p-si, GaAs ve Ge ALTTAŞLAR ÜZERİNE Al:ZnO FİLMLERİN BÜYÜTÜLMESİ; YAPISAL, OPTİK VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Gürkan KURTULUŞ

Transkript

1 p-si, GaAs ve Ge ALTTAŞLAR ÜZERİNE Al:ZnO FİLMLERİN BÜYÜTÜLMESİ; YAPISAL, OPTİK VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Gürkan KURTULUŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MART 2014 ANKARA

2

3 Gürkan KURTULUŞ tarafından hazırlanan p-si, GaAs ve Ge ALTTAŞLAR ÜZERİNE Al:ZnO FİLMLERİN BÜYÜTÜLMESİ; YAPISAL, OPTİK VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans Tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Ergün KASAP Tez Danışmanı, Fizik Anabilim Dalı... Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Fizik Anabilim Dalında Yüksek Lisans Tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Ali GENCER Fizik Anabilim Dalı, Ankara Üniversitesi.. Prof. Dr. Ergün KASAP Fizik Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi... Prof. Dr. Süleyman ÖZÇELİK Fizik Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi.. Tez Savunma Tarihi: 26 / 03 / 2014 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü..

4 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Gürkan KURTULUŞ

5 iv p-si, GaAs ve Ge ALTTAŞLAR ÜZERİNE Al:ZnO FİLMLERİN BÜYÜTÜLMESİ; YAPISAL, OPTİK VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Gürkan KURTULUŞ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mart 2014 ÖZET Bu tez çalışmasında, p-tipi, Si, GaAs ve Ge alttaşlar üzerine farklı kalınlıklarda Al katkılı ZnO (AZO) ince filmler RF magnetron püskürtme yöntemi ile büyütüldü. Oluşturulan filmlerin yapısal, elektriksel, morfolojik ve optik özellikleri analiz edildi. Numunelerin yapısal, optik ve morfolojik özellikleri X- ışını kırınımı (XRD), fotolüminesans (FL) ve atomik kuvvet mikroskobu (AKM) yöntemleri ile analiz edildi. Yapılan karakterizasyonlar sonucunda, AZO filmlerin hegzagonal kristal geometrisine ve c-düzlemine dik olacak şekilde polikristal kristal yapısına sahip olduğu belirlendi. XRD ve AKM desenlerinin analizinden, AZO filmlerindeki parçacık büyüklüklerinin artan film kalınlığı ile arttığı gözlendi. Optik analizler ile AZO filmlerinin banttan-banda yasak enerji aralıklarının 3.3 ev civarında olduğu görüldü. Ayrıca tüm örneklerde çinko kusurlarından kaynaklı 3.03 ev civarında ve oksijen boşluklarından kaynaklanan ev civarında kusur seviyeleri olduğu belirlendi. p-n eklem AZO/Si, GaAs ve Ge yapılarının fotovoltaik duyarlılıklarının incelenmesi amacı ile litografi ve metalizasyon işlemlerini içeren hücre fabrikasyonları yapıldı. Fabrikasyonu tamamlanan hücrelerinin elektriksel özellikleri akım-voltaj (I-V) ölçümleri ile belirlendi. Oluşturulan yapıların düşük verimlilikte fotovoltaik özellikleri belirlendi.

6 v Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Püskürtme, ZnO, p-n eklem, XRD, AKM, FL, I-V Sayfa Adedi : 79 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Ergün KASAP

7 vi THE DEPOSITION OF Al:ZnO FILMS ON p-si, GaAs AND Ge SUBSTRATES: THE INVESTIGATION OF STRUCTURAL, OPTICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES (M. Sc. Thesis) Gürkan KURTULUŞ GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES March 2014 ABSTRACT In this thesis, Al doped ZnO (AZO) thin films were grown on to the p-type, Si, GaAs, and Ge substrates by RF magnetron sputtering system with different thicknesses. The structural, electrical, morphological and optical properties of AZO films were analyzed. The structural, optical and morphological properties of the samples were analyzed by X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL), and atomic force microscopy (AFM) methods. From XRD results, AZO films have been in to the hexagonal crystal geometry and the polycrystalline crystal structure which is perpendicular to c-plane. It was observed that grain sizes of the AZO films increased with increasing film thickness from the analysis of the XRD and AFM patterns. The band gap energies of the AZO films were obtained band to band, about 3.3 ev from the optical analysis. Two defect levels which were around 3.03 ev arises from zinc defects and around ev arises from oxygen vacancy defects were determined at all samples. The fabrication processes which include the lithography and metallization processes were done to examine the photovoltaic sensitivity of p-n junction AZO/Si, GaAs, and Ge samples. The electrical properties of the fabricated p-n junction AZO samples were obtained from the Current-Voltage (I-V) measurements. The photovoltaic behaviors of the fabricated p-n junction AZO samples were determined as having low efficiency.

8 vii Science Code : Keywords : Sputtering, ZnO, p-n junction, XRD, AFM, PL, I-V Pages : 79 Supervisor : Prof. Dr. Ergün KASAP

9 viii TEŞEKKÜR Bu tezin önderliğini yapan, yardımlarını ve sevgisini hiçbir zaman eksik etmeyen sayın Prof. Dr. Ergün KASAP hocama çok teşekkür ederim. Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi ile tanışmamıza vesile olan, deneysel çalışmalarımda, bilgi ve birikimi ile beni yalnız bırakmayan Prof. Dr. Süleyman ÖZÇELİK hocama teşekkür ederim. Çalışmalarımda emeklerini ve güler yüzünü hiçbir zaman esirgemeyen değerli hocam Doç. Dr. Mustafa Kemal ÖZTÜRK e sonsuz minnettarım. Tezin her aşamasında bilgi ve deneyimleri ile bana yardımcı olan Dr. Saime Şebnem ÇETİN ve Uzm. Tarık ASAR hocalarıma çok teşekkür ediyorum. Çalışmalarım ve tez yazım sürecinde hem stresimi paylaşıp hem de yardımlarını esirgemeyen başta Emre PİŞKİN, Barış KINACI, Ümran Ceren BAŞKÖSE, Nihan AKIN, Yunus ÖZEN, Halil İbrahim EFKERE ve Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi çalışanlarına teşekkür ederim. Bu çalışmanın öncesinde ve sonrasında, manevi desteğini hiç esirgemeyen değerli abim Gökhan KURTULUŞ a en derin duygularla teşekkür ederim. Ve değerli ailem bugünümü size borçluyum. İyi ki varsınız Bu çalışma 2011K no lu Fotonik Araştırma Merkezi projesi ile Kalkınma Bakanlığı tarafından desteklenmiştir.

10 iv İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... iv ÇİZELGELERİN LİSTESİ... vi ŞEKİLLERİN LİSTESİ...vii RESİMLERİN LİSTESİ... ix SİMGELER VE KISALTMALAR... x 1. GİRİŞ GENEL BİLGİLER Oksit Bazlı Yarıiletkenler ZnO ve Özellikleri ZnO için temel fiziksel parametreler Kristal yapısı Elektronik bant yapısı Optik özellikleri Elektriksel özellikleri Yarıiletken p-n Eklem Yapıları n-tipi yarıiletken p-tipi yarıiletken p-n eklemi p-n ekleminin iletkenliği...23

11 v Sayfa p-n ekleminde meydana gelen optik olaylar Metal-Yarıiletken Kontaklar Schottky ve Ohmik kontaklar KULLANILAN KRİSTAL BÜYÜTME VE KARAKTERİZASYON SİSTEMLERİ Sputtering (Püskürtme) Sistemi X-Işını Kırınımı (XRD) Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) Fotolüminesans (FL) Akım-Voltaj (I-V) Ölçüm Sistemi YAPILARIN BÜYÜTÜLMESİ, KARAKTERİZASYONLARI: BULGULAR ve TARTIŞMA Yapılarının Büyütülmesi Yapıların Karakterizasyonu X-ışını kırınımı analizleri Fotolüminesans (FL) analizleri Atomik kuvvet mikroskobu (AKM) analizleri I-V analizleri SONUÇLAR KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 79

12 vi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. II-VI bileşik yarıiletkenlerin genel özellikleri...8 Çizelge 2.2. ZnO için fiziksel parametreler...9 Çizelge 2.3. Metal-Yarıiletken kontakların iş fonksiyonuna göre Schottky ve Ohmik kontaklar Çizelge 4.1. Arka ohmik kontak metalizasyon parametreleri Çizelge 4.2. Arka ohmik kontak tavlama parametreleri Çizelge 4.3. Numunelerin kaplama şartları Çizelge 4.4. Ön ohmik kontak metalizasyon parametreleri Çizelge 4.5. Ön ohmik kontak tavlama parametreleri Çizelge 4.6. AZO ince filmlerin yapısal parametreleri... 55

13 vii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. ZnO altıgen (hegzagonal) yapısı Şekil 2.2. Düzlemleri gösterilmiş hegzagonal ZnO yapısı Şekil 2.3. LDA metodu ile D. Vogelin yaptığı ZnO bant yapısı Şekil 2.4. Band yapısı ve altıgen ZnO'nun simetrileri Şekil 2.5. Oda sıcaklığında ZnO için tipik bir PL karakteristiği Şekil 2.6. ZnO nun elektron mobilitesi şematik gösterimi Şekil 2.7. Enerji bant diyagramında verici enerji seviyesinin gösterimi Şekil 2.8. Enerji bant diyagramında alıcı seviyesinin gösterimi Şekil 2.9. p-tipi bir yarıiletken için enerji bant diyagramında fermi enerji seviyesinin gösterimi Şekil Temel p-n eklem yapısı Şekil a) p-n eklemi oluşmadan önce fermi enerji seviyeleri b) p-n eklemi ve fermi enerjisi c) tükenme bölgesinde yük dağılımı d) tükenme bölgesindeki alan dağılımı Şekil İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi Şekil İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı Şekil Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi Şekil Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı Şekil Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin I-V karakteristiği Şekil n-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce, b) kontaktan sonra ısıl denge ve c) V 0 durumundaki enerji bant diyagramları Şekil p-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce,

14 viii Şekil Sayfa b) kontaktan sonra ısıl denge, c) V 0 durumundaki, enerji bant diyagramları Şekil 3.1. Püskürtme yönteminin şematik gösterimi Şekil 3.2. Bragg Yansıması şematiği Şekil 3.3. AKM nin çalışma prensibinin şematik gösterimi Şekil 3.4. FL ölçüm sisteminin şematik gösterimi Şekil 4.1. Arka ohmik kontak için kullanılan foto-maske görüntüsü Şekil 4.2. Üretilen AZO yapılarının şematik gösterimi Şekil 4.3. Noktasal kontak alanlarının belirlenmesi için kullanılan foto-maske görüntüsü Şekil 4.4. PR kalınlığını gösteren profilometre grafiği Şekil 4.5. S1, S2 ve S3 numunelerinin XRD kırınım desenleri Şekil 4.6. G1, G2 ve G3 numunelerinin XRD kırınım desenleri Şekil 4.7. T1, T2 ve T3 numunelerinin XRD kırınım desenleri Şekil 4.8. ZnO filminin enerji transfer mekanizması Şekil 4.9. Numunelerin oda sıcaklığında FL spektrumları Şekil Si alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri Şekil GaAs alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri Şekil Ge alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri Şekil AZO/p-Si numunelerinin I-V grafiği Şekil AZO/p-GaAs numunelerinin I-V grafiği Şekil AZO/p-Ge numunelerinin I-V grafiği Şekil Si üzerine kaplanan AZO filmli hücrelerin yarı logaritmik I-V grafiği... 66

15 ix RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. BESTEC magnetron püskürtme sistemi Resim 3.2. APD 2000 PRO XRD cihazının genel görünümü Resim 3.3. Cantilever ucu Resim 3.4. Omicron-Variable Temperature AFM/STM sistemi Resim 3.5. Horibe Jobin Yvon Fluorolog-3 sistemi Resim 3.6. I-V ölçüm sistemi... 41

16 x SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama a E g Å d E A E c E D E F E g E i Es E v ε Ge h Ө ɸ m ɸ s k λ m e m h * m h * m e Örgü sabiti Yasak enerji aralığı Angstrom Atomik düzlemler arası uzaklık Akseptör enerji düzeyi İletim bandı enerjisi Donor enerji düzeyi Fermi enerji seviyesi Yasak enerji aralığı İlk durum enerjisi Son durum enerjisi Valans bandı enerjisi Yarıiletkenin dielektrik sabiti Germanyum Planck sabiti Bragg açısı Metalin iş fonksiyonu Yarıiletkenin iş fonksiyonu Boltzman sabiti Dalga boyu Elektronun kütlesi Holün kütlesi Holün etkin kütlesi Elektron etkin kütlesi

