahip yarıiletkenlerde elektronik termal iletkenliği ihmal edilebilecek kadar küçük olur. Yüksek derecede saflığa sahip olan yarıiletken materyallerde idealde fonon-fonon saçılması debye sıcaklığından daha yüksek sıcaklıklarda T -1 ile orantılıdır. ZnO teki nokta kusurları ZnO materyalinin termal iletkenliğini etkiler. Tamamen katılaştırılmış (sinter) ZnO nun termal iletkenliği oda sıcaklığından 100 º C ye kadar ölçülmüş ve baskın saçılma mekanizmasının dirençli fonon- fonon etkileşimi olduğu gözlenmiştir. (D.I. Florescu, D.G. Mourokh ve ark., 2002) 23

36 Şekil Tamamen katılaştırılmış ZnO nun oda sıcaklığından C ye kadar ısıtıldığında termal iletkenliğindeki değişim (Flourescu, 2002) Elektriksel Özellikleri Geniş band aralığı ( yaklaşık olarak 60meV) ile direkt ve geniş bant aralığına sahip ZnO yarıiletken ince filmler elektronik ve optik aygıtlar için iyi adaylardır. Geniş bant aralığına sahip bir materyal kullanılarak üretilen aygıtlar yüksek kırılma voltajına, düşük gürültüye sahip olurlar. Ayrıca bu aygıtlar yüksek sıcaklıklarda ve yüksek güçlerde çalıştırılabilirler. Yarıiletkendeki elektron geçiş performansları düşük ve yüksek elektrik alanda farklılıklar gösterir. Düşük elektriksel alanda, ZnO in sahip olduğu elektronların enerji dağılımı fazla değişime uğramaz. Çünkü elektronlar uygulanan elektrik alandan fazla enerji alamazlar. Bu nedenle elektron mobiliteleri sabit olacaktır. Saçılma oranı, elektron mobilitesi ile belirlendiğinden, fazla değişime uğramayacaktır. Yüksek elektrik alanda, uygulanan elektrik alandan dolayı elektronların enerjileri kendi termal enerjileriyle karşılaştırılabilir. Elektron dağılım fonksiyonu dengede sahip olduğu değerden daha uzak bir değere doğru sapacaktır. Bu elektronlar örgü sıcaklığından daha yüksek sıcaklığa sahip sıcak elektronlar 24

37 olmaktadır. Elektron sürüklenme hızları kararlı durumda sahip oldukları sürüklenme hızından büyüktür. Bu nedenle yüksek frekansa sahip aygıtlar yapmak olasıdır ZnO in Katkılanması n-tipi Katkılama Genellikle katkılanmamış ZnO sahip olduğu doğal kusurlardan dolayı n-tip özellik gösterir. Bir açıklamaya göre saf Zn enerjileri 30~50 mev olan baskın sığ vericilere sahiptir. Diğer bir varsayım da baskın donorların iyonizasyon enerjisi 30 mev olan hidrojenden geldiğidir. Bu öneri ZnO in üretildiği hemen hemen bütün üretim tekniklerinde hidrojen bulunduğu varsayımı üzerine kurulmuştur. Bu nedenle ZnO ince film içerisine hidrojen girmesi olasıdır. N-tip ZnO Al, Ga ve In metallerle katkılandığında yüksek iletkenliğe ulaşabilir. Düşük özdirençli ZnO ince filmler geçirgen omik kontaklar olarak kullanılabilirler p-tipi Katkılama Düşük enerjili doğal kusurlarından dolayı p-tipi ZnO üretmek zordur. Li, Cu, Ag ve Zn ZnO da akseptörün olası adaylarıdır. Fakat bu elementler normalden derin akseptör seviyeleri oluştururlar; dolayısıyla iletime çok fazla katkıları olmaz. P-tip ZnO üretmek için iki olası yol vardır. Birinci yol Li, Na, K gibi birinci grup elementlerini Zn kenarlarının içerisinde kullanmak, diğer yol ise N, P, As gibi beşinci grup elementlerini O kenarlarının içerisinde kullanmak. I. Grup sığ akseptör seviyelerine ulaşmada IV. Gruptan daha iyi olabilir. I. Grup metalleri için geniş bağ uzunlukları gözlenirken, bu metaller filmde boşluklar gibi doğal kusurlar oluştururlar. Bu boşluklar katkılama etkisini azaltır. Bu nedenle bu metallerle p-tipi ZnO üretmek zordur. N hariç IV. Grup elementlerinin çoğu benzer sebeplerden dolayı p-tipi ZnO üretmek için iyi birer aday değillerdir. Bu nedenle N p-tipi katkılama için en iyi aday olabilir.( Kobayashi A., Sankey O.F ve ark, 1983) Çizelge 3.4. de bazı bağ uzunluk verileri gösterilmektedir. 25

38 Çizelge 3.4. Hesaplanan yakın komşu bağ uzunluğu, safsızlıkların yerine geçmiş negatif yüklerin kusur enerji seviyeleri ve akseptörlerin yerine geçilmesinden ötürü pozitif yüklenmiş AX merkezinin oluşması için gerekli olan enerji (Kanai, 1991) 3.5. Yarıiletkenlerde Elektron-Deşik Yeniden Birleşimi ve Fotoiletkenlik Direkt Olmayan Yeniden Birleşim Kinetikleri Bu bölümde direkt olmayan yasak enerji bant aralığına sahip p-tipi bir yarıiletkende azınlık taşıyıcıların (elektronların) yeniden birleşimi ele alınacaktır. Direkt olmayan yasak enerji bant aralığına sahip yarıiletkenlerde yeniden birleşim mekanizmaları yeniden birleşim merkezleri içerirler. Yeniden birleşim olurken momentumun Şekil de gösterildiği gibi korunması gerekir. 26

