p-Si, GaAs ve Ge ALTTAŞLAR ÜZERİNE Al:ZnO FİLMLERİN
advertisement
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 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 …………………………….. 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 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 Xışını 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 2.4-2.54 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. v Bilim Kodu Anahtar Kelimeler Sayfa Adedi Tez Yöneticisi : 202.1.008 : Püskürtme, ZnO, p-n eklem, XRD, AKM, FL, I-V : 79 : Prof. Dr. Ergün KASAP 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 2.4 – 2.54 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. vii Science Code Keywords Pages Supervisor : 202.1.008 : Sputtering, ZnO, p-n junction, XRD, AFM, PL, I-V : 79 : Prof. Dr. Ergün KASAP 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 2011K120290 no’lu Fotonik Araştırma Merkezi projesi ile Kalkınma Bakanlığı tarafından desteklenmiştir. 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 ................................................................................................................... 1 2. GENEL BİLGİLER .............................................................................................. 6 2.1. Oksit Bazlı Yarıiletkenler .............................................................................. 6 2.2. ZnO ve Özellikleri ......................................................................................... 7 2.2.1. ZnO için temel fiziksel parametreler ................................................... 8 2.2.2. Kristal yapısı ....................................................................................... 9 2.2.3. Elektronik bant yapısı ........................................................................11 2.2.4. Optik özellikleri .................................................................................14 2.2.5. Elektriksel özellikleri .........................................................................15 2.3. Yarıiletken p-n Eklem Yapıları .....................................................................17 2.3.1. n-tipi yarıiletken ................................................................................17 2.3.2. p-tipi yarıiletken ................................................................................18 2.3.3. p-n eklemi ..........................................................................................20 2.3.4. p-n ekleminin iletkenliği ....................................................................23 v Sayfa 2.3.5. p-n ekleminde meydana gelen optik olaylar .......................................26 2.4. Metal-Yarıiletken Kontaklar .........................................................................26 2.4.1. Schottky ve Ohmik kontaklar .............................................................27 3. KULLANILAN KRİSTAL BÜYÜTME VE KARAKTERİZASYON SİSTEMLERİ ..................................................................................................... 31 3.1. Sputtering (Püskürtme) Sistemi ....................................................................31 3.2. X-Işını Kırınımı (XRD) ................................................................................33 3.3. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) .............................................................35 3.4. Fotolüminesans (FL) .....................................................................................38 3.5. Akım-Voltaj (I-V) Ölçüm Sistemi.................................................................40 4. YAPILARIN BÜYÜTÜLMESİ, KARAKTERİZASYONLARI: BULGULAR ve TARTIŞMA ............................................................................. 42 4.1. Yapılarının Büyütülmesi ...............................................................................42 4.2. Yapıların Karakterizasyonu ..........................................................................49 4.2.1. X-ışını kırınımı analizleri ...................................................................49 4.2.2. Fotolüminesans (FL) analizleri ...........................................................55 4.2.3. Atomik kuvvet mikroskobu (AKM) analizleri ....................................58 4.2.4. I-V analizleri......................................................................................63 5. SONUÇLAR ....................................................................................................... 