17 xi Simgeler Açıklama n Si T T s V d δ I 0 h k l As Ɛ r E H P P N P Q İdealite faktörü Silisyum Sıcaklık Alttaş büyüme sıcaklığı Dış gerilim Kusur yoğunluğu Doyma akımı Miller indisi Miller indisi Miller indisi Arsenik Bağıl dielektrik sabiti Hidrojen iyonlaşma enerjisi p-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar n-tipi yarıiletkende azınlık taşıyıcılar Elektron yükü Kısaltmalar Açıklama AZO AKM AC CVD DI DLE DC FWHM FL I-V Al katkılı çinko oksit Atomik kuvvet mikroskobu Alternatif akım Kimyasal buhar biriktirme De-iyonize Derin seviye emisyonu Doğru akım Pik yarı genişliği Fotolüminesans Akım-gerilim

18 xii Kısaltmalar Açıklama KL LDA LED NBE RTA MBE MOCVD OLED PR RMS RF TCO TTFT UV VIS XRD Katotlüminesans Yerel yoğunluk tahmini Işık yayan diyot Yakın bant emisyonu Hızlı termal tavlama Moleküler tabaka büyütme Metal organik kimyasal buhar biriktirme Organik ışık yayan diyot Fotorezist Kare ortalama karekök Radyo frekansı Şeffaf iletken oksit İnce film transistör Morötesi Görünür bölge X-ışını kırınımı

19 1 1. GİRİŞ Teknolojik uygulamalarda yarıiletken fiziğinin önemi oldukça büyüktür. Yarıiletken fiziğinin gelişimi, uygulamadaki ihtiyaçlardan kaynaklanmaktadır ve günlük yaşantımızda hemen hemen her alanda kullandığımız yarıiletken aygıtlar içerisinde önemli bir yere sahip olan ince filmlerin elektriksel, optiksel ve yapısal analizlerinin yapılması bilimsel açıdan son derece önemlidir. Kalınlığı 1 µm den daha az olan metal oksit filmler ince film olarak adlandırılır. Oldukça geniş kullanım alanlarına sahip olan ince filmler; başlarda cam ve seramik üzerinde dekorasyon amaçlı kullanılmıştır. Daha sonraları gümüş tuzları kullanılarak cam yüzeyler üzerinde gümüş filmleri elde edilmiştir [1] de ilk metal filmler elektroliz yöntemi ile yapılmıştır de Grove parıltılı-boşalma püskürtme yöntemi, 1857 yılında ise Faraday asal gaz içerisinde buharlaştırma yöntemi ile metal oksit ince film elde etmiştir de Nahrwald vakum oluşturmak için Joule ısıtması kullanarak platin ince filmleri elde etmiş ve Kundt bir yıl sonra aynı yöntemle ince filmler elde etmiştir [2]. Yarıiletken metal-oksit ince filmler; polikristal filmler, tek ve çok bileşimli epitaksiyel filmler olmak üzere üç temel grupta elde edilmektedir. Tek ve çok bileşimli tek kristal filmler, epitaksiyel metotlarla büyütülmeleri ileri teknoloji kullanımı gerektiren maliyeti yüksek filmlerdir. Bu nedenle bilimsel çalışmalarda maliyeti düşük ve pratik olarak elde edilen polikristal filmler tercih edilmektedir. Polikristal filmler optik ve elektrik özellikleri nedeniyle güneş pili, yarıiletken dedektör gibi birçok uygulama alanı olan basit ve farklı yöntemlerle elde edilen yarıiletken materyallerdir [3]. Günümüzde yarıiletken malzemelerin fotodiyod, transistör, lazer, sensör, güneş pili, gösterim cihazları, optik ulaşım sistemleri ve askeri savunma tekniğinde kullanımı yaygındır. Ayrıca yarıiletken ince filmlerin; manyetik film, mikroelektronik aygıt, interference filtre gibi birçok alanda uygulamaları vardır. Yarıiletken malzemeler birçok yöntemle hazırlanabilmektedir. Püskürtme, Vakumda buharlaştırma, RF

20 2 Suputtering, Moleküler tabaka büyütme (MBE), Kimyasal buhar depolama (CVD), Metal Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) [4-6]. Sol-jel, filmlerin üretiminde kullanılan yöntemlerden bazılarıdır [7,8]. Literatürde birçok püskürtme tekniği mevcuttur. Genellikle bu tekniklerde kullanılan güç kaynaklarının özelliklerine göre değişik püskürtme teknikleri ortaya çıkmaktadır. Doğru akım (DC) püskürtme, radyo frekans (RF) püskürtme, magnetron püskürtme bunlardan bazılarıdır. Püskürtme yöntemi ile çeşitli iletken, yarıiletken veya yalıtkan malzemeler elde edilebilir. İletken olan malzemeler DC magnetron püskürtme, yalıtkan malzemeler ise RF magnetron püskürtme yöntemiyle oluşturulur. Vakum temelli ince film birikim teknolojileri iki temel kategoriye ayrılır: Fiziksel buhar birikimi (PVD) ve kimyasal buhar birikimi (CVD). Fiziksel buhar birikimi metotlarından biri olan püskürtme (sputtering) gerçekte yeterli enerji ile hedef malzemenin yüzeyini bombardıman eden enerjili parçacıkları içeren basit bir işlemdir. Fiziksel püskürtme çeşitli ortamlardaki iyon bombardımanıyla gerçekleşir. Yaygın olarak kullanılan ortamlar Ar +, Kr + gibi birer asal gaz içerirler. Ayrıca püskürtme diğer enerjili iyonlardan, nötronlardan, elektronlardan ve hatta fotonlardan bile oluşabilir. Püskürtme sistemi, vakum ortamında hedef malzemeden (target) fiziksel olarak koparılan atomların, alttaş üzerine ince film oluşturulması için yaygınca kullanılan bir sistemdir. Yarıiletkenler, periyodik tabloda Si, Ge gibi IV. grup elementlerinden, GaAs ve InSb gibi III-V grup bileşiklerinden ve kısmen de ZnS, CdS ve ZnO gibi II-VI grup bileşikleri ile bu bileşiklerin üçlü, dörtlü bileşiklerinden oluşturulmaktadırlar. Bu yarıiletkenlerden Si ve Ge doğal diğerleri ise yapay yarıiletkenlerdir. II-VI grup bileşikler, yarıiletkenlerin ve yarıiletken aygıtların geliştirilmesindeüretiminde oldukça önemli bir yere sahiptirler. Periyodik cetvelin II grubu elementlerinden olan Zn, Cd, Hg ile VI grup elementleri O, S, Se ve Te ikili, üçlü ve hatta dörtlü bilesikler olustururlar ev aralığında olmak üzere oldukça geniş enerji bant aralığına sahiptirler. Bu nedenle, geniş bant aralıklı yarıiletken

21 3 materyaller olarak bilinirler ve birçok elektro-optik aygıt geliştirmede yaygın olarak kullanılmaktadırlar [9]. Bu bileşikler, katot ışını tüplerinde pencere materyali olarak, elektrolüminesans cihazlarda, fotoiletkenlerde, güneş pillerinde, lazer diyotlarda, ince film transistörlerinde ve ultraviyole dedektörlerde kullanılmaktadırlar [9,10]. Metal-oksit yarıiletkenler içerisinde şeffaf iletken oksitlerden (TCO) olan ZnO, görünür bölgedeki yüksek geçirgenliğinden dolayı ayrıca önemli teknolojik uygulama alanlarına sahiptir [11]. ZnO bileşiği görünür bölgede yaklaşık %80-%90 optik geçirgenliğe sahiptir. Çok şeffaf ve iletken ZnO ince filmler güneş pillerinde kullanılabilir ve UV mavi, yeşil ve kırmızı ışık veren yeni nesil lazer diyot ve LED lerde de yer almaktadır. Ayrıca çinko oksit, sulu boyalarda beyaz pigment olarak ve lastik sanayisinde aktivatör olarak kullanılır. Geniş bir eksiton bağlanma enerjisine sahiptir. ZnO tüm asit ve alkalilerde kolaylıkla aşındırılabilir ve küçük boyutlu aygıtların üretimi için bir fırsat sağlar. ZnO oda sıcaklığında ev geniş ve direk enerji bant aralığına sahip n-tipi bir yarıiletkendir [12-14]. Molekül ağırlığı g, yoğunluğu 5.65 g/cm³ olan beyaz, gevşek yapılı bir tozdur. 52 bar basınç altında 1975 Cº de erir. 300 Cº e kadar ısıtıldığında limon sarısı rengine dönüşür. Soğutulduğunda ise eski rengini geri alır Cº de ise buharlaşmaya başlar [15,16]. Yüksek enerjili elektromanyetik radyasyona bilinen en dayanıklı yarıiletkendir. ZnO bileşiğinin kozmetik ürünleri, ilaç sanayi, varistör, gaz sensörü, yüzey akustik dalga cihazları (SAW) gibi değişik kullanım alanları vardır [17]. Yüksek güç, yüksek sıcaklık, yüksek frekans devrelerinde kullanılabilirler. Diğer yarıiletkenlere göre yüksek enerjili elektron radyasyonuna karşı dirençli olmalarından dolayı parçacık radyasyonunun yüksek olduğu bazı deneylerde kullanılmış olması ZnO in uzay araştırmaları için uygun olduğunu ispatlamıştır [18-20]; aynı zamanda nükleer santraller gibi karasal uygulamalarda da kullanılabilirler [15]. Yarıiletken ince filmler mikro elektronikte yaygın kullanıldığı gibi, optik uygulamaları açısından da çok büyük öneme sahiptirler. ZnO optik kaplamalar, geniş kullanım alanları nedeniyle geniş ürün yelpazesine ve ekonomik pazara sahiptirler [15].

22 4 ZnO yüksek eksiton enerjisine sahip olduğundan dolayı ışık üretme verimi diğer yüksek enerji aralıklı yarı iletkenlerden fazladır. Bu nedenle ZnO gösterge panellerinde, LED [21], fotodedektörlerde [5], lazer cihazlarında ve gaz sensör cihazlarında [22,23], kullanılma potansiyeline sahiptirler. Ayrıca ZnO pizoelektrik mikro kuvvet sensör parçacıkların üretiminde de kullanılmaktadır [24]. Bundan başka UV den yakın kırmızıaltı bölgeye kadar pek çok amaçlı optik filtrelerin üretiminde ve güneş pillerinde; gerilim düzenleyici olarak yüksek gerilim veya düşük akım elektronik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca savunma sanayinin ihtiyacı olan gece görüş sistemlerinde, ısıl kameralarda kullanılır. Aynı zamanda çeşitli aynalar ve özellikle enerji tüketimini azaltmakta kullanılan mimari camlarda yaygın olarak kullanılır [15]. II-VI bileşiklerinden olan yarıiletkenler, hem kübik hem de hekzagonal (wurtzite) kristal yapıda kristallenmektedir [9,25]. ZnO bileşiği hekzagonal yapıya sahiptir. Bu yapıda her Zn atomu birinci kabukta dört O atomu ile ikinci kabukta 12 Zn atomu ile çevrilmiştir. Örgü parametreleri a=3.249 Å ve c=5.205 Å dur. En yakın komşu anyon katyon uzaklığı 1.96 Å dur. Bu tez çalışmasında p-tipi iletkenliğe sahip Si, Ge ve GaAs üzerine doğal n-tipi olan ZnO filmleri kaplanarak birer pn-eklemli yapı oluşturulması ve bu yapıların ışığa duyarlılıklarının incelenmesi amaçlandı. Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi bünyesinde bulunan püskürtme sisteminde; önce Si, Ge ve GaAs alttaşlarının arka yüzeyine %99,99 saflıkta olan Au, oda sıcaklığında 1500 Å kalınlığında kaplandı. Sonra hızlı termal tavlama sisteminde (RTA- Rapid Thermal Annealing ) 375 C de bir dakika süresince tavlandı ve arka yüzeyin omik özellik göstermesi sağlandı. Arka yüzeyi omik olan Si, Ge ve GaAs alttaşların ön yüzeyine ZnO;1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarında 200 C de RF magnetron püskürtme yöntemiyle oluşturuldu. Oluşan filmlerin yapısal, optik ve elektriksel özellikleri araştırıldı. Yapısal özellikleri yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı (HRXRD) tekniği kullanılarak incelendi. Optik özellikler üzerinde farklı alttaşlara sahip ZnO yapısının kalınlığa göre etkisi incelendi. AKM (Atomik Kuvvet Mikroskobu) ile örnek

23 5 numunelerin yüzey morfolojisi incelendi ve oda sıcağında fotolüminesans (FL) ölçümleri yapıldı. Daha sonra yapıların elektriksel özelliklerinin incelenebilmesi için; ön yüzeye önce oda sıcaklığında 300 Å kalınlığında % 99,99 saflıkta Ti, sonra üzerine oda sıcaklığında 1000 Å kalınlığında % 99,99 saflıkta Au kaplandı. Kaplanan numuneler RTA sisteminde 330 C de bir dakika tavlanarak ön yüzeyinde omik kontak oluşması sağlandı. Kontaklar yapıldıktan sonra akım-gerilim (I-V) ölçümleri yapılarak ZnO malzemelerindeki kalınlığın elektriksel özellikleri üzerindeki etkileri incelendi. Bu çalışmanın birinci bölümünde, ZnO malzemesinin özellikleri ve önemi hakkında bilgi verildi. İkinci bölümde, yarıiletken teorisi ve ZnO yarıiletkeninin özellikleri üzerinde duruldu. Ayrıca ikinci bölümde yarıiletken pn eklem yapıları ve metal yarıiletken kontaklar hakkında bilgiler sunuldu. Üçüncü bölümde, ZnO filmlerinin büyütülmesi, farklı yöntemlerle karakterize edilmesi ve kullanılan karakterizasyon sistemleri hakkında bilgi verildi. Dördüncü bölümde, deneysel ölçümler sonucunda elde edilen veriler mevcut literatür ile kıyaslamalı olarak incelendi. Beşinci bölümde ise elde edilen sonuçlar tartışıldı.