39 Şekil Silisyum materyalde orta seviyeye yakın bir yerde E r enerji seviyesinde lokalize olmuş yeniden birleşim merkezi aracılığıyla yeniden birleşim (Kasap, 2001) Elektron E r enerji seviyesinde bulunan yeniden birleşim merkezi tarafından yakalandığında yeniden birleşim meydana gelir. Elektron yakalanır yakalanmaz p- tipi yarıiletkenlerde deşiklerin sayısı elektronların sayısından çok olduğundan deşik ile yeniden birleşime uğrar. Diğer bir deyişle, çoğu çoğunluk taşıyıcıları yeniden birleşim oranını sınırladığından azınlık taşıyıcılarının esas yakalanma işlemi yeniden birleşim merkezinde gerçekleşir. Bu nedenle τ e elektron yeniden birleşim zamanı olmak üzere elektronlar merkez tarafından yakalanacağından, τ e yi şu şekilde ifade edebiliriz. τ e = 1 SNυ (3.1) r r th Denklem 3.1 de S r merkezin yakalama (veya yeniden birleşim) tesir kesitini, N r merkezin konsantrasyonunu ve υ th de * 2 (1/2) me th (3/2) υ = kt ile verilen termal hız etkisi olarak alabileceğimiz iletim elektronlarının hızını ifade etmektedir. Denklem 1.1. az miktarda doldurulma durumlarında (p po >> n p olduğu durumlarda) mantıklı sonuçlar verir. Daha genel direkt olmayan yeniden birleşim durumları için Shockley-Read-Hall istatistiği olarak adlandırılan istatistik ile açıklanmaktadır. Bu istatistik, düşük doldurma seviyeleri için denklem 3.1. ile verilen eşitliğe ulaşır. Bu eşitlik çok ideal fiziksel durumlar için türetilmiştir. 27

40 Direkt Yeniden Birleşim Kinetikleri Şekil GaAs de direkt yeniden birleşim. k cb =k vb olduğundan momentum korunumu istenilen gibidir. (Kasap, 2001) Yukarıdaki şekilde CB, iletim bandını, VB, değerlik bandını göstermektedir. Burada katkılanmış GaAs gibi direkt bant aralığına sahip p-tipi yarıiletkende oluşan yeniden birleşim olayı göz önüne alınmaktadır. Yeniden birleşim Şekil 3.12 de gösterilen bir elektron-deşik çiftinin direkt olarak karşılaşmasını içerir. Burada fazlalık elektron ve deşiklerin enjekte edildiği varsayılmaktadır, n p fazlalık elektron konsantrasyonu ve p p de fazlalık deşik konsantrasyonudur. n p nin sadece yeniden birleşim ve termal yeniden oluşum ile kontrol edilebildiğini varsayılmaktadır. Yeniden birleşim oranı n p p p ile, termal yeniden oluşum n po p po ile orantılı olacaktır. Karanlık durumda meydana gelen dengede termal yeniden oluşum oranı yeniden birleşim oranına eşittir. Bu durumda ikisi de n no p po ile orantılıdır. n p nin değişim oranı n p = B[ n p p p n po p po ] (3.2.) t 28

41 3.2. denkleminde görülen B, direk yeniden birleşim yakalama katsayısı olarak adlandırılan bir orantı sabitidir Düşük Seviyeli Enjeksiyon (n po << n p << p po ) Düşük seviyeli enjeksiyon ile n p n p ve p p p po + p p p po N a (alıcı katkılama konsantrasyonu) olur. Bundan dolayı bu yaklaşım ile 3.2 denkleminden n p = Bp po n p (3.3) t şeklinde elde edilir. 3.3 eşitliği ile yeniden birleşim zamanı τ r nin tanımı ile karşılaştırıldığında n p n p = (3.4) t τ r olur. Gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra 1 1 τ r = = (3.5) Bp BN po o eşitliği elde edilir. Bu eşitlik düşük seviyeli enjeksiyon şartları altında geçerlidir Yüksek Seviyeli Enjeksiyon ( n p >> p po ) Bu şartı denklem 3.2 de kolayca gösterebiliriz. n p 2 = B n p p p = B( n p ) (3.6) t 29

42 1 1 τ = = (3.7) B p B p n p Denklem 1.7 den yüksek seviyeli enjeksiyon şartları altında τ e ömrünün enjekte edilmiş taşıyıcı konsantrasyonu ile ters orantılı olduğu görülmektedir. Fotoüretim olduğunda birim zamandaki birim hacim başına düşen elektron çiftleri (G ph ) oranında ne olduğu ele alınacaktır. Fotoüretim oranı yeniden birleşim oranına eşit olduğu zaman kararlı duruma ulaşılacaktır. Bu denklem 3.8 ile ifade edilir. n p Gph = = Bn [ ppp npoppo ] t yenidenbirleşim (3.8) 3.6. Fotoiletkenliğin Elemanları Fotoiletkenlik, foton soğurulduğunda üretilen serbest taşıyıcıların sayısındaki artıştan sonuçlanan elektriksel iletkenlikteki değişme (artma veya azalma) olarak tanımlanır. Fotoiletkenlik işlemi, peş peşe meydana gelen veya eş zamanlı olarak gerçekleşen olaylar dizisini içerir. Bu nedenle fotoiletkenlik karşımıza karmaşık bir olgu olarak çıkar; fakat malzemenin fiziksel özelliklerinin anlaşılması açısından oldukça önemlidir. Tarihsel olarak fotoiletkenlik konusu ilk olarak bir telgraf şirketinde elektrikçi olan Willoughby Smith tarafından araştırıldı. Willoughby Smith Xerografi nin gelişiminde oldukça önemli olan selenyum (Se) elementi üzerine incelemelerde bulunmuştur. Smith, deniz altındaki telgraf kabloları testinde Se çubuğu bir resistör gibi kullanarak ışık sızdırmayan bir kutu içerisinde bir ışık kaynağı meydana getirip getirmediklerini inceleyerek kabloların yük dirençlerini bulmuştur. 30