67 KAYNAKLAR ....................................................................................................... 70 ÖZGEÇMİŞ............................................................................................................ 79 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................................................................................. 27 Çizelge 4.1. Arka ohmik kontak metalizasyon parametreleri ................................... 44 Çizelge 4.2. Arka ohmik kontak tavlama parametreleri ...........................................44 Çizelge 4.3. Numunelerin kaplama şartları .............................................................. 46 Çizelge 4.4. Ön ohmik kontak metalizasyon parametreleri ......................................48 Çizelge 4.5. Ön ohmik kontak tavlama parametreleri .............................................. 49 Çizelge 4.6. AZO ince filmlerin yapısal parametreleri ............................................. 55 vii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. ZnO altıgen (hegzagonal) yapısı. ............................................................. 10 Şekil 2.2. Düzlemleri gösterilmiş hegzagonal ZnO yapısı ........................................ 11 Şekil 2.3. LDA metodu ile D. Vogelin yaptığı ZnO bant yapısı ............................... 12 Şekil 2.4. Band yapısı ve altıgen ZnO'nun simetrileri. ............................................. 13 Şekil 2.5. Oda sıcaklığında ZnO için tipik bir PL karakteristiği ............................... 14 Şekil 2.6. ZnO’nun elektron mobilitesi şematik gösterimi ....................................... 15 Şekil 2.7. Enerji bant diyagramında verici enerji seviyesinin gösterimi ................... 17 Şekil 2.8. Enerji bant diyagramında alıcı seviyesinin gösterimi ............................... 19 Şekil 2.9. p-tipi bir yarıiletken için enerji bant diyagramında fermi enerji seviyesinin gösterimi ............................................................................... 20 Şekil 2.10. Temel p-n eklem yapısı ......................................................................... 20 Şekil 2.11. 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 .................................................. 21 Şekil 2.12. İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi ...................... 23 Şekil 2.13. İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı ................. 24 Şekil 2.14. Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi ...................... 24 Şekil 2.15. Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı................. 25 Şekil 2.16. Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin I-V karakteristiği ....................... 25 Şekil 2.17. n-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce, b) kontaktan sonra ısıl denge ve c) V≠0 durumundaki enerji bant diyagramları ....................................... 29 Şekil 2.18. p-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce, viii Şekil Sayfa b) kontaktan sonra ısıl denge, c) V≠0 durumundaki, enerji bant diyagramları ......................................30 Şekil 3.1. Püskürtme yönteminin şematik gösterimi ................................................ 31 Şekil 3.2. Bragg Yansıması şematiği ....................................................................... 33 Şekil 3.3. AKM’nin çalışma prensibinin şematik gösterimi ..................................... 35 Şekil 3.4. FL ölçüm sisteminin şematik gösterimi ................................................... 38 Şekil 4.1. Arka ohmik kontak için kullanılan foto-maske görüntüsü ........................ 43 Şekil 4.2. Üretilen AZO yapılarının şematik gösterimi ............................................ 45 Şekil 4.3. Noktasal kontak alanlarının belirlenmesi için kullanılan foto-maske görüntüsü ................................................................................................ 47 Şekil 4.4. PR kalınlığını gösteren profilometre grafiği ............................................. 48 Şekil 4.5. S1, S2 ve S3 numunelerinin XRD kırınım desenleri ................................ 52 Şekil 4.6. G1, G2 ve G3 numunelerinin XRD kırınım desenleri .............................. 53 Şekil 4.7. T1, T2 ve T3 numunelerinin XRD kırınım desenleri ................................ 