24 6 2. GENEL BİLGİLER Günümüzde yoğun madde fiziğinin en çok ilgi gören araştırma dalları arasında ince film teknolojisi ve bu teknoloji için üretilen filmlerin özelliklerinin belirlenmesi önem taşımaktadır. Üretilen bu yarıiletkenler çok küçük hacimler içinde birçok işleve sahip olan, hızlı elektronik devre elemanlarının meydana getirilmesini kolaylaştırır ve teknolojinin gelişimine katkıda bulunmaktadır [26]. Gelişmiş teknoloji sayesinde modern cihazlar kullanılarak elde edilen filmlerin, kristal yapılarının elektriksel ve optiksel özelliklerinin belirlenmesi çalışmalarında ulaşılan başarılar gözlenen nitelikleri bu filmlerin kullanım alanlarının genişlemesini sağlamıştır. Teknolojik alandaki bu hızlı gelişmeler, kendi gelişimi ile beraber enerji problemini de beraberinde getirmiştir. Bunun sonucunda çalışmalar, yeni enerji kaynaklarını bulmaya yöneltmiştir. Yarıiletken ince filmlerin geliştirilmesi, sürekli bir enerji kaynağı olan güneş hücreleri üzerindeki çalışmalara önemli katkılar sağlamaktadır [27] Oksit Bazlı Yarıiletkenler Oksit tabanlı ince filmler; yüksek elektriksel iletkenlik, optik geçirgenlik ve geniş bant aralığına sahip olmalarından dolayı gaz ve biyolojik ajanların tespiti amacıyla sensör yapımında, boya duyarlı güneş pillerinin üretimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şeffaf iletken oksitler (TCO) son birkaç yıldır gelişmiş elektro-optik özellikleri nedeni ile teknolojik kullanımı yaygınlaşan yarıiletken filmler arasına girmişlerdir. Şeffaf iletken oksit ince filmler opto-elektronik aygıtların fabrikasyonundaki önemleri nedeni ile yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Şeffaf iletken oksitler; diyot, transistör ve ışık yayan diyotlar gibi p-n eklem tabanlı oksit aygıtlar, foto direnç gibi opto-elektronik cihazlar ve fotovoltaik güneş pilleri için kullanılabilir malzemelerdir [28].

25 7 Ayrıca yüksek iletkenlik ve optik geçirgenlikleri yanı sıra alttaş yüzeyine çok iyi tutunma ve yüksek kızılötesi yansıtma özellikleri ile imaj sensörleri, sıvı kristal ekranlar gibi geniş ve farklı uygulama alanları bulunmaktadır. Yine bu malzemelerle çok fonksiyonlu fotokatalitik, kendini temizleme ve antibakteriyel özelliğe sahip ürünlerin geliştirilmesi mümkündür ZnO ve Özellikleri II-VI grubu yarıiletken bileşikler, optik ve elektriksel özellikleri açısından iletken ve yalıtkanlara göre farklı avantajlar sağlar. Günümüzde endüstri kullanımında, bilimsel çalışmalarda, enerji kullanımında ve birçok alanda yaygın olarak sağladığı avantajları nedeniyle her geçen gün önemi artmaktadır. II-VI grubu bileşiklerin enerji bant aralığı ev arasında değişmektedir. Bu bileşiklerin geniş ve direk geçişli bant aralığına sahip oldukları için elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinde LED lerde ve fotodedektörlerde kullanılmaktadır [29]. II-VI grubu bileşiklerinde bağlanma; iyonik ve kovalent bağlanmadır. Bu bileşikler kübik ve hekzazonal yapıda kristallenirler. II-VI gurubu bileşiklerine ZnO, ZnS, ZnTe, CdS ve CdTe örnek olarak gösterilebilir. Bu yarıiletkenlerin özellikleri Çizelge 2.1 de gösterilmektedir.

26 8 Çizelge 2.1. II-VI bileşik yarıiletkenlerin genel özellikleri II-VI bileşik yarıiletkenler Bant aralığı (ev) Kristal yapısı ZnO 3.4 Hegzagonal ZnS 3.9 Hegzagonal ZnSe 2.7 Çinkosülfür ZnTe 2.3 Çinkosülfür CdS 2.5 Hegzagonal CdSe 1.8 Hegzagonal ve Kübik CdTe 1.5 Çinkosülfür ZnO diğer bileşik yarıiletkenlere oranla optik cihazlar için daha fazla çalışma olanağı sağlar [30]. ZnO, mekanik sistemlerdeki güç vericileri ve sensörler için özgün özelliklerinden dolayı geniş uygulama alanlarına sahiptir [31]. Yüksek enerjili elektromanyetik radyasyona en dayanıklı yarıiletken olan ZnO, uzay uygulamalarında da tercih edilebilecek bir malzeme olmasına neden olmuştur [32]. Ayrıca ZnO, güneş pilleri ve parlak ekranlar gibi uygulamalarda da kullanılmaktadır. Işık yayan diyot (LED), ince film transistör (TTFT) ve organik ışık yayan diyot (OLED) gibi önemli uygulamalarda kendine yer bulur. Bunlara ek olarak büyük piezoelektrik katsayısı nedeni ile bu malzemeden ses dalgası ve optik dalga kılavuzları olarak da yararlanılabilir [33] ZnO için temel fiziksel parametreler ZnO için temel fiziksel parametreler Çizelge 2.2 de gösterilmektedir [34-35].

27 9 Çizelge 2.2. ZnO için fiziksel parametreler Fiziksel parametreler a 0 Değerler 0,32495nm c 0 a 0/ c 0 0,52069nm Yoğunluk 5,606 g/m 3 1,602 (ideal hegzagonal yapı için 1,633) Termal iletkenlik 0,6-1-1,2 (ohm/cm) -1 Ergime noktası Statik dielektrik sabiti C 8,656 F/m Kırılma indeksi 2,008-2,029 Lineer genleşme katsayısı a 0 : 6,5x10-6, c 0: 3,0x10-6 Enerji bant aralığı Eksiton bağlanma enerjisi 3,37 ev, direkt 60 ev Elektron etkin kütlesi 0,24 Elektron mobilitesi (300 K) 200 cm 2 /Vs Deşik etkin kütle 0,59 Deşik mobilitesi (300 K) 5-50 cm 2 /Vs Kristal yapısı Teorik olarak ZnO dört farklı kristal yapıya sahip olabilir. Bunlar kübik, çinko sülfür, sezyum klorür ve hekzagonal yapılardır. Bunlar arasında hekzogonal yapı en yaygın ve en kararlı ZnO kristal yapısıdır. Çinko sülfür yapıdaki ZnO sadece kübik yapılar üzerinde istikrarlı bir büyüme yapar [36-38]. Oda sıcaklığında ZnO, kafes parametreleri a=3,25 Å ve c=5,12 Å ile bir altıgen (hegzagonal) kristal yapıya sahiptir. ZnO in yapısı Şekil 2.1 de gösterildiği gibi Zn ve O sırasıyla değişen tabakaları oluşturur. Anyon olan her bir O dört köşesinden katyon olan Zn ile çevrilidir. Hegzagonal yapı çinkosülfür yapısı ile

28 10 karşılaştırıldığında daha düşük iyoniklik gösterir [39]. Hegzagonal yapı üçgensel olarak ard arda Zn ve O çiftleri gibi çift atomlu sıkı paketlenmiş (0001) düzlemler içerir [40]. Şekil 2.1. ZnO altıgen (hegzagonal) yapısı [57] Zn-O bağı güçlü iyonik bağa sahiptir. Ancak tetrahedral koordinasyonda sp3 kovalent bağ özelliği gösterir ve böylece ZnO yapısı bir kovalent ve iyonik bileşik olarak olarak sınıflandırılabilir [41]. Hegzagonal ZnO nun en sık görülen 4 yüzeyi vardır; (0001) le son bulan Zn ve O (0001) le son bulan kutup yüzeyleri (c-eksen odaklı), eşit sayıda Zn ve O atomlarını birlikte içeren kutupsuz yüzeyler (1120) (a-ekseni) ve (1010) yüzeyleri. Kutup yüzeyleri farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahiptir. (0001) düzlemi temeldir ve O ile biten yüzey diğer üç yüzeyden biraz farklı bir elektronik yapıya sahiptir [42]. Ayrıca, (1120) yüzeyi daha az sabit ve çoğunlukla yüksek düzeyde pürüzlü yüzeye sahipken kutup yüzeyleri ve (1010) yüzeyi sabit bulunmaktadır. Bu karakterler ZnO nano yapılarının büyüme sürecinde önemli bir rol oynamaktadır.

29 11 Şekil 2.2. Düzlemleri gösterilmiş hegzagonal ZnO yapısı Elektronik bant yapısı Yarıiletken teknolojisinde; yarıiletkenin bant yapısı, kullanılacağı uygulamalarda çok kritik bir öneme sahiptir. Optik ölçümler ve bant yapı hesaplamaları yarıiletken elektronik bant yapılarını anlamada birbirlerini tamamlayıcıdırlar [43]. Bugüne kadar, Green in fonksiyonel methodu [44], Yerel Yoğunluk Yaklaşımı (LDA) [52-53], GW Yaklaşımı (GWA) [54-55] ve ilk ilkeler (FP) [48-50] yaklaşımı gibi karmaşıklık derecesi değişen birçok teorik yaklaşım, Wurtzite ZnO nun bant yapısını hesaplamak için kullanılmıştır. Ayrıca, Wurtzite ZnO daki elektronik durumların bant yapılarına ilişkin bir dizi deneysel çalışma da yayınlanmıştır [43-47,51]. Teorik hesaplama yönüyle, ZnO nun enerji bandı hakkında ilk hesaplamalar 1970 li yıllarda yapılmıştır da ilk defa, U. Rössler Green in fonksiyonel metodu ile relativistik kütle hızını ve Darwin düzeltmesini de içeren hexagonal Brillouin alanının ana simetri eksenleri boyunca hexagonal ZnO için enerji bantlarını hesaplamıştır [52]. Sonuçlar ZnO bant yapılarının ZnS bant yapısından farklı olduğunu göstermiştir. ZnO enerji bant yapısını teorik olarak hesaplamak için LDA,

30 12 WPA ve FP gibi çok daha fazla yöntem geliştirildi [48-50,53]. Örnek olarak, D. Vogel ZnO nun elektronik bant yapısını hesaplamak için LDA metodunu daha da geliştirmiştir [53]. D. Vogelin yaptığı çalışmalara uygun sonuçlar Şekil 2.3 te gösterilmiştir. Bant yapısı, hexagonal Brillouin alanında yüksek simetri hatları boyunca gösterilmektedir. Değerlik bandı maksimum ve en düşük iletim bandı minimum, ZnO nun bir yarıiletken doğrudan bant aralığı olduğunu gösteren Γ k=0 noktasında oluşur. Diğer yandan, standart LDA hesaplamalarından tespit edilen bant aralığı Şekil 2.3 ün sol tarafında gösterildiği gibi sadece 3 ev dir. Şekil 2.3. LDA metodu ile D. Vogelin yaptığı ZnO bant yapısı [53] 1970 lerin başında, D. W. Langer ve C. J. Vertely, ZnO daki çekirdek elektronların enerji seviyelerini belirlemek için uyarılmış X-ray fotoemisyon ölçümünü kullanmışlardır [56] yılında, R. A. Powel ve diğerleri, vakum içinde ayrılmış altıgen ZnO üzerinde fotoemisyon ölçümlerini gerçekleştirmişlerdir [43]. Sonuçlar Zn 3d çekirdek seviyesinin Rössler, Green in fonksiyonel bant hesaplama tahmininden ~3 ev düşük olan maksimum değerlik bandının altında, 7.5±0.2 ev da