43 Düzgün Hacim Soğurması İçin Yarıiletken Eşitlikler Şekil L uzunluğunda, W genişliğinde ve D derinliğinde kalın bir dilim halinde olan yarıiletkenin λ dalga boylu ışık ile aydınlatılması (Kasap, 2001) Fotoiletken dedektörler tipik olarak basit bir metal-fotoiletken-metal yapıya sahiptirler. Bu yapı Şekil 3.13 de şematik olarak gösterilmiştir. İki elektrot, çalışılmak istenen dalga boylarında, istenilen kuantum verimi ve soğurma katsayısına sahip olan bir yarıiletkene takılır. Fotonlar yarıiletken ve fotoüretim elektron-deşik çiftleri (EPHs) tarafından soğurulur. Bunların sonucunda yarıiletkenin iletkenliği artar. Bu artıştan dolayı Şekil 3.13 de gösterildiği gibi oluşan I ph fotoakımı olan dış akımdaki artıştır. Fotoiletkenin ani bir basamak ışığı ile aydınlatıldığını varsayalım. Birim saniyede birim alan başına düşen foton miktarı Γ ph olarak gösterilirse buradan Γ ph yi Γ ph = L /һυ şeklinde ifade edebiliriz. Burada һυ fotonun enerjisi, L ο ışık yoğunluğudur. Asıl soğurulan ışık yoğunluğu L ab (birim saniyede birim alan başına soğurulan enerji) L = TL. [1 exp( α D)] ab ο (3.9) 31

44 olur. Bu ifadede T hava-yarıiletken yüzey geçirgenliği, L 0 yarıiletken üzerindeki ışık yoğunluğunu, α ise soğurma katsayısını göstermektedir. Şekil 3.13 de aydınlanan yüzeyde olan uzaklığın fotoüretime olan oranındaki değişim ihmal edilerek problem basitleştirilmeye çalışılmıştır. Her x noktasındaki ışık yoğunluğu T. L. exp(-αx) dir ve g ph, x uzaklığı ile azalır. Hesaplamalar yapılırken g ph nin uzaysal değişimi ihmal edilerek bunun yerine fotoiletkenin D kalınlığının fotoüretim etkisine oranının hesabı yapılmıştır. Zamana bağlı olarak g ph fotoüretimi g ph =g ph (t) şeklinde ifade edilebilir. Buna ek olarak Şekil 3.13 de gösterilmiş olan LxW fotoiletken alanında ışıklandırmanın düzgün olduğu varsayılmıştır. Bir yarıiletkenin kuantum etkisi η, soğurulan foton başına fotoüretilen serbest elektron deşik çiftlerinin sayısı olarak tanımlanır. Fotoüretim işlemi %100 verimli bir işlem değildir; ve soğurulan her foton serbest elektron-deşik çifti oluşturmaz. Sadece soğurulan fotonların bir kısmı serbest elektronları üretir. Bu bilgiler ışığında birim saniyede birim hacim başına üretilen elektron-deşik çiftlerinin sayısı bir başka deyişle birim hacim başına fotoüretim oranı g ph, şu şekilde ifade edilebilir. I ph eηλτ ( µ e + µ h) TL. ο[1 exp( αd)] W = ( ) V (3.10) hc L Herhangi bir andaki elektron konsantrasyonu n (fotoüretim elektronlarını içeren) ve karanlıktaki termal denge konsantrasyonu n olmak üzere fazlalık elektron konsantrasyonu olan Δn, Δn=n-n şeklinde ifade edilebilir. Fotoüretim için Δn=Δp dir. Anlık fazlalık elektron konsantrasyonunu değiştiren yeniden birleşim ve yeniden oluşum olarak adlandırılan iki karşıt olay vardır. Fazlalık elektron konsantrasyonundaki artış oranı= Fazlalık elektronların yeniden oluşumu oranı Fazlalık elektronların yeniden birleşim oranı Τ fazlalık elektronların yeniden birleşim zamanı olmak üzere, d n n = g ph (3.11) dt τ 32

45 olur. Bu eşitlik, fotoüretime (Δn artışına eğilimli) ve yeniden birleşime (Δn azalışına eğilimli) göre Δn fazlalık yük taşıyıcı konsantrasyonunun anlık oranını gösteren yarıiletken oran eşitliği dir. Denklem 3.11 elde edilirken çeşitli varsayımlar yapılmıştır. Bunlardan en önemlileri örnek alanın üzerinin düzgün aydınlatıldığı, bu da Δn nin sadece zamana bağımlı (uzaysal bağımsız değil) olması ile mümkün olur, örneğin zayıf doldurma altında (Δn<<çoğunluk yük konsantrasyonu durumunda) veya yeniden birleşim oranı yeniden birleşim merkezlerinin konsantrasyonu tarafından belirlendiğinde τ sabit veya Δn den bağımsız olduğu durumlardır. Bu durumda direkt olmayan yeniden birleşim 3.12 denklemi ile ifade edilir. τ = 1 Sυ N (3.12) r th r Denklem 3.12 de S r, yeniden birleşim merkezinin yakalama tesir kesitini, υ th yük taşıyıcıların termal hızını (m e elektronların etkin kütlesi olmak üzere meυ th kt ), N r de yeniden birleşim merkezlerinin konsantrasyonunu ifade 2 2 etmektedir denkleminde, g ph ın sabit olduğu durumda, Δn nin ışık saçıldığı andan t ( ya da t>>τ) durumuna ulaşana kadar üssel olarak artacağı açık olarak görülmektedir denklemi sıfıra eşitlendiği takdirde kararlı durumdaki fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu bulunabilir. Bu durumdaki fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu, τηλl hcd ab n = τ gph = (3.13) olur. Bir yarıiletkenin iletkenliği, σ = eμ e n+eμ h p eşitliği ile ifade edilir ve iletimdeki değişim fotoiletkenlik olarak adlandırılır. Δσ = σ ph = eμ e Δn+eμ h Δp (3.14) 33