54 Şekil 4.8. ZnO filminin enerji transfer mekanizması................................................ 56 Şekil 4.9. Numunelerin oda sıcaklığında FL spektrumları ....................................... 57 Şekil 4.10. Si alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri .................................................................................. 60 Şekil 4.11. GaAs alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri .................................................................................. 61 Şekil 4.12. Ge alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri .................................................................................. 62 Şekil 4.13. AZO/p-Si numunelerinin I-V grafiği ..................................................... 63 Şekil 4.14. AZO/p-GaAs numunelerinin I-V grafiği ................................................ 64 Şekil 4.15. AZO/p-Ge numunelerinin I-V grafiği .................................................... 64 Şekil 4.16. Si üzerine kaplanan AZO filmli hücrelerin yarı logaritmik I-V grafiği ... 66 ix RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. BESTEC magnetron püskürtme sistemi ................................................. 32 Resim 3.2. APD 2000 PRO XRD cihazının genel görünümü ................................... 35 Resim 3.3. Cantilever ucu ....................................................................................... 36 Resim 3.4. Omicron-Variable Temperature AFM/STM sistemi ............................... 37 Resim 3.5. Horibe Jobin Yvon Fluorolog-3 sistemi ................................................. 40 Resim 3.6. I-V ölçüm sistemi .................................................................................. 41 x SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama a Örgü sabiti Eg Yasak enerji aralığı Å Angstrom d Atomik düzlemler arası uzaklık EA Akseptör enerji düzeyi Ec İletim bandı enerjisi ED Donor enerji düzeyi EF Fermi enerji seviyesi Eg Yasak enerji aralığı Ei İlk durum enerjisi Es Son durum enerjisi Ev Valans bandı enerjisi ε Yarıiletkenin dielektrik sabiti Ge Germanyum h Planck sabiti Ө Bragg açısı ɸm Metalin iş fonksiyonu ɸs Yarıiletkenin iş fonksiyonu k Boltzman sabiti λ Dalga boyu me Elektronun kütlesi mh Holün kütlesi mh* Holün etkin kütlesi me * Elektron etkin kütlesi xi Simgeler Açıklama n İdealite faktörü Si Silisyum T Sıcaklık Ts Alttaş büyüme sıcaklığı Vd Dış gerilim δ Kusur yoğunluğu I0 Doyma akımı h Miller indisi k Miller indisi l Miller indisi As Arsenik Ɛr Bağıl dielektrik sabiti EH Hidrojen iyonlaşma enerjisi PP p-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar NP n-tipi yarıiletkende azınlık taşıyıcılar Q Elektron yükü Kısaltmalar Açıklama AZO Al katkılı çinko oksit AKM Atomik kuvvet mikroskobu AC Alternatif akım CVD Kimyasal buhar biriktirme DI De-iyonize DLE Derin seviye emisyonu DC Doğru akım FWHM Pik yarı genişliği FL Fotolüminesans I-V Akım-gerilim xii Kısaltmalar Açıklama KL Katotlüminesans LDA Yerel yoğunluk tahmini LED Işık yayan diyot NBE Yakın bant emisyonu RTA Hızlı termal tavlama MBE Moleküler tabaka büyütme MOCVD Metal organik kimyasal buhar biriktirme OLED Organik ışık yayan diyot PR Fotorezist RMS Kare ortalama karekök RF Radyo frekansı TCO Şeffaf iletken oksit TTFT İnce film transistör UV Morötesi VIS Görünür bölge XRD X-ışını kırınımı 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]. 1838’de ilk metal filmler elektroliz yöntemi ile yapılmıştır. 1852’de Grove “parıltılı-boşalma püskürtme” yöntemi, 1857 yılında ise Faraday asal gaz içerisinde buharlaştırma yöntemi ile metal oksit ince film elde etmiştir. 1887’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 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. 1.8-4 eV aralığında olmak üzere oldukça geniş enerji bant aralığına sahiptirler. Bu nedenle, geniş bant aralıklı yarıiletken 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 3.1-3.3 eV geniş ve direk enerji bant aralığına sahip n-tipi bir yarıiletkendir [12-14]. Molekül ağırlığı 81.38 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. 1000 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]. 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 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. 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]. 2.1. 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]. 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. 