31 13 yer aldığını göstermiştir [57]. Bu durum önceki X-ray fotoemisyon ölçümleri sonuçları (7,6 ev) ile mükemmel bir uyum içindedir [56]. Daha sonra, 1974 te Ley ve diğerleri, altıgen (hegzagonal) ZnO yu da içeren 14 yarı iletkenin toplam değerlik bandı X-ray fotoemisyon spekturumu (tayf) sunmuşlardır. Sonuçlar yarıiletkenlerin toplam değerlik bant yapısını saptamada, bant yapısı hesaplamaları ile X-ray fotoemisyon spektrum (tayf) kombinasyonunun güçlü bir yaklaşım sağladığını kanıtlamıştır. Şimdiye kadar bazı gruplar ZnO nun bant yapısını incelemek için yine de X-ray fotoemisyon spektroskopisini kullanmışlardır.[45-47]. ZnO değerlik bandının kristal olan ve dönüş yörünge etkileşimi aracılığıyla deneysel olarak, wurtzite simetrisi altında A, B ve C olarak isimlendirilmiş üç konuma bölündüğünü bilmek de önemlidir. Bu bölünme Şekil 2.4 te şematik olarak gösterilmektedir. A ve C alt bantları Γ 7 takım simetrisi olarak bilinir, orta bant süresince B, Γ 9 simetrisine sahiptir. [58]. Bant aralığı ilişkide verilen 300 K e kadar sıcaklık bağımlılığına sahiptir. Şekil 2.4. Band yapısı ve altıgen ZnO'nun simetrileri [58]

32 Optik özellikleri ZnO enerji seviyeleri, görünür bölgede geniş bir ışık yayar [59]. ZnO optik geçişlerini incelemek amacıyla kullanılan; yansıma, geçirgenli, soğurma, fotolüminesans (FL), katotlüminesans (KL) ve spektroskopik elipsometri gibi birçok deneysel teknik mevcuttur [60]. Şekil 2.5 de oda sıcaklığında ZnO yapısının tipik bir FL spektrumu gösterilmiştir. Burada 380 nm de oluşan dar ve şiddetli pik ZnO yapısına ait FL pikidir. Bu pik bize yasak bant aralığını belirlememize yardımcı olur. Buna göre ZnO yapısının yasak bant aralığı 3.26 ev olarak elde edilir. Şekil 2.5. Oda sıcaklığında ZnO için tipik bir PL karakteristiği Işıma kusurlarından dolayı ZnO yapısının farklı dalga boyu emisyonları araştrılmıştır. ZnO yapısının derin geniş bant emisyonu mor, mavi, yeşil, sarı ve kırmızı renkli emisyonlar sergilemiştir [60].

33 Elektriksel özellikleri ZnO yapısı oldukça yüksek bir yasak enerji bant aralığına (3,3 ev) sahiptir. Bu durum düşük elektronik gürültü, yüksek sıcaklık ve yüksek güç gerektiren uygulamalar için avantaj sağlar. ZnO yapısının bant aralığı, MnO ve CdO ile alaşım yapılarak bir başka değere (3-4 ev) ayarlanabilir. Şekil 2.6 da gösterildiği gibi ZnO yapısının elektron mobilitesi sıcaklıkla şiddetlice değişir. 80 K de yaklaşık 2000 cm 2 /(Vs) değerine ulaşır. Deşik mobilitesi çok düşük olup 5-30 cm 2 /(Vs) aralığındadır. Kesikli çizgiler, farklı saçılma mekanizmalarından toplam mobiliteye gelen katkıyı göstermektedir. Şekil 2.6. ZnO nun elektron mobilitesi şematik gösterimi [106] ZnO yapısı herhangi bir katkılama olmasa bile n-tipi karakter sergiler. n-tipi karakterin nedeni stokiyemetriden sapmalarla ilgilidir. III. grup elementlerini (Al, Ga, In gibi) katkılayarak, örgüde Zn atomlarının yerine bu atomların yerleşmesi ile ya da örgüdeki O atomlarının yerine VII. grup elementlerinin (CI, I gibi)

34 16 yerleşmesi ile n-tipi ZnO in elektriksel iletkenliğini artırmak mümkündür. ZnO yapıyı p-tipi katkılamak çok zordur. Bunun nedeni, p-tipi katkıların düşük çözünürlükleri ve n-tipi safsızlıkların baskın hale gelmesidir. p-tipi katkılamadaki sınırlamalar, ZnO yapısının optoelektronik ve elektronik uygulamalarını sınırlandırır. Bilinen p-tipi katkılayıcılar, I. grup elementleri, Li, Na, K; V. grup elemetleri N, P, As nin yanı sıra, bakır ve gümüşü içermektedir. Buna rağmen, bunların çoğu derin alıcıları oluşturur ve oda sıcaklığında kayda değer p-tipi iletkenlik sağlamazlar. ZnO yapısındaki kusurlar, elektriksel ve optiksel özellikleri önemli derecede etkilerler. Bu kusurlar, örgüde bir atomun olması gereken yerde olmaması ile genelde Zn ve O eksikliği ya da fazlalığı ile ortaya çıkarlar. Kusurların konsantrasyonu (N def ) Eş.2.1 formülü ile belirlenir. N def f E Nsite exp( ) (2.1) kt b Burada E f kusurların oluşması için gerekli enerji, k b Boltzman sabiti, T sıcaklık ve N size mevcut yerlerde üretilen kusurların dağılımıdır. Bu denkleme göre küçük oluşma enerjisi yüksek bir kusur konsantrasyonuna ve büyük oluşma enerjisi küçük bir kusur konsantrasyonuna neden olur. Kusurlar için önemli bir nokta, oluşma enerjileri yasak enerji aralığındaki fermi seviyesinin pozisyonuna ve kimyasal potansiyele bağlıdır [61]. p-tipi katkı fermi enerjisinin düşmesine yol açar ve bu yüzden yerel vericilerin oluşma enerjisi azalır. Bu sebeple fermi seviyesinin hareketi, ZnO yapısının yasak enerji aralığında kısıtlanır ve bu ZnO yapısında katkılamanın sınırlamasına neden olur. Bu olay kendi kendine karşılama olarak bilinir [62].

35 Yarıiletken p-n Eklem Yapıları n-tipi yarıiletken n-tipi yarıiletken elde etmek için yarıiletkenler verici atomları ile katkılanırlar. Örneğin; periyodik tablonun IV. grubunda bulunan Ge elementine V. grup atomlarından birinin (As, N, Sb gibi) uygun bir yöntemle katkılanmasıyla n-tip bir yarıiletken elde edilebilir. Ge elementine büyütme sırasında As elementi katkılanması bunun bir örneğidir. Bu durumda; As elementinde olan beş elektrondan dördü, Ge elementinin dört valans elektronuyla kovalent bağ oluşturur. As elementinin geriye kalan tek valans bandı elektronu bağ yapamaz. Fakat bu elektron As atomuna çok zayıf bir elektriksel kuvvetle bağlı olduğundan; çok küçük bir enerjiyle iyonlaştırılabilir. Bu durum elektronun kristal içinde serbest hareketine yol açar. Böylece Ge atomu fazladan bir elektron kazanmış olur. Bundan dolayı As atomuna verici (donor) atom denir. Şekil 2.7. Enerji bant diyagramında verici enerji seviyesinin gösterimi Yarıiletkenin içindeki verici atomlarının bulundukları enerji seviyelerine verici enerji seviyesi denir ve E d ile gösterilir. E d ifadesi Eş.2.2 de görüldüğü gibi; E d = (1/ε r ) 2 (m e */m e ) E H (2.2)

36 18 ile tanımlanır. Burada; ε r yarıiletkenin bağıl dielektrik sabiti, m e * elektronun etkin kütlesi, m e elektronun kütlesi, E H ise hidrojenin iyonlaşma enerjisini ifade eder. Verici enerji seviyesi iletkenlik bandına çok yakındır. Bu yakınlıktan dolayı bu seviyedeki verici atomları, küçük bir enerji ile iletkenlik bandına geçirilebilirler. Sonuç olarak iletkenlik bandında elektron sayısı artmasına rağmen, değerlik bandında boşluklar oluşmaz. Bu şekilde elde edilen n-tipi yarıiletkende, çoğunluk yük taşıyıcıları elektronların ve azınlık yük taşıyıcıları boşluklarındır. Elektronların, elektrik iletimine katkısı boşluklardan daha fazladır [63] p-tipi yarıiletken P-tipi yarıiletken oluşturabilmek için IIIA gurubunda bulunan (Al, B, In) alıcı (akseptör) atomlarla katkılama yapılır. Örnek olarak Si atomuna büyütme esnasında B katkılaması verilebilir. Bu durumda üç değerlik elektronuna sahip olan B atomu, dört değerlik atomuna sahip olan Si atomunun üç elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Si atomunun bağ yapmayan tek elektronu, elektron göçünü artırır. Her katkı atomuna karşılık, değerlik bandında bir boşluk oluşur. Alıcı atomlarının yarıiletken içerisinde bulundukları enerji seviyesi alıcı enerji seviyesi denir ve E a ile gösterilir. E a ifadesi Eş.2.3 de görüldüğü gibi; E a = (1/ε r ) 2 (m e */m e ) E H (2.3) bağıntısı ile tanımlanır ve enerji bant diyagramı Şekil 2.7 deki gibi gösterilir. Burada; ε r yarıiletkenin bağıl dielektrik sabiti, m h * boşluğun etkin kütlesi, m h boşluğun kütlesi, E H ise hidrojenin iyonlaşma enerjisini ifade eder.

37 19 Şekil 2.8. Enerji bant diyagramında alıcı seviyesinin gösterimi Alıcı enerji seviyesi, valans bandına çok yakındır. Bu seviyede bulunan atomlar bağlarını tamamlayabilmek için valans bandından elektron alırlar. Alıcı enerji seviyesine geçen her elektron, valans bandında bir boşluk oluşturur. Ancak bu durum iletkenlik bandındaki elektron sayısını arttırmaz. Elde edilen p-tipi yarıiletkende, çoğunluk yük taşıyıcıları boşluklar ve azınlık yük taşıyıcıları da elektronlardır. Bu durumda boşlukların elektrik iletkenliğine katkısı elektronlardan daha fazladır [63]. Ayrıca p-tipi yarıiletkende fermi enerji seviyesi; yasak enerji aralığında bulunduğu bölgeden kayarak, valans bandına yaklaşır. Bu kayma miktarı katkılanan atomun yoğunluğu ile ilgilidir. Fermi enerji seviyesi Şekil 2.9 da gösterilmiştir.

38 20 Şekil 2.9. p-tipi bir yarıiletken için enerji bant diyagramında fermi enerji seviyesinin gösterimi p-n eklemi Tüm yarıiletken düzeneklerin (diyot, transistör, güneş pili vs.) temel yapısı p-n eklemlerdir. Güneş pillerinde oluşturulan p-n eklemlerde, p-tipi ve n-tipi yarıiletkenlerin birleştiği yüzeyler büyük tutulmuştur. Bu ara yüzeylere düşen fotonların enerjilerinin bir kısmı, yarıiletkendeki serbest elektronlarını hareket ettirir. Bu durum sonucunda elektrik akımı üretilmiş olur [64]. Temel bir p-n eklem yapısı Şekil 2.10 da gösterilmiştir. Şekil Temel p-n eklem yapısı

39 21 Saf yarıiletkenlerin; verici atomlarıyla katkılanması sonucu n-tipi yarıiletkenler, alıcı atomlarıyla katkılanması sonucu da p-tipi yarıiletkenler elde edilir. Teorik olarak p-n eklemi p-tipi bir yarıiletkenle n-tipi bir yarıiletkenin birleştirilmesinden oluşur. Kristalin büyütülmesi sırasında p-tipi ve n-tipi bölgeleri arasında p-n eklemi oluşturulur [65]. p-n eklemi, yarıiletkenin iletkenliğinin tip değiştirdiği bölge olarak da düşünülebilir [66]. n ve p-tipi yarıiletkenlerin pn eklem oluşmadan önce enerji bant diyagramı Şekil 2.11 de gösterilmiştir. Fermi enerji düzeyi p-tipi yarıiletkende valans bandına yakınken, n-tipi yarıiletkende iletim bandına yakındır. Bu yarıiletkenlerle bir p-n eklemi oluşturulduğunda termal dengede fermi enerji seviyeleri iki türde de birbirine eşit olmalıdır. Şekil a) p-n eklemi oluşmadan önce fermi enerji seviyeleri b) p-n eklemi ve fermi enerjisi c) tükenme bölgesinde yük dağılımı d) tükenme bölgesindeki alan dağılımı

40 22 n-tipi yarıiletkende elektron fazlalığı, p-tipi yarıiletkende ise deşik fazlalığı olduğundan, n ve p-tipi yarıiletken bir araya getirildiğinde taşıyıcı yoğunluğundaki farklılık nedeniyle bir taşıyıcı difüzyonu oluşur. p tarafından n tarafına deşik difüzyonu, n tarafından p tarafına da elektron difüzyonu gerçekleşir. n tarafından p tarafına geçen elektronlar arkasında pozitif yüklü verici iyon bırakır, p tarafından n tarafına geçen deşikler ise eksi yüklü alıcı iyon bırakır. Uzay yükü bölgesini hareketsiz alıcı ve verici iyonlar oluştururlar. Bu yük sayesinde eklem bölgesinde artı yüklü verici atomlardan eksi yüklü alıcı atomlara doğru bir elektrik alan oluşur [67]. Denge durumunda eklem boyunca, elektrik alanındaki taşıyıcıların sürüklenmesinden kaynaklanan sürüklenme akımı nötrleştirilmelidir, yani net akım sıfır olmalıdır. J p (sürüklenme)+j p (difüzyon)=0 (2.4) J n (sürüklenme)+j p (difüzyon)=0 (2.5) p-n eklemi termal dengedeyken eklemin iki ucu arasında elektrik alandan dolayı oluşan potansiyel fark Eş.2.6 daki formül ile verilir; V kt pp kt nn ln( ) ln( ) (2.6) q p q n n p P p ; p-tipi yarıiletkendeki çoğunluk taşıyıcılar N p ; p-tipi yarıiletkendeki azınlık taşıyıcılar Dengede olan p-n eklemine dışarıdan bir potansiyel fark uygulandığında difüzyon akımları ile sürüklenme akımları arasındaki denge bozulur [68].