46 Elektronlar ve deşikler çift oluşturduklarından Δn=Δp olur. Böylece 3.14 denklemi 3.15 denklemine dönüşür. Δσ = eδn (μ e +μ h ) (3.15) 3.13 denklemiyle ifade edilen Δn değeri denklem 3.15 te yerine koyulduğunda kararlı durum fotoiletkenliği elde edilir. σ ph eτηλ ( µ e + µ h) Lab = (3.16) hcd σ ph eτηλ ( µ e + µ h) TLο [1 exp( αd)] = (3.17) hcd Karalı durum fotoakımı i ph (t >> τ olduğu durumda) = I ph, 3.18 ve 3.19 denklemleriyle ifade edilebilir. I ph WDσ ph = V (3.18) L I ph eηλτ ( µ e + µ h) TLο [1 exp( αd)] W = ( ) V (3.19) hc L Verilen bir voltaj uygulaması için geniş fotoakımda geometrinin geniş W aralığına sahip ve kısa L uzunluğuna sahip olması istenir. Denklem 3.17 de σ ph fotoiletkenliğinin L ο ışık yoğunluğu ile lineer bir şekilde arttığı görülmektedir. Bu durum sadece Δn, τ dan bağımsız olduğu zaman mümkündür. Bu tip yeniden birleşim monomoleküler yeniden birleşim olarak adlandırılan yeniden birleşim oranının fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu ile orantılı olduğu bir yeniden birleşim modelidir. Bu tip yeniden birleşimde tek tip fazlalık taşıyıcı vardır, diğer bir deyişle Δn ve Δp den sadece biri mevcuttur. Δn nin çoğunluk taşıyıcıdan çok küçük olduğu yerlerde zayıf doldurma dikkate alınır. Bir fazlalık taşıyıcı bir yeniden birleşim 34

47 merkezi tarafından tutulur tutulmaz bir çoğunluk taşıyıcı ile birleşir ve gözden kaybolur. Böylece yeniden birleşim oranı azınlık taşıyıcı konsantrasyonu ile belirlenir Basamak Şeklinde Aydınlatma ve Geçiş Fotoakımı Bu bölümde t=0 ile t=t off (t off >> azınlık taşıyıcı yeniden birleşim ömrü τ olmak üzere) zaman aralığında basamak şeklinde bir aydınlatmaya tabi tutulan n-tip yarıiletkenin azınlık taşıyıcı konsantrasyonu tanımlanacaktır. Fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu bilindiğinden dolayı ve fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu fotoakım ile orantılı olduğundan geçiş fotoakımı belirlenebilir. Düzgün bir basamak aydınlatması altında g ph ı sabit alınarak 3.11 denklemi 0< t <t off aralığında integre edildiğinde t ln( gph [ pn / τ )] = + c τ 1 (3.20) 3.20 denklemi elde edilir. Bu ifadede c 1 integral sabitidir. Sınır şartları (t = 0 da, Δp n =0) uygulandığında c 1 =g ph olarak bulunur; ve çözüm 3.21 denklemi halini alır. p () t = τg [1 exp( t/ τ)] ; 0< t < t off ( 3.21) n ph Aydınlatma açılır açılmaz azınlık taşıyıcı konsantrasyonu kararlı durum değerine doğru bir artış gösterir. Aydınlatmanın kapatıldığı anı göz önüne alacak olursak, eğer t off >> τ olduğu varsayımı yapılırsa 3.13 denkleminden Δp n (t off ) = τg ph olarak bulunur. t = t off aracılığıyla ölçülebilen bir zaman (t ) belirlenebilir. t = t t off olarak seçildiği takdirde Δp n (t =0)=τg ph olur denklemi t>t off ve t off >0 da g ph =0 şartları altında çözümlenirse p t = p t τ (3.22) ' n() n(0)exp( / ) 35

48 Δp n (0) gerçekte t =0 da Δp n nin sınır koşullarında aldığı sabit bir değerdir, diğer bir deyişle integral sabitidir. t =0 ve Δp n = τ h g ph değerlerini yerlerine yerleştirdiğimiz takdirde p() t = τg exp( t/ τ) n ph (3.23) τ zamanında azınlık taşıyıcı yeniden birleşimine eşit bir zaman sabiti ile ışık kapatıldığı andan itibaren fazlalık taşıyıcı konsantrasyonunun üssel olarak azaldığı görülmektedir. Azınlık taşıyıcı konsantrasyonunun zamanla değişimi Şekil 3.14 de gösterilmektedir. Şekil Azınlık taşıyıcı konsantrasyonunun zamanla değişimi (Kasap, 2001) Şekil 3.14 de aydınlanma t=0 da açılmış, t=t off da kapatılmıştır. Fazlalık azınlık taşıyıcı konsantrasyonu zaman sabiti τ ile kararlı durum değerine doğru üssel olarak artar. Aydınlanma kapatıldıktan sonra fazlalık azınlık taşıyıcı konsantrasyonu sıfıra doğru üssel olarak azalır. Geçiş fotoakımının sonucunda ışık açıldığında ve kapatıldığında, Δp n (t) fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu aşağıdaki gibi bir davranış gösterir. i ph (t) Δp n (t) (3.24) Bu durumda sürüklenme mobilitesinin aydınlanmadan etkilendiği varsayılabilir. Fotoenjeksiyon yük taşıyıcıları konsantrasyonu ile τ nun hemen hemen hiç değişmediği varsayılabilir. Bu varsayım sadece zayıf enjeksiyon altında veya yeniden birleşim merkezlerinden geçerek dolaylı yeniden birleşim altında geçerlidir. 36