2.2. 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 1.8-4 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. 8 Çizelge 2.1. II-VI bileşik yarıiletkenlerin genel özellikleri II-VI bileşik yarıiletkenler ZnO Bant aralığı (eV) Kristal yapısı 3.4 Hegzagonal ZnS ZnSe 3.9 2.7 Hegzagonal 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]. 2.2.1. ZnO için temel fiziksel parametreler ZnO için temel fiziksel parametreler Çizelge 2.2’de gösterilmektedir [34-35]. 9 Çizelge 2.2. ZnO için fiziksel parametreler Fiziksel parametreler Değerler a0 0,32495nm c0 0,52069nm a0/ c0 1,602 (ideal hegzagonal yapı için 1,633) Yoğunluk 5,606 g/m3 Termal iletkenlik 0,6-1-1,2 (ohm/cm) -1 Ergime noktası 1975 0C Statik dielektrik sabiti 8,656 F/m Kırılma indeksi 2,008-2,029 Lineer genleşme katsayısı a0: 6,5x10-6, c0: 3,0x10-6 Enerji bant aralığı 3,37 eV, direkt Eksiton bağlanma enerjisi 60 eV Elektron etkin kütlesi 0,24 Elektron mobilitesi (300 K) 200 cm2/Vs Deşik etkin kütle 0,59 Deşik mobilitesi (300 K) 5-50 cm2/Vs 2.2.2. 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 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 (000 1) ’le son bulan kutup yüzeyleri (c-eksen odaklı), eşit sayıda Zn ve O atomlarını birlikte içeren kutupsuz yüzeyler (1120) (a-ekseni) ve (10 10) 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 (10 10) yüzeyi sabit bulunmaktadır. Bu karakterler ZnO nano yapılarının büyüme sürecinde önemli bir rol oynamaktadır. 11 Şekil 2.2. Düzlemleri gösterilmiş hegzagonal ZnO yapısı 2.2.3. 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 [4347,51]. Teorik hesaplama yönüyle, ZnO’nun enerji bandı hakkında ilk hesaplamalar 1970’li yıllarda yapılmıştır. 1969’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, 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]. 1971 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 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 Γ7 takım simetrisi olarak bilinir, orta bant süresince B, Γ9 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] 14 2.2.4. 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]. 15 2.2.5. 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 cm2/(Vs) değerine ulaşır. Deşik mobilitesi çok düşük olup 5-30 cm2/(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) 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 N site exp( Ef ) kbT (2.1) Burada Ef kusurların oluşması için gerekli enerji, kb Boltzman sabiti, T sıcaklık ve Nsize 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]. 17 2.3. Yarıiletken p-n Eklem Yapıları 2.3.1. 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 Ed ile gösterilir. Ed ifadesi Eş.2.2’de görüldüğü gibi; Ed = (1/εr)2 (me*/me) EH (2.2) 18 ile tanımlanır. Burada; εr yarıiletkenin bağıl dielektrik sabiti, me* elektronun etkin kütlesi, me elektronun kütlesi, EH 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]. 2.3.2. 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 Ea ile gösterilir. Ea ifadesi Eş.2.3’de görüldüğü gibi; Ea = (1/εr)2 (me*/me) EH (2.3) bağıntısı ile tanımlanır ve enerji bant diyagramı Şekil 2.7’deki gibi gösterilir. Burada; εr yarıiletkenin bağıl dielektrik sabiti, mh* boşluğun etkin kütlesi, mh boşluğun kütlesi, EH ise hidrojenin iyonlaşma enerjisini ifade eder. 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. 20 Şekil 2.9. p-tipi bir yarıiletken için enerji bant diyagramında fermi enerji seviyesinin gösterimi 2.3.3. 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 2.10. Temel p-n eklem yapısı 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 2.11. 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 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. Jp(sürüklenme)+Jp(difüzyon)=0 (2.4) Jn(sürüklenme)+Jp(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 p kT kT nn ln( p ) ln( ) q pn q np (2.6) Pp; p-tipi yarıiletkendeki çoğunluk taşıyıcılar Np; p-tipi yarıiletkendeki azınlık taşıyıcılar Dengede olan p-n eklemine dışarıdan bir potansiyel fark uygulandığında difüzyon akımları ile sürüklenme akımları arasındaki denge bozulur [68]. 23 2.3.4. 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 nbölgesine 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 2.12. İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi p-n ekleminin ileri doğru beslenmesi durumunda geçiş bölgesindeki potansiyel engeli, qVd kadar azalır. Burada q elektronun yükü, Vd ise p-n eklemine bağlanan dış 24 voltaj kaynağının uçları arasındaki potansiyel farktır. İleri yönde beslenen bir p-n ekleminin enerji bant diyagramı Şekil 2.13’de verilmiştir. Şekil 2.13. 