41 p-n ekleminin iletkenliği Akımın yalnızca bir doğrultuda iletilmesi p-n eklemin en belirgin özelliğidir. Fakat çoğunluk yük taşıyıcılarının difüzyonu sonucu p-n eklem bölgesinde meydana gelen iç elektrik alan, hareketli yükler için bir potansiyel engeli oluşturur. Bu yüzden bir dış devre gerilimi uygulanarak, potansiyel engel ortadan kaldırılır ve eklemden akım geçmesi sağlanır. p-n eklemine bir dış devre gerilimi uygulanması işlemine, p-n ekleminin beslenmesi ya da kutuplandırılması denir. Bu işlem ileri yönde beslenmesi ve ters yönde beslenmesi olarak iki şekilde yapılabilir [69]. p-n ekleminin ileri yönde beslenmesi Bir dış voltaj kaynağının pozitif kutbu eklemin p-bölgesine; negatif kutbu da n- bölgesine bağlanarak p-n ekleminin ileri yönde beslenmesi sağlanabilir. Bu durum dış voltaj kaynağının p-tipi bölgeye hol, n tipi bölgeye elektron sağladığı düşünülür. p-n eklem bölgesinde oluşan potansiyel engel, kaynak tarafından sağlanan bu yükler ile alçaltılır. Bunun sonucu olarak, çoğunluk yük taşıyıcılarının difüzyonu kolaylaşır. Difüzyon akımıyla sürüklenme akım arasındaki denge bozulur ve p-n ekleminden Şekil 2.12 de gösterildiği gibi bir yönde akım geçer [69]. Şekil İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi p-n ekleminin ileri doğru beslenmesi durumunda geçiş bölgesindeki potansiyel engeli, qv d kadar azalır. Burada q elektronun yükü, V d ise p-n eklemine bağlanan dış

42 24 voltaj kaynağının uçları arasındaki potansiyel farktır. İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı Şekil 2.13 de verilmiştir. Şekil İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı p-n ekleminin ters yönde beslenmesi Bir dış voltaj kaynağının pozitif kutbu eklemin n-bölgesine; negatif kutbu ise eklemin p-bölgesine bağlanarak bir p-n eklem ters yönde beslenebilir. p-n eklemin ters yönde beslenmesi Şekil 2.14 de gösterilmiştir. Şekil Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin geçiş bölgesindeki potansiyel engel qv d kadar artar. Çoğunluk yük taşıyıcılarının p-n eklem bölgesinden geçişi zorlaşırken, azınlık yük taşıyıcıların geçişi kolaylaşır. Difüzyon akımıyla sürüklenme akımı arasındaki

43 25 denge bozulur. Yarıiletken içindeki azınlık yük taşıyıcılarından dolayı, mikroamper seviyelerinde de olsa bir akım geçer. Bu akıma sızıntı akımı denir. Sızıntı akımı, p-n eklemine uygulanan ters beslem gerilimi ve sıcaklıkla doğru orantılı değişir. Ters yönde beslenen bir p-n eklem yapısının enerji bant diyagramı Şekil 2.15 de gösterilmiştir [69]. Şekil Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı p-n eklem bölgesindeki potansiyel engeli; ileri belsem durumunda çok küçük, ters beslem durumunda ise çok yüksek olur. İleri beslem durumunda akım tek yönde iletilir. Bu durumda p-n eklemi diyot gibi davranır. Ters yönde beslenen bir p-n eklem I-V karakteristiği Şekil 2.16 da gösterildiği gibi olur [66]. Şekil Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin I-V karakteristiği

44 26 Ters yönde beslenen p-n eklemine, bir V d dış gerilimi uygulandığında p-n ekleminden geçen I akımı Eş.2.7 deki formül ile bulunur. ( qvd kt I I 1) 0 e (2.7) bağıntısı ile verilir. Burada I 0 ters akımın maksimum değeri, q elektron yükü, k Boltzman sabiti ve T sıcaklıktır p-n ekleminde meydana gelen optik olaylar Güneş pillerinde ışık enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümü, p-n eklem bölgesindeki optik olaylar sonucu gerçekleşir. Bu olaylar fotoiletkenlik ve fotovoltaik olaydır. Işık altında kalan bir yarıiletkenin iletkenliğinin ve elektriksel özelliklerinin değişmesine fotoiletkenlik denir. Yarıiletken üzerine gelen ışığın foton enerjisi E yarıiletkenin yasak bant genişliği E g ye eşit veya ondan büyük olduğunda gözlenebilen bir olaydır [70]. p-n ekleminde gözlenen optik olaylardan ikincisi fotovoltaik olaydır. Yarıiletkene düşen ışığın, yarıiletkende oluşturduğu foton enerjisi etkisiyle elektron-boşluk çifti oluşturması olayına denir. Bu olay sonucu oluşan akıma fotoakım denir. Fotoakımın elde edilebilmesi için bir p-n ekleminin ışık almasını sağlamak gerekir. p-n ekleminden uzakta meydana gelen elektron-boşluk çiftleri, tekrar birleşerek yok olurlar. Bunların fotoakıma bir katkısı olmaz [70] Metal-Yarıiletken Kontaklar Metal ve yarıiletken malzemeler kontak edildiğinde, metal ile yarıiletkenin Fermi seviyeleri arasındaki farkın dengelenebilmesi için bantlarda bir miktar bükülme, yani yük taşıyıcı geçişi (difüzyon) meydana gelir [71,73]. Elektronların metal-yarıiletken eklem boyunca akışı, p-n eklemlerde meydana gelen yük transferine benzerdir. Bu tipteki eklemler, metal kontak olarak adlandırılırlar [74].

45 27 Yarıiletkenlerde metal kontaklar devre elemanlarında kullanıldıkları için oldukça önemlidir. Bu kontaklar ara yüzeye bağlı olarak Schottky engeli veya ohmik kontak gibi davranırlar. I-V karakteristiği lineerlikten uzaksa Schottky kontak, lineer ise ohmik kontak özelliği gösterirler. Yarıiletken ile metal birleştirildiğinde, metal-yarıiletken ara yüzeyinde yüklerin ayrışmasından dolayı bir potansiyel engel oluşur. Fermi enerji seviyeleri arasındaki farkın dengelenmesi için bantlarda bükülme olur. Isıl denge durumuna gelene kadar yani fermi enerji seviyeleri eşitlenen kadar hem metalden yarıiletkene hem de yarıiletkenden metale doğru yük akışı olur [71] Schottky ve Ohmik kontaklar Metal-yarıiletken kontak; schottky ve ohmik kontak olmak üzere ikiye ayrılırlar. Schottky kontakta iletkenliği sağlayan yük taşıyıcıları (holler ve elektronlar) bir yönden diğerine rahatlıkla iletilebilir. Yani akım, doğru besleme ile çok iyi iletilirken, ters beslemede hemen hemen hiç iletilemez. Ohmik kontaklarda ise yük taşıyıcıları her yönde rahatlıkla iletilebilir. Kontağın schottky veya ohmik olmasını, metal ile yarıiletkenin iş fonksiyonları belirler. İş fonksiyonu, bir elektronu fermi enerji seviyesinden vakum seviyesine çıkarmak için gereken minimum enerji miktarıdır. Fakat bu durum yarıiletkenler için değişken bir niceliktir. Fermi enerji seviyesi, katkılanan verici ya da alıcı atomların miktarına göre değişir. Metalin iş fonksiyonu m, yarıiletkenin iş fonksiyonu s 'dir. Çizelge 2.3 de metalin iş fonksiyonuna göre kontak yapısı verilmiştir. Çizelge 2.3. Metal-Yarıiletken kontakların iş fonksiyonuna göre Schottky ve Ohmik kontaklar n-tipi p-tipi Kontak Tipi m > s m < s Schottky m < s m > s Ohmik

46 28 Metal-yarıiletken yüzeyinde yüklerin ayrışmasından dolayı oluşan potansiyel engelin, o kontak hakkında elektriksel olarak ohmik ya da schottky karakterde olduğu bilgisini verir [72]. n-tipi yarıiletken/metal ohmik kontak Kontak alınmadan önce yarıiletkenin fermi enerji seviyesi metalin fermi seviyesinden s - m kadar aşağıdadır (Şekil 2.17.a). Kontak oluştuğunda elektronlar metalden yarıiletkene doğru akarlar. Isıl denge sağlanıncaya kadar elektron akımı devam eder. Bunun sonunda kontağın metal tarafında pozitif yüzey yükleri birikirken, yarıiletken tarafında negatif yükler birikir. Biriken bu zıt yükler bir dipol tabakası oluşturur. Kontak haline gelmiş ve dengedeki n-tipi ohmik kontakta metalden yarıiletkene ve yarıiletkenden metale kolayca yük akışı meydana gelir. Kontaktan sonraki enerji bant diyagramı Şekil 2.17.b de gösterilmiştir. Ohmik kontağa bir voltaj uygulandığında bu potansiyel Schottky kontakta olduğu gibi sadece kontak bölgesinde değil bütün yarıiletken boyunca dağılacaktır. Ohmik kontak oluşturabilmek için n-tipi yarıiletkenin yüzeyine metal buharlaştırılır ve yarıiletkenle alaşım haline gelmesi için belli bir sıcaklıkta tavlanır. Bunun sonucunda yarıiletkenin yüzeyinde bir n + tabakası oluşturulur. Bu oluşan tabaka yarıiletken ile karşılaştırıldığında elektron bakımından daha zengindir [75].

47 29 Şekil n-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce, b) kontaktan sonra ısıl denge ve c) V 0 durumundaki enerji bant diyagramları [105] p-tipi yarıiletken/metal ohmik kontak Kontak alınmadan önce metalin fermi enerji seviyesinden yarıiletkenin fermi seviyesi m - s kadar farklıdır. Kontak yapıldıktan sonra elektronlar yarıiletkenden metalin içine, geride pozitif bir yüzey bırakarak geçerler ve kontağın metal tarafında negatif bir yüzey yüküne sebep olurlar. Yük alış-verişi tamamlandıktan sonra, yarıiletkenin fermi seviyesi m - s kadar alçalarak metalin fermi seviyesi ile aynı düzeye gelir. Hol yoğunluğunun artmasından dolayı yarıiletken yüzey p-tipi olur. Böylece elektronlar metalden, yarıiletken içerisindeki boş durumlara kolayca geçebilirler. Bu yük hareketi hollerin yarıiletkenden, metale doğru geçmesine neden olur [76].