49 3.24 denklemi monomoleküler yeniden birleşim kinetikleri altında fotoiletkenliği gösterir Modüle Edilebilir Fotoiletkenlik Şekil Açısal frekans ω da modüle edilmiş ışık şiddeti. Fotoakım modüle edilmiş ışık şiddeti için faz dışıdır. (Kasap, 2001) Bu bölümde Şekil 3.15 de çizilen sinüsoidal bir şekilde ışık yoğunluğu modüle edildiğinde ne olduğu göz önüne alınacaktır. L yoğunluğu sinüsoidal olarak sıfır ve maksimum bir değer arasında değişim gösterir. Fotoüretime neden olan ışık şu şekilde ifade edilebilir. g () t = g [1+ cos( ωt)] (3.25) ph ο Analitik davranışı, ilk bozulma fotouyarım yöntemlerinde g devamlı uyarımı ve modüle edilmiş bir sinüsoidal g sin(ωt) uyarımı tarafından oldukça basitleştirilmiştir. İkinci yöntem negatif yoğunluk değerleri içerirken fiziksel olarak yalnız başına var olamaz. Bununla birlikte biz bu yaklaşıma sürekli fotouyarımdan fotoakıma kadar olan değerleri ekleyerek değerleri analiz ederken kullanabiliriz. Ri ph (t) fotoakımının ac bileşeni mevcuttur. Eğer I ph, g ın sabit olmasından kaynaklanan bir fotoakım ise toplam fotoakım I ph +i ph =0 olacaktır. AC devre 37

50 analizinde, üssel notasyon [exp(jωt)] kullanılarak sinüsoidal gösterim kullanışlı hale gelir. g () t = g exp( jωt) (3.26) ph ο Bu durumda yarıiletken eşitlik oranını yazarsak (3.27) denklemini elde ederiz. d n n = gο exp( jωt) (3.27) dt τ Bu denklem diferansiyel olarak çözüldüğü takdirde çözüm; gο n = τ exp( jωt) 1 + jωt (3.28) şeklinde bulunur. Bu çözüm 3.27 denkleminde yerine yerleştirilerek doğruluğu test edilebilir. Modüle edilmiş olan AC fotoiletkenlik 3.29 denklemiyle gösterilebilir. σ ph(0) σ ph() t = exp( jωt) (3.29) 1 + jωt Fotoakım ve modüle edilmiş ışık yoğunluğu arasındaki faz farkı Φ dir. Φ faz farkı 3.30 denklemiyle verilir. Φ =-arctan( ωτ ) (3.30) Yeniden birleşim sonucunda, orijinal sinyal, ışık şiddeti, ortaya çıkan sinyal ve fotoakım arasında faz farkı olduğu görülmüştür. Bu faz farkı modülasyon frekansına bağlıdır. Sonuç olarak 3.30 denklemi yazılabilmektedir. Bu denklem ω nın bir fonksiyonu olan Φ nin ölçülmesi ile τ yeniden birleşim zamanının 38

51 belirlenebileceği anlamına gelir. Bu denklem sadece monomoleküler yeniden birleşim için geçerlidir denklemine göre fotoiletkenlik gerçek ve sanal bileşenlri içeren kompleks bir niceliktir ve 3.31 denklemiyle verilir. ' '' σ ph(0)exp( jωt) σ ph(0)exp( jωt) σ ph( jω) = σ ph jσ ph = j ( ωt) 1 + ( ωt) (3.31) Şekil σ ph ve σ ph nün frekansa bağımlılığı (Kasap, 2001) Şekil 3.16 σ ph ve σ ph nün frekansa bağımlılığını göstermektedir. σ ph nün ω=1/τ değerinde bir pike sahip olduğu söylenebilir denklemine bakılarak fotoakım ölçümünü birinci bileşeni fazın içindeki bileşen ikinci bileşeni fazın 90 dışında bulunan sanal bileşen olan iki bileşenin toplamı bir vektör gibi düşünülebilir. Eğer quadrature akım ölçülmüş ise, açısal frekans sanal kısma (σ ) bağımlı olacaktır. Şekil 3.15 de görüldüğü gibi quadrapol fotoakımı ω=1/τ da bir pik verecektir. 39

52 Güçlü Enjeksiyon ve Bimoleküler Yeniden Birleşim p-tipi bir yarıiletkenin, örneğin GaAs, direkt bant aralığında yeniden birleşimini göz önüne alalım. Yeniden birleşim bir elektron-deşik çiftinin direkt karşılaşmasını gerektirir ve yeniden birleşim oranı elektron ve deşiklerin her ikisinin konsantrasyonu ile orantılıdır. Yeniden birleşim oranı=bn p p n (3.32) Bu denklemde görülen B bir orantı sabitidir ve direkt yeniden birleşim katsayısı olarak nitelendirilir. Denge durumunda, fotoüretim olmadığında, termal üretim oranı g th yeniden birleşim oranına eşittir. Böylece taşıyıcı konsantrasyonları içinde net bir değişim yoktur. g th = Bn p p p (3.33) Düzenli olarak enjekte edilen deşikler ve fazlalık elektron sayılarının eşit olduğu ve t=0 zamanından başlayarak kararlı duruma ulaşıldığı anda fotouyarılımın aniden kapatıldığı varsayalım. t zamanındaki fazlalık elektron (azınlık taşıyıcı) konsantrasyonu Δn p ve fazlalık deşik (çoğunluk taşıyıcı) konsantrasyonu Δp p (=Δn p ) dir. Fotoüretim olmadığında Δn sadece yeniden birleşim ve termal üretim ile kontrol edilir. Herhangi bir andaki taşıyıcı konsatrasyonu 3.34 ve 3.35 denklemleriyle verilir. n = n + n (3.34) p pο p p = p + p (3.35) p pο p Yeniden birleşim oranı n p p p ile ve termal üretim oranı n p p p ile orantılıdır. Δn p nin değişim oranı 3.36 denklemiyle ifade edilir. 40