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 2.14. Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin şematik gösterimi Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin geçiş bölgesindeki potansiyel engel qVd kadar artar. Çoğunluk yük taşıyıcılarının p-n eklem bölgesinden geçişi zorlaşırken, azınlık yük taşıyıcıların geçişi kolaylaşır. Difüzyon akımıyla sürüklenme akımı arasındaki 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 2.15. 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 2.16. Ters yönde beslenen bir p-n ekleminin I-V karakteristiği 26 Ters yönde beslenen p-n eklemine, bir Vd dış gerilimi uygulandığında p-n ekleminden geçen I akımı Eş.2.7’deki formül ile bulunur. I I 0 (eqVd kT 1) (2.7) bağıntısı ile verilir. Burada I0 ters akımın maksimum değeri, q elektron yükü, k Boltzman sabiti ve T sıcaklıktır. 2.3.5. 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]. 2.4. 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]. 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]. 2.4.1. 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 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]. 29 Şekil 2.17. 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]. 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 2.18. p-tipi yarıiletken/metal ohmik kontağın; a) kontaktan önce, b) kontaktan sonra ısıl denge, c) V≠0 durumundaki, enerji bant diyagramları [105] 31 3. KULLANILAN SİSTEMLERİ KRİSTAL BÜYÜTME VE KARAKTERİZASYON 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. 3.1. 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 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 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]. 3.2. 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 A0 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. 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 sinn 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. 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 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 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 38 3.4. 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 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]. 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. 3.5. 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. 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, I0 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. 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. 4.1. 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. 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 H2O) 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. 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 Alttaş Kaplama Şartları p-Si p-GaAs p-Ge Alttaş Sıcaklığı (oC) 22 22 22 Taban Basıncı (mbar) 1.6 x 10-7 1.4 x 10-7 1.3 x 10-7 Kaplama Basıncı (mbar) 4.1 x 10-3 4.0 x 10-3 4.2 x 10-3 Au Kaplama Oranı (Å/s) 7.2 7.2 7.2 Au Kaplama Kalınlığı (Å) 1500 1500 1500 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 (oC) Tavlama Süresi (s) p-Si 6.1 x 10-7 375 60 p-GaAs 6.4 x 10-7 375 60 -7 375 60 p-Ge 6.3 x 10 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 Al2O3 katkılanmış % 99.99 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 46 uygulandı. Böylece, Çizelge 4.3'de şartları sunulan, AZO ince filmlerin kaplaması tamamlandı. Çizelge 4.3. Numunelerin kaplama şartları Alttaş p-Si p-GaAs p-Ge Numune Adı ZnO kalınlığı (Å) S1 S2 S3 G1 G2 G3 1000 2000 3000 1000 2000 3000 T1 1000 T2 T3 2000 3000 Alttaş Sıcaklığı (C) Ar/O2 Oranı 200 90/10 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. 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 H2O) 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. 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 (oC) 22 22 22 Taban Basıncı (mbar) 1.8 x 10-7 1.2 x 10-7 1.6 x 10-7 Kaplama Basıncı (mbar) 4.4 x 10-3 4.7 x 10-3 4.5 x 10-3 Ti Kaplama Oranı (Å/s) 4.3 4.3 4.2 Ti Kaplama Kalınlığı (Å) 300 300 300 Au Kaplama Oranı (Å/s) 3.7 3.7 3.7 Au Kaplama Kalınlığı (Å) 1000 1000 1000 Toplam Kaplama Kalınlığı (Å) 1300 1300 1300 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 (oC) Tavlama Süresi (s) S1-S2-S3 5.4 x 10-7 330 60 G1-G2-G3 5.6 x 10 -7 330 60 T1-T2-T3 5.8 x 10-7 330 60 4.2. 