48 30 Isıl denge sağlandıktan sonra, kontağın her iki tarafında meydana gelen yüzey yüklerinden dolayı bir dipol tabakası oluşur. Bu tip bir kontakta taşıyıcılar, metalden yarıiletkene ve yarıiletkenden metale serbestçe geçer. Bir gerilim uygulandığında oluşacak potansiyel fark sadece kontak bölgesinde değil bütün yarıiletken boyunca dağılacaktır [77]. Şekil p-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce, b) kontaktan sonra ısıl denge, c) V 0 durumundaki, enerji bant diyagramları [105]

49 31 3. KULLANILAN KRİSTAL BÜYÜTME VE KARAKTERİZASYON SİSTEMLERİ Bu tez çalışmasında incelenen p-n eklem AZO yapıları Püskürtme sistemi ile büyütüldü. Büyütülen numunelerin X-ışını kırınımı (XRD), fotolüminesans (FL) ve atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ölçümleri ile yapısal, optik ve morfolojik özellikleri karakterize edildi. Ayrıca p-n eklem yapıların fabrikasyonları gerçekleştirilerek I-V karakteristikleri incelendi. Bu bölümde, çalışmamızda kullanılan büyütme ve analiz yöntemleri, kullanım amacına yönelik olarak tanıtıldı Sputtering (Püskürtme) Sistemi Bir vakum ortamında, Ar + gibi reaktif olan iyonlar yüksek gerilim altında hızlandırılarak hedef malzeme bombardıman edilir ve bombardıman sonucu koparılan atomların, alttaş üzerine biriktirilmesi olayına püskürtme işlemi denir. Şekil 3.1. Püskürtme yönteminin şematik gösterimi Püskürtme sistemi, her tür alttaşa uygun hedef malzemesi seçilerek biriktirme işlemi olanağı sağlar. Ayrıca sistemin düşük sıcaklıklarda biriktirme olanağı vermesi, yapıların kristalografik özellik göstermesi ve oluşan yapının homojen olması sistemin avantajlarıdır. Sistemin çalışma prosedürünün yavaş olması ise

50 32 dezavantajları arasında gösterilebilir [16]. Şekil 3.1 de hedef malzemeden Ar + iyonları hedefe çarpması ile bir molekülün kopması ve alttaş yüzeyine birikmesi gösterilmiştir. Burada pembe renkte gösterilen alan Ar + iyonlarının oluşturduğu plazma ortamıdır. Püskürtme tekniğinde saçılmanın verimi (µ) hedef malzemeden kopan parçacık sayısının hedefe çarpan iyon sayısına oranı olarak bilinir. (3.1) Saçtırma verimi bombardıman iyonlarının kütle numarasına, bombardıman iyonlarının enerjisine gönderilen iyonların hedefe çarpma açısına, hedef malzemenin cinsine ve ortamın sıcaklığına bağlıdır. Resim 3.1. BESTEC magnetron püskürtme sistemi Püskürtme tekniğinde verimi arttırmak için katot arasına mıknatıs yerleştirilir. Katoda uygulanan gücün türüne göre DC veya RF olarak gruplandırılır. İletken olan

51 33 malzemeler DC Magnetron püskürtme, hem iletken hem yalıtkan olan malzemeler ise RF Magnetron püskürtme tekniği ile biriktirilir. Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezinde bünyesinde bulunan Sputtering (püskürtme) sisteminde; Resim 3.1 de görüldüğü üzere 3 DC güç kaynağı ve 2 RF güç kaynağı mevcuttur [78] X-Işını Kırınımı (XRD) X-ışınları 1895 yılında Alman fizikçisi Wilhelm Röntgen tarafından keşfedilmiştir. Bu ışınlar kısa dalga boylu elektromagnetik dalgalardır. X-ışınları, ivmeli yüksek enerjili elektronların metal hedefteki atomlarla çarpışarak yavaşlamasıyla veya bu çarpışmalarla atomların iç yörüngelerindeki elektronların elektronik geçişleriyle oluşan kısa dalga boylu elektromagnetik ışınlardır. X-ışınlarının dalga boyu 0.1 A 0 ile 100 Å aralığındadır. Şekil 3.2. Bragg Yansıması şematiği Kristalleşmiş materyallerin yapısal kalitesini göstermek için kırınım deneyleri, kullanılan teknikler arasındadır. Kristallerin örgü parametrelerinin ölçülmesini sağlayarak yapısal kusurlar hakkında bilgi edinmemizi sağlayan bu tekniklerin temeli Bragg yasasına dayanır. Paralel düzlemler arası uzaklık d olan bir kristale monokramatik X-ışınları kristalin paralel düzlemlerine θ açısı yaparak gelir. Kristale giren X-ışınlarının kırılmadığı kabul edilirse, ışınlar atomların oluşturduğu düzlemlerden tekrar θ açısı yaparak yansıyacaktır.

52 34 Yansıyan tüm X-ışınları eğer düzlemler arası mesafe dalga boyunun tam katları ise yapıcı bir girişimle birleşecektir. Yansıma için geçerli şart Bragg yasası; 2d sin n şeklinde yazılır [19-20]. XRD ölçüm sonuçlarında piklerin yüksekliğinin yarı genişliği (FWHM), pik şiddetleri ve pik alanları literatürde yaygın olarak bilinen kristal kalitesini gösteren özelliklerdir. FWHM değeri ne kadar küçük olursa, yapının kristal kalitesi o kadar iyi olur [79]. Resim 3.2 de numunenin yapısal özelliklerinin analiz edilmesinde kullanılan APD 2000 PRO XRD cihazının resmi görülmektedir. Ölçümü yapılacak olan numune tutucuya yerleştirilir. Ölçüme başlamadan önce yükseklik ayarı yapılır ve X-ışını demeti numune yüzeyine paralel hale getirilir. Kaynakta oluşturulup numune üzerine düşen X-ışınları kırınıma uğrayarak dedektör tarafından toplanır. Oluşan piklerin spektrumu incelenen numune hakkında detaylı bilgi verir. Bu teknik ile herhangi bir malzemenin, Kristal yapısı Kristalin örgü parametreleri Kusur (dislokasyon) yoğunluğu Alaşım oranı gibi, bilgiler elde edebilir.

53 35 Resim 3.2. APD 2000 PRO XRD cihazının genel görünümü 3.3. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) AKM tekniği, 1980 lerin başında Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer tarafından IBM Research Zürih te geliştirilmiştir. Bu sistemin geliştirilmesi araştırmacılara 1986 da Nobel Ödülü kazandırmıştır [80]. İlk ticari AKM 1989 da piyasaya sürülmüştür. Şekil 3.3. AKM nin çalışma prensibinin şematik gösterimi

54 36 Atomik kuvvet mikroskobu ile malzeme yüzeyi analizi yapılmaktadır. Cihaz, iğne ile incelenen malzeme arasındaki kuvvet farklarını algılar. Yarıiletken teknolojisin de yüzey pürüzlülüğü birçok ana problem (örneğin; kontak deformasyonu, ısı ve elektrik akım iletkenliği) için önemlidir. Bu sebeple malzeme yüzeyinin pürüzlülüğü uzun yıllardır deneysel araştırma konusu olmuştur [81]. AKM cihazının çalışma prensibinin şematiği Şekil 3.3 de gösterilmiştir. AKM tekniği, Yüzeyin görünümü ve yüzeyde bulunan moleküller arasındaki ilişkiler hakkında bilgi veren yüzey topografisi, Maddeyi oluşturan parçacıkların büyüklükleri, şekli ve bu parçacıkların birbiriyle etkileşmeleri ile bilgi veren yüzey morfolojisi, Aşınma, korozyon, pürüzlendirme, sürtünme, kaplama, elektriksel yük, nano mekanik özellikler hakkında bilgi veren yüzey etkileşim özellikleri hakkında bilgi edinebiliriz. Resim 3.3. Cantilever ucu AKM de ölçüm alan iğne, silikon nitrürden yapılır ve buna bağlı olan nanometre boyutunda eğrilik yarıçapına sahip olan sivri bir uçtan oluşur. Malzeme yüzeyini taramak için bu sivri uç kullanılır. Resim 3.3 de AKM cihazının sivri ucunun

55 37 (Cantilever ucu) görüntüsü gösterilmiştir. Bu sivri ucun keskinliği arttıkça yatay çözünürlükte artmaktadır. İğne ve malzemenin yüzey atomları arasında atomik boyutlarda bir uzaklık bulunmaktadır. İğne malzeme yüzeyinde hareket ettikçe atomlar arası potansiyeller sebebiyle denge çubuğu aşağı ve yukarı doğru hareket eder. Böylelikle atomlar arası potansiyel kuvvetlerin denge çubuğu tarafından ölçülmesi ile yüzey topografisi Å seviyesinde ölçebilmektedir. Bazı durumlarda AKM tek bir atomun iki veya üç boyutlu görüntüsünü alabilir [82]. Bu tez çalışmasında numunelerin yüzey görüntüleri ve özellikleri Resim 3.4 de görülen AKM (Omicron-Veriable Temperature STM/AFM) cihazı elde edilmiştir. Resim 3.4. Omicron-Variable Temperature AFM/STM sistemi

56 Fotolüminesans (FL) Lüminesans uygulanan bir enerji ile uygulanan maddeden radyasyon yayılmasını sağlamaktır. Lüminesans uyarılma esnasında kullanılan enerjinin kaynağına göre sınıflandırılır. Uyarıcı enerji kaynağı olarak fotonların kullanılması ile gözlenen lüminesans fotolüminesans olarak adlandırılır. Fotolüminesans ise kendi arasında lüminesans olayının gerçekleşme süresinin uzunluğuna göre floresans ve fosforesans olmak üzere ikiye ayrılır. Fotolüminesans (FL) basit, çok yönlü ve numuneye zarar vermeyen bir ölçüm yöntemidir. Basit bir lüminesans sistemi optik uyarma için bir ışık kaynağı, bir spektrometre ve uygun bir dedektörden oluşur. FL ölçümleri, elektriksel uyarma gerektirmediği için numune hazırlanması kolaydır [83]. FL sisteminin şematik gösterimi Şekil 3.4 de verilmiştir. Şekil 3.4. FL ölçüm sisteminin şematik gösterimi Fotolüminesansın çalışma prensibi, yarıiletkendeki atomların uyarılması ve tekrar birleşmesine dayanır. Bir yarıiletken yüzeyine ışık düşürüldüğünde, gelen fotonun enerjisi ile elektronlar, yasak enerji aralığını aşarak değerlik bandından iletim bandına uyarılabilir ve ardında bir deşik (hole) bırakır. Yani ışığı absorplayan yapıda, bir elektron-deşik çifti oluşur. Yarıiletken malzemelerde optik uyarılma ile yaratılan elektron-deşik(hole) çiftleri tekrar birleşirken yani temel enerji durumlarına dönerken

57 39 kaybettikleri enerjiyi ışıma olarak yayarlar. Sonuçta foton oluşur ve bu fotonun enerjisi yarıiletkenin bant aralığına eşittir [83]. FL tekniği ile, Band aralığı (yasak enerji aralığı) enerjisi: yarıiletkenlerdeki en yaygın ışımalı geçiş, yarıiletkenin yasak enerji aralığına eşit olan iletkenlik ve valans bandındaki haller arasındaki geçiştir. Kirlilik (safsızlık) seviyeleri ve kusurlarının belirlenmesi: Yarıiletkenlerdeki ışımalı geçişler lokalize olmuş kusur seviyelerini kapsarlar. Bu seviyelere karşılık gelen fotolüminesans enerjisi belirli kusurları tanımlamak için kullanılabilir. Rekombinasyon mekanizmaları: Elektronların denge haline döndükleri zaman, hem ışımalı hem de ışımasız geçişler olabilir. FL pikinin şiddeti ve bunun fotouyarılma seviyesine ve sıcaklığa bağlılığı baskın rekombinasyon işlemi ile doğru orantılıdır. Malzemenin kalitesi: Bir FL spektrumunun şiddeti ve çizgi genişliği (FWHM) malzemenin kalitesini gösterir. Ayrıca kusurlarla ilgili piklerin varlığı epitaksiyel tabakadaki kusurların varlığının göstergesidir. bu özellikler belirlenebilir [84].

58 40 Resim 3.5. Horibe Jobin Yvon Fluorolog-3 sistemi Bu tez çalışmasında filmlerin optik özellikleri için fotolüminesans ölçümleri Resim 3.5 de gösterilen Horiba Jobin Yvon Fluorolog-3 sistemi kullanılarak yapıldı. Üretilen yarıiletken ince filmler 325 nm dalga boyuna sahip He-Cd lazer ile uyarılarak, oda sıcaklığında (300 K) fotolüminesans ölçümleri yapılmıştır Akım-Voltaj (I-V) Ölçüm Sistemi Bu tez kapsamında I-V ölçümleri karanlık ve aydınlık (AM1,5-1 Güneş) altında, Gazi FOTONİK bünyesinde bulunan Resim 3.6 da gösterilen Keithley 4200 sistemi ile gerçekleştirildi.

59 41 Resim 3.6. I-V ölçüm sistemi Numuneye uygulanan farklı gerilimler altında akım, kapasitans ve kondüktans ölçümleri ile materyalin dielektrik özellikleri, enerji band aralığı, ara yüzey durumların sayısı, I 0 doyma akımı, bariyer yüksekliği, taşıyıcı yoğunluğu (kalınlığa bağlı), iletkenlik, özdirenç, idealite faktörü (n), seri direnç gibi birçok fiziksel parametreleri hesaplanabilmektedir. Işık altında ve karanlık ortamda I-V karakteristikleri ölçülebilmektedir. Ölçüm sonucunda elde edilen veriler ile akımgerilim grafiği çizilerek numunenin elektriksel özellikleri belirlenebilmektedir. Numune tutucuya ve ölçüm istasyonu I-V yapılacak örneğin kontak bağlamaları için ölçüm istasyonunda dört ayrı test bağlantı teli ve altın kaplama uçlu bacakları olan yaylı pimler (numuneye zarar vermeyecek şekilde) bulunmaktadır. Bu yaylı pimler Resim 3.6 da görülmektedir. Ölçüm istasyonu elektriksel olarak her türlü kaynaktan izole edilmiştir ve gürültüden minimum miktarda etkilenir. Ayrıca ölçüm istasyonu farklı sayıda ve boyuttaki test hücrelerinin yerleşimi için ayarlanabilmekte olup birden çok sayıda numune ölçülebilmektedir.