53 d n dt p = Bn [ p n p ] (3.36) p p pο pο 3.36 denklemi yeniden birleşim ile ortadan kaybolan fazlalık taşıyıcıların net oranı için genel bir açıklamadır. Göz önünde bulundurulması gereken iki önemli durum vardır Düşük Seviyeli Enjeksiyon ( n p <<Δ n p <<p p ) Düşük seviyeli enjeksiyon altında n p n p ve p p p po + p p p po N a (alıcı katkılama konsantrasyonu) olarak yazılabilir. Böylece 3.36 denklemi 3.37 denklemine dönüşür. d n dt p = Bp n (3.37) po p Bu denklem 3.38 denklemi gibi yazılabilir. d n dt p n p = (3.38) τ 3.38 denkleminin çözümünden τ, 3.39 denklemindeki gibi bulunur. 1 1 τ r = = (3.39) Bp BN po o Bu sonuç küçük enjeksiyon koşulları altında mantıklı bir sonuçtur. Yeniden birleşim oranı ve alıcı oranı sabit olduğu için zayıf enjeksiyon altında τ sabittir. 41

54 Yüksek Seviyeli Enjeksiyon ( Δn p >> p p ) denklemi dönüşür. Denklem 1.36 dan Δn p =Δp p >> p p >> p n olduğunu gösterebiliriz τ = = ile gösterilen ve sabit olmayan 3.40 denklemine B p B p n p d n dt p 2 = B np pp = B( np) (3.40) Yüksek seviyede enjeksiyon koşullarında τ ömrü enjekte edilen taşıyıcı konsantrasyonu ile ters orantılıdır. Bir fotoiletken yüksek enjeksiyon seviyelerinde modüle edildiğinde sabit değildir. Şekil Kararlı durum fotoiletkenliğinin ışık şiddetine göre davranışı (Kasap, 2001) Kararlı durum koşulları altında (t >> τ ) dδn/dt değeri sıfıra eşit olacaktır. g ph n = Lο (3.41) B 3.41 denkleminde Δn nin ışık şiddeti L ın kare köküyle orantılı olduğu görülmektedir. Kararlı durum fotoiletkenliği σ ph Δn olduğundan dolayısıyla L ο ile 42

55 orantılı olur. Bu tip davranış yeniden birleşim oranının hem deşik konsantrasyonu ile hem de enjekte edilmiş elektronların konsantrasyonu ile orantılı olması ile mümkündür. Bu yeniden birleşim iki tür taşıyıcı içerdiğinden bimoleküler yeniden birleşim olarak adlandırılır Fotoiletken Kazanç Fotoiletken dedektörün asıl yanıtı ya yarıiletken için kontakların ohmik olmasına yada bloklamaya (örneğin geri beslemeli shottky eklemleri fazlalık taşıyıcı oluşturmaz) ve taşıyıcı yeniden birleşim kinetiklerinin doğasına bağlıdır. Bu bölümde ohmik kontaklara sahip (bu kontaklar akım akışını sınırlamaz) bir fotoiletken göz önüne alınmıştır. Ohmik kontaklar ile, fotoiletkende fotoiletken kazancı olur. Fotoiletken kazancı, dış fotoakım soğurulan foton başına olan elektron akısının birden fazla olmasıdır. Bu durum Şekil 3.18 de açıklanmıştır. Şekil Ohmik kontaklara sahip bir fotoiletkende kazanç (Kasap, 2001) 43

56 Soğurulan bir foton Şekil 3.18 de gösterildiği gibi zıt yönde sürüklenen bir EHP fotoüretir. Elektron deşikten daha hızlı sürüklenir. Bundan dolayı örneği daha hızlı terk eder. Örneğin nötral olması gerektiğinden diğer elektron Şekil b de (elektrot ohmiktir) gösterildiği gibi negatif elektrotdan örneğe girmek zorundadır. Bu yeni elektron hemen hemen aynı hızda örneğin içinde sürüklenir. Deşik örneğin içinde yavaşça sürüklenirken örneği terk eder. Örnek nötral olmak zorunda olduğundan yine bir elektron örneğin içerisinde hareket etmek zorundadır. Bu durum ya deşik negatif elektroda ulaşıncaya kadar yada örneğe giren elektronlardan biriyle yeniden birleşinceye kadar devam eder. Dış fotoakım bu nedenle kazanç olarak tanımlanan soğurulan foton başına elektronların oluşuna karşılık gelir. Kazanç taşıyıcıların sürüklenme zamanına ve yeniden birleşme ömürlerine bağlıdır. Fotoiletkenin sabit ışık kaynağı ile ışıklandırıldığını varsayarsak örneğin kararlı durum fotoiletkenliği, eηλτ ( µ e + µ h ) Lab σ = (3.42) hcd fotoakım yoğunluğu basitleştirilmiş olarak V J ph = σ = = σ (3.43) L dış devrede akan elektron sayısı fotoakımdan bulunabilir. Çünkü I ph WDJ ph η Wλτ ( µ e + µ p ) LabE elektron akış oranı = = = (3.44) e e hc Bununla birlikte bu EHP fotoüretim oranı Elektronun yeniden oluşum oranı ηλlab = ( Hacim) g ph = ( WDL) g ph = WL (3.45) hc 44