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. 4.2.1. 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 50 örgü parametresi arasındaki ilişki; 1 4 h 2 hk k 2 l 2 c2 d 2 3 a2 (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 2 2 4 h2 hk k 2 4a 3 2 (4.2) eşitliği elde edilir ve bu eşitlikten a örgü sabiti a h 2 hk k 2 3 sin (4.3) ifadesi ile verilir. İkinci olarak 00l tipi yansımalar kullanılarak 2 l2 2 2 sin 2 2l 2 2 4a c a 4c (4.4) eşitliği ve buradan da c örgü sabiti c 2sin l şeklinde elde edilir [89]. (4.5) 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 0,9. B cos D (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 D2 (4.7) 1 B D cos 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]. 52 Şekil 4.5. S1, S2 ve S3 numunelerinin a) tüm kırınım pikleri b) ZnO (002) kırınım piki 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]. 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]. 55 Çizelge 4.6. AZO ince filmlerin yapısal parametreleri Numune S1 S2 S3 G1 G2 G3 T1 T2 T3 2θ(o) 34,274 34,617 34,551 34,151 34,639 34,523 34,322 34,508 34,533 Numunelerin (002) B(o) 0,405 0,317 0,249 0,380 0,269 0,266 0,396 0,317 0,239 d(Å) 2,614 2,589 2,594 2,623 2,587 2,596 2,611 2,597 2,595 piklerinin pik c(Å) 5,228 5,178 5,188 5,247 5,175 5,192 5,221 5,194 5,190 D(nm) 20,498 26,249 33,314 21,854 30,874 31,317 20,981 26,269 34,699 pozisyonları ve δ (x1011cm-2) 2,379 1,451 0,901 2,094 1,049 1,019 2,271 1,449 0,830 FWHM Ɛ (10-3) 2,551 1,973 1,557 2,401 1,676 1,658 2,488 1,977 1,496 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. 4.2.2. 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 350-900 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. 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 3-3.03 eV ve 2.4-2.54 eV civarındaki pikler yeşil-mavi dalga bandı ile ilişkilidir. 3.03 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 2.4-2.54 eV civarında gözlendi [99]. Diğer pikler ise yine kusur seviyelerinden geçişlerden kaynaklanmaktadır. 57 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]. 58 4.2.3. 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 5μm2’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 5μm2’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 5μm2’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 5μm2’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 5μm2’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. 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. 60 Şekil 4.10. Si alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında a) 1000 Å b) 2000 Å c) 3000 Å kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri 61 Şekil 4.11. GaAs alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında a) 1000 Å b) 2000 Å c) 3000 Å kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri 62 Şekil 4.12. Ge alttaşlar üzerine farklı film kalınlıklarında a) 1000 Å b) 2000 Å c) 3000 Å kaplanan numunelerin yüzey görüntüleri 63 4.2.4. I-V analizleri Fabrikasyon işlemleri tamamlanan ve elektriksel karakterizasyon için hazırlanmış AZO numunelerinin karanlıktaki ve ışık altındaki akım – gerilim (I – V) ölçümleri, Keithley 4200 ölçüm sistemi ve Oriel AAA Solar Simülatörü kullanılarak yapıldı. AZO numunelerinin I-V ölçümlerinden elde edilen veriler kullanılarak, Şekil 4.13, 4.14 ve 4.15’de verilen I-V grafikleri çizildi. 1x10-3 Akım (A) 0 -1x10-3 -2x10-3 S1 - Karanlık S1 - Aydınlık S2 - Karanlık S2 - Aydınlık S3 - Karanlık S3 - Aydınlık -3x10-3 -4x10-3 0,00 0,05 0,10 0,15 Gerilim (V) Şekil 4.13. AZO/p-Si numunelerinin I-V grafiği 0,20 0,25 0,30 64 500x10-6 Akım (A) 0 -500x10-6 G1 - Karanlık G1 - Aydınlık G2 - Karanlık G2 - Aydınlık G3 - Karanlık G3 - Aydınlık -1x10-3 -2x10-3 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 Gerilim (V) Şekil 4.14. AZO/p-GaAs numunelerinin I-V grafiği 50x10-6 Akım (A) 0 -50x10-6 T1 - Karanlık T1 - Aydınlık T2 - Karanlık T2 - Aydınlık T3 - Karanlık T3 - Aydınlık -100x10-6 -150x10-6 0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 Gerilim (V) Şekil 4.15. AZO/p-Ge numunelerinin I-V grafiği 0,0008 0,0010 65 I-V grafiklerinde de görüleceği üzere, AZO filmlerinin kalınlığı arttıkça, numunelerin ışığa duyarlılıkları artmaktadır. Benzer şekilde HRXRD sonuçları incelendiğinde (Çizelge 4.6) AZO filmlerinin tanecik boyutları, artan AZO film kalınlığı ile artmaktadır. Böylelikle, literatürde