60 42 4. YAPILARIN BÜYÜTÜLMESİ, KARAKTERİZASYONLARI: BULGULAR ve TARTIŞMA Bu tez çalışmasında, Al:ZnO (AZO) ince filmler püskürtme tekniği ile kaplanarak yapısal, optik ve elektriksel özellikleri incelendi. Bu araştırmalar için püskürtme yöntemi ile büyütülen üç adet AZO/Si (S1-S3), üç adet AZO/GaAs (G1-G3) ve üç adet AZO/Ge (T1-T3) p-n eklem yapıları kullanıldı. Bu numunelerin kaplanması aşağıda ayrıntılı olarak verildi. Numunelerin yapısal, optik ve elektriksel özellikleri, yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı (XRD), fotolüminesans (FL), atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ve akım-voltaj (I-V) ölçümleri değerlendirilerek belirlendi Yapılarının Büyütülmesi Bu tez çalışması kapsamında farklı alttaşlara (p-si, p-gaas ve p-ge) ve farklı kalınlıklara (1000, 2000 ve 3000 Å) sahip olan AZO numuneleri, fotovoltaik duyarlılıklarının incelenmesi amacıyla üretilmiştir. AZO ince filmlerinin üretimi üç ana başlık altında toplanabilir: a. Arka ohmik kontaklarının elde edilmesi b. AZO ince filmlerin kaplanması c. Ön ohmik kontaklarının elde edilmesi a. Arka ohmik kontaklarının elde edilmesi AZO ince filmlerinin üretimine, p-si, p-gaas ve p-ge alttaşların üzerine yapılacak arka ohmik kontakların elde edilmesi amacıyla fabrikasyon işlemlerine geçildi. Litografi ve metalizasyon işlemlerini içeren ve aşağıda detaylıca anlatılan fabrikasyon süreçleri, tüm alttaşlar için uygulandı. Fabrikasyona alttaşların, 12 mm x 12 mm lik üçer parça halinde kesilmesiyle başlandı.

61 43 Daha sonra alttaşlar, alkol ile yıkanarak azot ile kurutuldu. Alttaşların arka yüzeylerine AZ5214E fotorezisti (PR), Spin Coater cihazı ile 5000 rpm dönme hızında 40 s döndürülerek kaplandı. PR kaplama işlemi ardından numuneler ısıtıcı tabla ile 115 C de 45 saniye süreyle tavlandı. PR kaplaması ve tavlaması tamamlanan numunelere Şekil 4.1 de verilen maske kullanılarak, Karl-Suss marka maske hizalama sistemi ile UV pozlama işlemi, sıkı kontak-8 saniye olarak uygulandı. Şekil 4.1. Arka ohmik kontak için kullanılan foto-maske görüntüsü Pozlama işlemi sonunda UV ışığa maruz bırakılan PR bölgeleri developer adı verilen çözelti içinde çözülebilir hale gelmektedir. Çözme işlemi için AZ5214E fotorezistini çözebilen AZ400K çözeltisi kullanılmaktadır. Çözme işlemi için AZ400K ile de-iyonize su (DI) 1:4 oranında (1 AZ400K:4 H 2 O) karıştırıldı. Alltaşlar, developer çözeltisi içinde 27 saniye bekletilerek önceden UV ışığa maruz bırakılmış olan PR alanlarının çözünüp, arka yüzeyde metal kaplanacak kare alanların oluşması sağlandı. Ardından numuneler hemen de-iyonize suda durulandı ve kuru azot ile kurutuldu. Fotorezist kalınlığı yüzey profilometresi ile ölçüldü ve PR kalınlığının yaklaşık 1300 nm olduğu gözlendi.

62 44 Buharlaştırma yöntemiyle, alttaşların arka yüzeyine Au metali üçerli gruplar halinde kaplandı ve metalizasyon parametreleri Çizelge 4.1 de verildi. Çizelge 4.1. Arka ohmik kontak metalizasyon parametreleri Kaplama Şartları Alttaş p-si p-gaas p-ge Alttaş Sıcaklığı ( o C) Taban Basıncı (mbar) 1.6 x x x 10-7 Kaplama Basıncı (mbar) 4.1 x x x 10-3 Au Kaplama Oranı (Å/s) Au Kaplama Kalınlığı (Å) Metalizasyon işlemleri bittikten sonra, metallerin dışındaki fotorezistin kaldırılması için numuneler aseton içinde bir gün bekletildi. Fotorezist kaldırma işleminden sonra, optik mikroskop altında yapılan incelemeler sonucu metalizasyon işlemlerinin başarıyla gerçekleştiği görüldü. Numunelerin arka yüzey metalizasyonu ve fotorezist kaldırma işlemleri tamamladıktan sonra, RTA cihazında, Çizelge 4.2 de parametreleri verilen tavlama işlemleri yapıldı. Çizelge 4.2. Arka ohmik kontak tavlama parametreleri Alttaş Ortam Basıncı (mbar) Tavlama Sıcaklığı ( o C) Tavlama Süresi (s) p-si 6.1 x p-gaas 6.4 x p-ge 6.3 x

63 45 b. AZO ince filmlerin kaplanması Geniş bant aralığı nedeniyle ZnO çok tercih edilen bir materyaldir. Bu özelliğinden dolayı gaz sensörleri, piezoelektrik aygıtlar ve güneş hücre uygulamaları gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır [85,86]. AZO ince filmleri birçok metot kullanılarak büyütülebilir, temelde ve yaygın olarak kullanılan RF magnetron püskürtme yöntemidir. Magnetron püskürtme tekniğinin yaygın olarak kullanılmasının nedeni, düşük sıcaklıkta biriktirme imkanı vermesi ve maliyetinin diğer metotlara göre daha düşük olmasıdır. Ayrıca, vakum buharlaşma, reaktif buharlaşma, metal organik kimyasal buhar biriktirme teknikleri de kullanılmaktadır [87,88]. Şekil 4.2. Üretilen AZO yapılarının şematik gösterimi Şekil 4.2 de şematik gösterimi verilen AZO yapılarının, Al katkılı ince filmler p-tipi Si, p-tipi GaAs ve p-tipi Ge alttaşlar üzerine RF Magnetron püskürtme tekniği ile kaplandı. İnce filmlerin kaplanması için %2 oranında Al 2 O 3 katkılanmış % saflıkta ZnO hedef (target) kullanıldı. Kaplama işleminden önce alttaşlar, alkol ile yıkandı ve azot ile kurutuldu. Daha sonra farklı alttaşlar üçerli gruplar halinde, üç farklı numune tutucuya yerleştirilerek, yükleme odasında bulunan kasetliğe yüklendi. Biriktirme işleminden önce kaplamanın yapılacağı ortam 2.1 x 10-7 mbar basınca kadar vakumlandı. Üç adet farklı alttaş içeren numune tutucularından bir tanesi kaplamanın yapılacağı odaya transfer edildi. Kaplama işlemi boyunca basınç 4.2 x 10-3 mbar civarında tutulurken, alttaşlar üzerine AZO ince filmleri 1000 Å olarak kaplandı. Kaplama kalınlığının tayini, kalınlık ölçer (thicknessmeter) ile yapıldı. Benzer işlemler, 2000 ve 3000 Å kalınlıklı AZO ince filmlerin üretimi için de

64 46 uygulandı. Böylece, Çizelge 4.3'de şartları sunulan, AZO ince filmlerin kaplaması tamamlandı. Çizelge 4.3. Numunelerin kaplama şartları Alttaş Numune Adı ZnO kalınlığı (Å) Alttaş Sıcaklığı (C ) Ar/O 2 Oranı p-si p-gaas p-ge S S S G G G T T T /10 c. Ön ohmik kontaklarının elde edilmesi AZO ince filmlerin kaplanmasından sonra, numuneler üzerine yapılacak ön ohmik kontakların elde edilmesi amacıyla fabrikasyon işlemlerine geçildi. Litografi ve metalizasyon işlemlerini içeren ve aşağıda detaylıca anlatılan fabrikasyon süreçleri, üretilen tüm numuneler için uygulandı. Numuneler önce aseton sonra alkol ile temizlendi. Daha sonra numunelerin yüzeyine AZ5214E fotorezisti (PR), Spin Coater cihazı ile 4200 rpm dönme hızında 50 s döndürülerek kaplandı. PR kaplama işlemi ardından numuneler ısıtıcı tabla ile 110 C de 50 saniye süreyle tavlandı. PR kaplaması ve tavlaması tamamlanan numunelere uygun maskeler kullanılarak, Karl-Suss marka maske hizalama sistemi ile UV pozlama işlemi, sıkı kontak-10 saniye olarak uygulandı. UV pozlama işleminde kullanılan foto-maske görüntüsü aşağıdaki Şekil 4.3 de verildi.

65 47 Şekil 4.3. Noktasal kontak alanlarının belirlenmesi için kullanılan foto-maske görüntüsü Pozlama işlemi sonunda UV ışığa maruz bırakılan PR bölgeleri developer adı verilen çözelti içinde çözülebilir hale gelmektedir. Çözme işlemi için AZ5214E fotorezistini çözebilen AZ400K çözeltisi kullanılmaktadır. Çözme işlemi için AZ400K ile de-iyonize su (DI) 1:4 oranında (1 AZ400K:4 H 2 O) karıştırıldı. Numuneler developer çözeltisi içinde 27 saniye bekletilerek önceden UV ışığa maruz bırakılmış olan PR alanlarının çözünüp gitmesi sağlandı. Bu işlem sonunda numuneler üzerinde içleri metal ile doldurulmaya hazır açıklıklar oluşturuldu. Ardından numuneler hemen de-iyonize suda durulandı ve kuru azot ile kurutuldu. Fotorezist kalınlığı yüzey profilometresi ile ölçüldü ve Şekil. 4.4 de görüldüğü üzere, PR kalınlığının yaklaşık 1570 nm olduğu gözlendi.

66 48 Şekil 4.4. PR kalınlığını gösteren profilometre grafiği Buharlaştırma yöntemiyle, alttaşların ön yüzeyine önce Ti ve hemen üzerine Au metali üçerli gruplar halinde kaplandı ve metalizasyon parametreleri Çizelge 4.4 de verildi. Çizelge 4.4. Ön ohmik kontak metalizasyon parametreleri Numuneler S1-S2-S3 G1-G2-G3 T1-T2-T3 Alttaş Sıcaklığı ( o C) Taban Basıncı (mbar) 1.8 x x x 10-7 Kaplama Basıncı (mbar) 4.4 x x x 10-3 Ti Kaplama Oranı (Å/s) Ti Kaplama Kalınlığı (Å) Au Kaplama Oranı (Å/s) Au Kaplama Kalınlığı (Å) Toplam Kaplama Kalınlığı (Å)

67 49 Metalizasyon işlemleri bittikten sonra, metallerin dışındaki fotorezistin kaldırılması için numuneler aseton içinde bir gün bekletildi. Fotorezist kaldırma işleminden sonra, optik mikroskop altında yapılan incelemeler sonucu metalizasyon işlemlerinin başarıyla gerçekleştiği görüldü. Numunelerin ön yüzey metalizasyonu ve fotorezist kaldırma işlemleri tamamladıktan sonra, RTA cihazında, Çizelge 4.5 de parametreleri verilen tavlama işlemleri yapıldı. Bütün bu işlemler sonucunda, numunelerin üretimleri tamamlanmış oldu. Çizelge 4.5. Ön ohmik kontak tavlama parametreleri Numunler Ortam Basıncı (mbar) Tavlama Sıcaklığı ( o C) Tavlama Süresi (s) S1-S2-S3 5.4 x G1-G2-G3 5.6 x T1-T2-T3 5.8 x Yapıların Karakterizasyonu Magnetron püskürtme yöntemi ile büyütülen AZO/Si, AZO/GaAs ve AZO/Ge numunelerinin yapısal, optiksel ve elektriksel özellikleri XRD, FL, AKM ve I-V ölçümleri değerlendirilerek belirlendi X-ışını kırınımı analizleri Numunelerin X-ışını kırınım desenleri APD 2000 PRO X-ışını kırınım cihazı kullanılarak alındı. Kırınım desenlerindeki piklerin pik pozisyonları ve pik yarı genişlik (FWHM) değerleri kullanılarak, düzlemler arası uzaklık (d), örgü parametresi (c), parçacık boyutu (D), zorlama (microstrain) (Ɛ) ve dislokasyon (çizgi kusuru) yoğunluğu (δ) değerleri hesaplanarak yapısal analizleri gerçekleştirildi. ZnO kristali hezagonal yapıdadır ve birim hücresi a ve c örgü parametresi ile karakterize edilen hekzagonal yapılı bir kristal için düzlemler arasındaki uzaklık ve

68 50 örgü parametresi arasındaki ilişki; 1 4 h hk k l d 3 a c (4.1) Şeklindedir [89]. Burada h, k ve l miller indisleridir. Bu eşitlik ve Eş.3.2'de tanımlanan Bragg Yasası ifadesinden yararlanılarak örgü sabitleri hesaplanabilir. Örgü parametrelerinin hesaplanmasında iki yaklaşım uygulanabilir. Birinci yaklaşım hk 0 tipi yansımalardan yararlanılarak a örgü sabitinin bulunmasıdır. l 0 için Eş. 4.1 ve Eş.3.2 kullanıldığında sin 4 4a 3 h hk k (4.2) eşitliği elde edilir ve bu eşitlikten a örgü sabiti a h hk k 3 sin 2 2 (4.3) ifadesi ile verilir. İkinci olarak 00l tipi yansımalar kullanılarak sin l 4a 4c c a l (4.4) eşitliği ve buradan da c örgü sabiti c l (4.5) 2sin şeklinde elde edilir [89].