57 Fotoiletkenlik kazancı basitleştirilmiş olarak 3.46 eşitliği ile ifade edilebilir. τ ( µ e + µ h) G=Elektron akış oranı/elektronların yeniden oluşum oranı = E (3.46) L Elektron ve deşiklerin sürüklenme hız ifadeleri kullanılarak 3.46 denklemi daha da basit hale getirilebilir. μ e E elektronun fotoiletkendeki sürüklenme hızı, μ h E deşiğin fotoiletkendeki sürüklenme hızı, elektron ve deşiklerin geçiş zamanları t e =L/(μ e E) ve t p =L/(μ h E) (1.46) eşitliğinde kullanarak (3.47) eşitliği bulunur. τ τ τ µ h G = + = (1 + ) (3.47) t t t µ e h e e Eğer τ/t e geniş tutulursa yani yeniden birleşim zamanı uzun geçiş zamanı kısa olursa fotoiletkenlik kazancı oldukça yüksek olabilir. Geçiş zamanı büyük bir elektrik alan uygulanarak kısaltılabilir. Fakat bu karanlık akımın artmasına ve böylece daha fazla gürültünün oluşmasına neden olacaktır. Aygıtın yanıt hızı enjekte edilen taşıyıcıların yeniden birleşim zamanı ile sınırlıdır. τ nun değerinin büyük olması aygıtın yavaş olduğu anlamına gelir Etkin Fotoiletkenlik Soğurma Sınırlı Fotoiletkenlik Bu kısımda Şekil 3.12 deki gibi bir fotoiletken göz önüne alınmaktadır. Işık şiddeti ve dolayısıyla fotoüretim ve fotoiletkenlik Şekil 3.19 de gösterildiği gibi ışıklandırılmış yüzeyden x aralığı ile üssel olarak bozulur. Fotoiletkenin δx kalınlığında olan ince bir dilimi göz önüne alındığında kararlı durum fotoakımı I ph y- yönü boyunca akar fakat bu x aralığına bağlıdır. Bu dilimin fotoiletkenliğini σ ph dır. Fotoüretilmiş taşıyıcılardan dolayı bu dilimin fotoiletken Δg 45

58 σ ph( alan) σ δ G ph = = uzunluk ph Wδx L (3.48) Fotoakım yolları toplam fotoiletken tek tek fotoiletkenlerin toplamı olduğundan y- yönü boyunca ve paraleldir. Bu nedenle toplam iletkenlik 3.48 denkleminin x=0 dan x=d aralığına kadar integrali alınarak bulunabilir. Işık şiddeti yüzeyde üssel olarak bozulur. L( x) = L0 exp( αx) (3.49) Işık şiddetinin dilim boyunca değişimi ( -δl (negatif azalım anlamında) ) birim alandaki soğurulan ışık şiddetini gösterir. Eğer η kuantum etkisi (QE) ve dilim içerisindeki fotoüretim oranı g ph g ph δ L ( LW ) (Soğurulan foton akısı)(alan) hυ = QE = η (3.50) Hacim LWδ x ile verilir. g ph η ηαl0 = = exp( αx) (3.51) hv hv Bu nedenle fotoüretim oranı beklendiği gibi x ile üssel olarak bozunur. Eğer τ azınlık taşıyıcı yeniden birleşim zamanı ise, dilimdeki kararlı durum fazlalık fotogenere olmuş taşıyıcı konsantrasyonu Δn= τ.g ph olur. Bu dilimin kararlı durum fotoiletkenliği σ ph eτ ( µ e + µ h ) ηαl0 = e( µ e + µ h ) τg ph = exp( αx) (3.52) hv (3.52) denkleminin fotoiletkenliğin soğurma davranışının sonucu olarak ışınlandırılmış yüzeyden x ile üssel olarak bozulduğu görülmektedir. 46

59 Şekil Işık şiddeti ve aydınlatılmış yüzeyden itibaren fotoiletkenliğin x ekseni boyunca bozunması (Kasap, 2001) eτ ( µ e + µ h ) ηαl0 Wδx δ G ph = [ exp( αx) ] (3.53) hv L (3.52) eşitliğini (3.48) de yerine koyarak dilimin fotoiletkenliğini buluruz. δg ph eτ ( µ e + µ h) ηαlο Wδx = exp( αx) hυ L (3.54) böylece toplam fotoiletken G ph x= D Weτ ( µ e + µ h ) ηαl0 Wδx = δ G ph = exp( αx) dx] Lhv L X = 0 (3.55) δg ph Weτ ( µ e + µ h) ηlο = [1 exp( αd)] Lhυ (3.56) 47

60 Etkin fotoiletkenliğin (σ ph eff ) değerini 3.57 eşitliğinden elde edip (3.56) eşitliğinde yerine koyarsak G ph WDσ = L ph eff (3.57) (3.56) eşitliği ile (3.57) eşitliğini karşılaştırırsak σ ph eτ ( µ e + µ h ) ηl 0 [ 1 exp( D eff = α )] (3.58) hvd (3.58) denkleminde verilen etkin fotoiletkenlik elde edilir. Bu eşitliğe ulaşırken fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu Δn in Δn= τ.g ph olarak yazıldığını ve monomoleküler yeniden birleşim kinetiklerinde izinli olduğunu varsayıldı. Ayrıca bu eşitliğe ulaşırken fazlalık taşıyıcıların x ekseni boyunca değişiminden kaynaklanan fazlalık taşıyıcıların difüzyonunu ihmal edildi. Taşıyıcı difüzyon uzunluğunun çok kısa olduğu varsayıldı Difüzyon Sınırlı Fotoiletkenlik Bir önceki bölümde sonuçlar çok fazla varsayım kullanılarak yazılan oldukça basitleştirilmiş sonuçlardır. Fotoüretim oranı g ph bu yönde fazlalık taşıyıcı konsantrasyonu bozunumu ile benzer bir sonuç olarak x ekseni boyunca exp(-αx) olarak üssel bir şekilde bozunur. Δn, x e bağlıdır. Bunun anlamı yüksek konsantrasyona sahip bölgeden düşük konsantrasyona sahip bölgeye doğru x ekseni boyunca taşıyıcıların difüzyonu olması gerektiğidir. Benzer şekilde hollerinde difüzyonu söz konusu olacaktır fakat elektronların ve deşiklerin difüzyon oranları elektron ve deşik difüzyon katsayıları birbirinden oldukça farklı olduğundan benzer değildir. Doğru yaklaşım, x ekseni boyunca bir alan uygulanmadığında yine bu yönde kararlı durum süreklilik eşitliğini (3.59) göz önünde bulundurulmalıdır. 48