çeşitli çalışmalarda da belirtildiği üzere, tanecik boyutlarının artmasıyla, numunelerin ışığa duyarlılıklarının arttığı söylenebilir [101]. Bu tez çalışması kapsamında üretilen numunelerin AFM ölçümleri incelendiğinde, AZO film kalınlıklarının artması ile numunelerin RMS değerlerinin de artığı görülmüştür. Bu duruma paralel olarak, AZO film kalınlıklarının artması ile ışığa duyarlılıklarının arttığı gözlenmiştir. Benzer şekilde, güncel cihazların fotovoltaik özellikleri üzerine yüzey pürüzlülüğünün etkisi ile ilgili çalışmalar yapılmış ve artan RMS değerine bağlı olarak ışığa duyarlılığın artığı deneysel olarak ortaya koyulmuştur [102,103]. Ayrıca yapılan ışığa kaşı duyarlılık ölçümleri, Si üzerine oluşturulan AZO filmli hücre yapısının, daha iyi fotovoltaik özellik gösterdiği belirlendi. Bu hücre yapısına ait yarı logaritmik I-V grafiği Şekil 4.16’da verildi. 66 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 0,100000 Gerilim (V) 0,010000 0,001000 0 0,25 0,5 0,75 1 0,00500 0,000100 0,000010 0,00050 S1 Karanlık S1 Aydınlık S2 Karanlık S2 Aydınlık S3 Karanlık S3 Aydınlık 0,00005 0,000001 Akım (A) Şekil 4.16. Si üzerine kaplanan AZO filmli hücrelerin yarı logaritmik I-V grafiği Ancak yapılan bu çalışma, bu hükmü sağlamlaştıracak derinliğe ulaşmamıştır. Her bir yapıda fotovoltaik dönüşüm verimliliği oldukça düşük düzeydedir. Bununla birlikte fotovoltaik hücre geliştirmede kullanılabilirliklerinin, iyileştirilebilmesine bağlı olduğu düşünülmektedir. bu yapıların 67 5. SONUÇLAR Bu tez çalışmasında Püskürtme (Sputtering) tekniği ile p-n eklem oluşturmak amacı ile p-tipi Si, GaAs ve Ge alttaşlar üzerine farklı kalınlıklarda n-tipi ZnO yarıiletken katmanlarının iyi kalitede kaplanması başarıldı. Numunelerin yapısal, optik ve elektriksel özellikleri, yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı (XRD), fotolüminesans (FL), atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ve fabrikasyon işlemlerinin yapılması ile akım-voltaj (I-V) ölçümleri değerlendirilerek belirlendi. Numunelerin X-ışını kırınım desenleri incelendiğinde ZnO'in hegzagonal yapıdaki (002) ve (004) düzlemlerinden kaynaklanan piklerin oluştuğu görüldü ve bu pik pozisyonu değerlerinin literatür ile uyumlu olduğu görüldü. Kırınım desenlerindeki piklerin pik pozisyonları ve pik yarı genişlik değerleri kullanılarak, düzlemler arası uzaklık, örgü parametresi, parçacık boyutu, zorlama ve dislokasyon (çizgi kusuru) yoğunluğu değerlerinin hesaplanması ile yapısal analizleri gerçekleştirildi. AZO filmlerin kalınlığı arttıkça ZnO (002) pik şiddetinin arttığı ve FWHM değerinin azaldığı gözlemlendi. Bu durum AZO film kalınlığının artması ile yapının kristal kalitesinin arttığı şeklinde yorumlandı. Numunelerin (002) piklerinin pik pozisyonları ve FWHM değerlerinden yaralanılarak hesaplanan düzlemler arası uzaklık ve örgü parametresi değerlerinin literatür ile uyumlu olduğu görüldü. 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. AZO film kalınlığı arttıkça dislokasyon yoğunluğu ve zorlama değerlerinin azaldığı görüldü. Bu azalmanın kristal kalitesini olumlu yönde etkilediği düşünülmektedir. AZO filmlerin oda sıcaklığında ölçülen fotolüminesans emisyon spektrumları incelendiğinde 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 68 emisyon bölgeleri (kusur seviye emisyonları ile ilgili) mavi-kırmızı bölgelerde gözlendi. Yaklaşık 3-3.03 eV ve 2.4-2.54 eV civarındaki pikler yeşil-mavi dalga bandı ile ilişkilidir. 3.03 eV civarına yerleşen mavi emisyon çinkoca zengin numunelerde gözlenen çinko interstitial, örgüde fazlalık durumun söz konusu olduğu durum, kusurları ile ilgilidir. Bu emisyonlar Zn interstitialden valans bandına geçişler nedeniyledir. Zn interstitialin donor (verici) merkezi olarak davrandığı tahmin edildi. Oksijen boşluklarının sebep olduğu derin seviye emisyonları (DLE) olarak bilinen yeşil emisyon ise 2.4-2.54 eV civarında gözlendi. Diğer pikler ise yine kusur seviyelerinden geçişlerden kaynaklandığı düşünülmektedir. Numunelerin oda sıcaklığında ve vakum ortamında yapılan ölçümler sonucunda yüzey karakterizasyonları belirlendi. 