69 51 p-n eklem yapıları fotovoltaik aygıtları oluşturmakta kullanıldığı zaman yüzey alanının hücre verimine etkisi gündeme gelmektedir. Elektro-optik aygıtlarda yüzey alanının düşük olması avantaj iken, fotovoltaik aygıtlarda yüzey alanının azalması ise foto-akımın azalmasına yol açtığı için dezavantajdır. Parçacık boyutu büyüdükçe yüzey alanı arttığı için parçacık boyutlarının belirlenmesi önemlidir. Bu amaç ile AZO filmlerden üretilen fotovoltaik yapının parçacık boyutları D 0,9. B cos (4.6) ile verilen Scherrer denklemi yardımı ile hesaplanabilir [90]. Burada B ve sırasıyla, kırınım pikinin pik yarı genişliği ve pik pozisyonudur. Ayrıca, yapılarda dislokasyon yoğunluğunun ve zorlamanın fazla olması bu yapılardan üretilecek olan aygıtların performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Büyütülen yapılarda dislokasyon yoğunluğu (δ) ve zorlama (Ɛ) değerleri n, n 1 2 D (4.7) 1 B Dcos tan (4.8) ifadeler ile hesaplanabilir [68]. Şekil 4.5.a da püskürtme sistemi ile (100) yönelimli Si alttaşlar üzerine biriktirilen S1, S2 ve S3 AZO yapılarının XRD kırınım desenleri verildi. Biriktirilen yapıların XRD kırınım desenleri incelendiğinde ZnO'in hegzagonal yapıdaki (002) ve (004) düzlemlerinden kaynaklanan piklerin oluştuğu görüldü. (002) ve (004) düzlemlerinden gelen yansımalardan kaynaklanan piklerin sırasıyla yaklaşık 34 ve 72 'de olduğu ve bu pik pozisyonu değerlerinin literatür ile uyumlu olduğu görüldü [91].

70 Şekil 4.5. S1, S2 ve S3 numunelerinin a) tüm kırınım pikleri b) ZnO (002) kırınım piki 52

71 53 Şekil 4.6. G1, G2 ve G3 numunelerinin a) tüm kırınım pikleri b) ZnO (002) kırınım piki Püskürtme sistemi ile (110) yönelimli GaAs alttaşlar üzerine biriktirilen G1, G2 ve G3 AZO yapılarının XRD kırınım desenleri Şekil 4.6.a da verildi. Bu şekilde ZnO'in hegzagonal yapıdaki yaklaşık 34 'de (002) ve 72 'de (004) düzlemlerinden kaynaklanan piklerin oluştuğu görüldü ve bu pik pozisyonu değerlerinin literatür ile uyumlu olduğu görüldü [91].

72 54 Şekil 4.7. T1, T2 ve T3 numunelerinin a) tüm kırınım pikleri b) ZnO (002) kırınım piki (100) yönelimli Ge alttaşlar üzerine biriktirilen T1, T2 ve T3 AZO yapılarının XRD kırınım desenleri Şekil 4.7.a da verildi. Hegzagonal yapıdaki ZnO'in c yöneliminde yaklaşık 34 'de (002) ve 72 'de (004) düzlemlerinden kaynaklanan piklerinin oluştuğu görüldü ve bu pik pozisyonu değerlerinin literatür ile uyumlu olduğu görüldü [92]. Şekil 4.5.a, 4.6.a ve 4.7.a incelendiğinde ZnO yapısının c düzlemi yönünde büyüdüğü görüldü [93]. Şekil 4.5.b, 4.6.b ve 4.6.b'de numunelerin ZnO (002) piklerine ait kırınım desenleri verildi. Bu desenlerden elde edilen pik pozisyonu ve pik yarı genişlik değerleri (FWHM) Çizelge 4.6'de verildi. AZO filmlerin kalınlığı arttıkça ZnO (002) pik şiddetinin arttığı ve FWHM değerinin azaldığı gözlemlendi. Bu durum AZO film kalınlığının artması ile yapının kristal kalitesinin arttığını gösterdi [93].

73 55 Çizelge 4.6. AZO ince filmlerin yapısal parametreleri Numune 2θ( o ) B( o ) d(å) c(å) D(nm) δ (x10 11 cm -2 ) Ɛ (10-3 ) S1 34,274 0,405 2,614 5,228 20,498 2,379 2,551 S2 34,617 0,317 2,589 5,178 26,249 1,451 1,973 S3 34,551 0,249 2,594 5,188 33,314 0,901 1,557 G1 34,151 0,380 2,623 5,247 21,854 2,094 2,401 G2 34,639 0,269 2,587 5,175 30,874 1,049 1,676 G3 34,523 0,266 2,596 5,192 31,317 1,019 1,658 T1 34,322 0,396 2,611 5,221 20,981 2,271 2,488 T2 34,508 0,317 2,597 5,194 26,269 1,449 1,977 T3 34,533 0,239 2,595 5,190 34,699 0,830 1,496 Numunelerin (002) piklerinin pik pozisyonları ve FWHM değerlerinden yaralanılarak d düzlemler arası uzaklık, c örgü sabiti, parçacık boyutu, dislokasyon yoğunluğu ve zorlama değerleri hesaplandı ve Çizelge 4.6'da verildi. Hesaplanan düzlemler arası uzaklık ve örgü parametresi değerlerinin literatür ile uyumlu olduğu görüldü [92]. Numune kalınlığının artması ile parçacık boyutunun arttığı gözlendi ve dolayısıyla fotovoltaik aygıtlar için önemli olan yüzey alanının arttığı görüldü. Ayrıca, artan kalınlık ile birlikte parçacık boyutunun artmasının ince filmlerde daha iyi bir kristalleşme sağladığı şeklinde yorumlandı [94]. AZO film kalınlığı arttıkça dislokasyon yoğunluğu ve zorlama değerlerinin azaldığı görüldü. Bu azalmanın kristal kalitesini olumlu yönde etkilediği düşünülmektedir Fotolüminesans (FL) analizleri Oda sıcaklığında gerçekleştirilen fotolüminesans (FL) ölçümlerinde, optik uyarma kaynağı olarak 50 mw gücünde, 325 nm dalgaboylu He-Cd lazer olan, Horiba Jobin Yvon marka Fluorolog-3 fotolüminesans spektrometresi kullanıldı. Numunelerin nm dalgaboyu aralığında kaydedilen fotolüminesans spektrumlarında, mor ötesi (UV) ve görünür (VIS) bölgeleri kapsayan geniş emisyon pikleri gözlemlendi. ZnO filmlerin kusur durumlarının ve eksitonik enerji transfer mekanizmasının şematik bir gösterimi Şekil 4.8 de verildi.

74 56 Şekil 4.8. ZnO filminin enerji transfer mekanizması [104] AZO filmlerin oda sıcaklığında ölçülen fotolüminesans emisyon spektrumları ve yapılan Gaussian fitler, dalga boyuna bağlı olarak Şekil 4.9 da verildi. FL spektrumlarında UV ve VIS bölgeleri olmak üzere iki farklı emisyon bölgesi bulundu. Tüm örneklerde iletkenlik bandı ile valans bandı arasındaki geçişlerden kaynaklanan ana emisyon piki yaklaşık 3.3 ev civarında görüldü. AZO filminin yakın bant kenarı emisyonuna (NBE) katkıda bulunur. Bu UV emisyon foton ile üretilen yüklü taşıyıcıların yeniden birleşmesinden türetilmiştir. İkinci geniş emisyon bölgeleri (kusur seviye emisyonları ile ilgili) mavi-kırmızı bölgelerde gözlendi. Yaklaşık ev ve ev civarındaki pikler yeşil-mavi dalga bandı ile ilişkilidir ev civarına yerleşen mavi emisyon çinko ile zengin numunelerde gözlenen zinc interstitial, örgüde fazlalık durumun söz konusu olduğu durum, kusurları ile ilgilidir [95,96]. Bu emisyonlar Zn interstitialden valans bandına geçişler nedeniyledir [97]. Zn interstitialin donor (verici) merkezi olarak davrandığı tahmin edildi [98]. Oksijen boşluklarının sebep olduğu derin seviye emisyonları (DLE) olarak bilinen yeşil emisyon ise ev civarında gözlendi [99]. Diğer pikler ise yine kusur seviyelerinden geçişlerden kaynaklanmaktadır.

75 Şekil 4.9. Numunelerin oda sıcaklığında FL spektrumları: (a) S1, (b) S2, (c) S3, (d) G1, (e) G2, (f) G3, (g) T1, (h) T2 ve (ı) T3 [Burada siyah çizgi ile gösterilen eğriler deneysel ölçümü, kırmızı çizgiler ile gösterilen eğriler Gaussian fitleri ve kırmızı nokta ile gösterilen eğriler toplam Gaussian fitini göstermektedir]. 57

76 Atomik kuvvet mikroskobu (AKM) analizleri Numunelerin yüzey karakterizasyonları; Gazi Üniversitesi Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi nde bulunan AKM (Omicron-Veriable Temperature STM/AFM) cihazı kullanılarak gerçekleştirildi. Ölçümler, vakum ortamında alındı. Yüzey görüntüleri 5μm 2 lik alan taranarak incelendi. Yüzey morfolojisindeki değişim; yüzey pürüzlülüğünü değerlendirmede kullanılan en önemli parametrelerden birisi olan RMS Root Mean Square parametresinin ölçülmesi ile belirlendi. Bütün numunelerin yüzey pürüzlülükleri nanometre skalasında olmakla beraber, kalınlık arttıkça RMS değerleri de artmıştır. Bu durum yüzey üzerindeki partiküllerin büyümesi ile sertleşen yüzeyin bir göstergesidir. Aşağıda numunelerin 5μm 2 lik alanlardaki yüzey görüntüleri ve RMS değerleri detaylı olarak verilmektedir. Si alttaşlar üzerine sırasıyla 1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarda kaplanan S1, S2 ve S3 numunelerinin 5μm 2 lik alandaki yüzey görüntüleri Şekil 4.10 da sunuldu. Kalınlığa bağlı olarak incelenen yüzey görüntülerinden, RMS değerleri 1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarda sırasıyla 1.95 nm, 2.24 nm ve 2.62 nm olarak ölçülmüştür. Bu değerler, ZnO kaplamalarında elde edilen yüzey pürüzlülüğü değerleri mertebesindedir [100]. Bunun yanı sıra, yüzeyler oldukça homojendir. GaAs alttaşlar üzerine sırasıyla 1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarda kaplanan G1, G2 ve G3 numunelerinin 5μm 2 lik alandaki yüzey görüntüleri Şekil 4.11 de sunuldu. Kalınlığa bağlı olarak incelenen yüzey görüntülerinden, RMS değerleri 1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarda sırasıyla 2.45 nm, 3.76 nm ve 9.42 nm olarak ölçülmüştür. RMS değerinde Si yüzey üzerine kaplamalardakine benzer şekilde numune kalınlığının artması ile birlikte bir artış gözlenmiştir Kalınlığın artması ile birlikte RMS değerinde gözlenen artış beklenen bir sonuçtur. Ge alttaşlar üzerine sırasıyla 1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarda kaplanan T1, T2 ve T3 numunelerinin 5μm 2 lik alandaki yüzey görüntüleri Şekil 4.12 de sunuldu. Kalınlığa bağlı olarak incelenen yüzey görüntülerinden, RMS değerleri 1000, 2000 ve 3000 Å kalınlıklarda sırasıyla 2.56 nm, 3.48 nm ve 6.09 nm olarak ölçüldü.

77 59 Önceki her iki yüzey (Si ve GaAs) üzerinde kaplamalarda olduğu gibi RMS değerinde numune kalınlığının artması ile birlikte artış gözlenmiştir. Ge üzerine kaplanan numunelerin yüzeyleri de Si ve GaAs yüzey üzerine kaplananlar gibi oldukça homojendir.

78 Şekil Si alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında a) 1000 Å b) 2000 Å c) 3000 Å kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri 60

79 Şekil GaAs alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında a) 1000 Å b) 2000 Å c) 3000 Å kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri 61