61 D 2 d n n + dx τ e g 2 ph = 0 (3.59) burada D e elektron difüzyon katsayısıdır. Eşitlik (3.59) un çözümü τg ph (0) τηαl0 D n(0) = = (3.60) α τd hv(1 + α τd ) e e ifadesini verir. Benzer bir açıklama deşikler içinde yapılabilir eşitliği difüzyon uzunluğu L e = (τd e ) ½ nun soğurma derinliği (1/α) ve Δn(0) = Δp(0) dan daha küçük olduğu durumlar için türetilmiştir. Difüzyon uzunluğu, soğurma derinliğinden daha uzun olduğunda yüzeye yakın çok ince bir bölgede fotoüretim gerçekleşir; ve bunun sonucunda taşıyıcılar balkın içerisine doğru yayılırlar. Bu şartlar altında 3.59 denkleminin kalın (D>>L e ) bir fotoiletken için çözümü 3.61 eşitliği ile verilir. nx ( ) = n(0)exp( x/ L ο ) (3.61) Bu denklemde L e elektron difüzyon uzunluğu, L e = (τd e ) ½ ve Δn(0) yüzeydeki fazlalık taşıyıcı konsantrasyonudur. Fotoüretim soğurma derinliğinin 1/α boyunca düzgün olması için Δn nin τηαl0 n(0) = τ gph(0) = = p(0) (3.62) hv olması gerekmektedir 49

62 Şekil Yüzeye çok yakın ince bir bölgede fotoüretimin olması ve bunun sonucunda taşıyıcıların balkın içine yayılması (Kasap, 2001) Δn ve Δp farklı oranlarda bozunurlar, başka bir deyişle farklı difüzyon yoğunluklarına sahiplerdir. Net yük yoğunluğu ρ x = e(δp-δn) dir. X boyunca iç alan Dember voltajı olarak adlandırılan voltaj değişimine karşılık gelir. Balktaki fazlalık taşıyıcı konsatrasyonunu belirlemek için, δx elemanının fotoiletkenliği veya σ = eµ nx ( ) + eµ px ( ) (3.63) ph e h eτηαl 0 x/ Le x/ Lh σ ph = ( µ ee + µ he ) (3.64) hυ olmalıdır. Eğer δx elemanı difüzyon uzunluğundan daha büyük bir değere sahip olursa bu durumda fotoiletkenlik 3.65 eşitliğindeki gibi olur. eτηαlο σ ph eff = ( L eµ e + L hµ h) (3.65) Dhυ Difüzyon kontrollü fotoiletkenlik için 3.65 eşitliği soğurma kontrollü fotoiletken eşitliği 3.58 den oldukça farklıdır. Her iki durumda da fotoiletkenliğin davranışını 50

63 basitleştirmek için değişik varsayımlar ve bir çok şeyi ihmal eden yaklaşımlar yapılmıştır. Ortak olan yanları ise her iki durumda da fotoiletkenlik yüzeye düşen ışık şiddeti L ile lineer olarak artar FCVAD Yöntemiyle Üretilen ZnO İnce Filmlerin Fotoiletkenlik Ölçüm Yöntemi Şekil Dalga boyuna bağlı Fotoiletkenlik ölçümünde kullanılan devre şeması ZnO ince filmlerinin dalga boyuna bağlı fotoiletkenlik ölçümlerinde Şekil 3.21 de gösterilen devre kullanılmıştır. Devredeki düzenekte quartz bir halojen lambadan alınan kaynak ışık gerekli odaklama ve kolimasyon işleminden geçtikten sonra momokromatörden tek renkli ışık olarak alınmış ve dedektör üzerine yansıtılmıştır. Dedektör üzerinde oluşan gerilim değerlerinin 400 ve 800 nm aralığında dalga boyuna göre grafiği elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen bu grafik dedektöre ait duyarlılık eğrisinde bulunan değerlere bölünerek monokromatör çıkışından elde edilen ışık şiddet dağılımı bulunmuştur. Daha sonra dedektör devreden çıkartılarak yerine ZnO ince film yerleştirilmiştir. Aynı dalga boyu aralığında filmler üzerinde oluşan gerilimler belirlenmiş ve daha sonra monokromatör çıkışından elde edilen ışık şiddet dağılımı değerlerine bölünerek filmlerin fotoiletkenliği belirlenmiştir. 51

64 Şekil Zamana bağlı Fotoiletkenlik ölçümünde kullanılan devre şeması Şekil 3.23 te görülen düzenek kurularak ZnO ince filmlerin fotoiletkenliğinin zamana bağlı değişimini belirlemek için kullanılır. Devredeki düzenekte quartz bir halojen lambadan alınan kaynak ışık dışarıdan ışığı sadece küçük bir yarıktan alan siyah kutu içerisine yerleştirilmiş ZnO ince filmin üzerine düşürülerek belirli zaman aralıklarında voltmetre üzerinden gerilim değerleri kaydedilerek zamana bağlı olarak ince filmlerin fotoiletkenlikleri belirlenmeye çalışılır Optik Özellikler Temel Soğurma Temel soğurma, değerlik bandından iletim bandına bir elektronun, banttan banda veya eksiton geçişlerine karşılık gelir. Temel soğurma kendini soğurma spektrumundaki hızlı artışla belli eder ve bir yarıiletkenin yasak enerji aralığını belirlemede kullanılır. Bir fotonun momentumu h/λ (λ ışığın dalga boyu), kristalin momentumu h/ a ( a, örgü sabiti) ile kıyaslandığında çok küçük olduğundan foton soğurma esnasında elektronun momentumu korunmalıdır. Verilen bir h ν foton enerjisi için soğurma katsayısı α( h ν ), elektronun ilk durumdan son duruma geçiş olasılığı P if, ilk durumdaki elektron yoğunluğu n i ve son durumdaki elektron yoğunluğu denklem 3.66 da verildiği gibi n f ile orantılıdır. 52