5μm2’lik alan taranarak alınan yüzey görüntüleri incelendiğinde RMS değerlerinin numune kalınlığının artması ile arttığı gözlendi. Bu durum yüzey üzerindeki partiküllerin büyümesi ile sertleşen yüzeyin bir göstergesidir. RMS değerlerinde numune kalınlığının artması ile meydana gelen bu artışın literatür ile uyumlu olduğu görüldü. Ayrıca literatür incelendiğinde RMS değerinin artması ile tanecik büyüklüğünün arttığı gözlenmiştir. Bu durum XRD analizleri ile elde edilen tanecik büyüklüğünün artması sonucu ile uyumludur. Fabrikasyon işlemleri tamamlanan ve elektriksel karakterizasyon için hazırlanmış AZO numunelerinin karanlıktaki ve ışık altındaki akım-gerilim ölçümleri sonucunda, AZO filmlerinin kalınlığının artması ile ışığa duyarlılıklarının arttığı gözlendi. XRD sonuçları incelendiğinde AZO filmlerinin tanecik boyutları, artan AZO film kalınlığı ile artmaktadır. Böylelikle, literatürde çeşitli çalışmalarda da belirtildiği üzere, tanecik boyutlarının artmasıyla, numunelerin ışığa duyarlılıklarının arttığı şeklinde yorumlandı. Ayrıca numunelerin AKM ölçümleri incelendiğinde, AZO film kalınlıklarının artması ile numunelerin RMS değerlerinin de artığı görülmüştür. Bu duruma paralel olarak, AZO film kalınlıklarının artması ile ışığa duyarlılıklarının arttığı gözlenmiştir. Benzer şekilde, güncel cihazların fotovoltaik özellikleri üzerine yüzey pürüzlülüğünün etkisi ile ilgili çalışmalar yapılmış ve artan RMS değerine bağlı olarak ışığa duyarlılığın arttığı deneysel olarak ortaya koyulmuştur. 69 Bu çalışmada p-tipi Si, GaAs ve Ge alttaşları üzerine Al:ZnO ince filmleri büyütülerek p-n eklem oluşturuldu ve fiziksel karakterleri belirlenerek fotovoltaik özellikleri belirlendi. Elde edilen sonuçlar, film oluşturma ve fabrikasyon süreçlerinin geliştirilmesi ile bu tür oksit tabanlı yarıiletken yapıların fotovoltaik hücre, LED gibi opto-elektronik aygıt üretiminde kullanılabilir nitelikte olduğunu; yapılan tez çalışmasının bu alanda geliştirilecek çalışmaların gelişimine katkılar sağlayacağı düşünülmektedir. 70 KAYNAKLAR 1. Bal, H., “Püskürtme yöntemiyle elde edilen In2O3’ün elektriksel özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 115 (2006). 2. Özbas, Ö., “Spray-pyrolsis yöntemiyle elde edilen CdSxSe1-x filmlerin bazı fiziksel özellikleri”, Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 14-48 (1993). 3. Çağlar, M., “Püskürtme yöntemiyle elde edilen In katkılı ZnO filmlerin DC ve optik özellikleri”, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, (2002). 4. Jin, B. J., Im, S., Lee, S. Y., “Violet and UV luminescence emitted from ZnO thinfilms grown on sapphire by pulsed laser deposition”, Thin Solid Films, 366: 107-110 (2000). 5. Liu, Y., Gorla, C. R., Liang, S., Emanetoğlu, N., Lu, Y., Shen, H., Wraback, M., “Ultraviolet detectors based on epitaxial ZnO films grown by MOCVD”, J. Electron. Matter, 29(1): 69-74 (2000). 6. Kamalasanan, M. N., Chandra, S., “Sol-gel synthesis of ZnO thinfilms”, Thin Solid Films, 288: 112-115 (1996). 7. Oktik, S., Russell, G. J., Brinkman, A. W., “Properties of ZnO Layers Deposited by photo-assisted Spray Pyrolysis”, Journal of Crystal Growth, 159: 195-199 (1996). 8. Messaouidi, C., Sayah, D., Lefdil, M. A., “Transparent Conducting Undoped and Indıum Doped Zınc Oxıde Fılm Prepared by Spray Pyrolysis”, Phys. Stat. Sol., 151: 93-97 (1995). 9. Nag, B. R., “Electron transport in compound semiconductors”, Springer-verlag, Berlin, Germany, (1980). 10. Jain, M., “Physics of Semiconductors Devices”, Wiley International Edition, New York, (1981). 11. Ma, D. W., Ye, Z. Z., Huang, J. Y., Zhu, L. P., Zhao, B. H., He, J. H., “Effect of Post-Annealing Treatments on the Properties of ZnxCd1-xO Films on Glass Substrates”, Materials Science and Engineering B, 111: 9-13 (2004). 12. Hong, R., Huang, J., He, H. H., Fan Z., Shao, J., “Influence of different posttreatments on the structure and optical properties of zinc oxide thin films”, Applied Surface Science, 242: 346-352 (2005). 71 13. Cui, M. L., Wu, X. M., Zhuge, L. J., Meng, Y. D., “Effects of annealing temparature on the structure and photoluminescence properties of ZnO films”, Vacuum, 81: 899-903 (2007). 14. ChienLee, Y., YaoHu, Sh., Water, W., KauTiong, K., Chuan Feng, Z., TingChen, Y., ChingHuang, J., WeiLee, J., Chih Huang, Ch., LaiShen, L., HongCheng, M., “Rapid thermal annealing effects on the structural ond optical properties of ZnO films deposited on Si substrts”, Journal of Luminescence, 129: 148-152 (2009). 15. Tozlu, N., “ZnO Tabanlı Yarıiletkenlerde Metal Kontak Özelliklerinin Araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 1-75 (2011). 16. Tüzemen, Ş. E., “ZnO İnce Filmlerin Eldesi ve Aygıt Üretimi İçin Parametrelerin Optimizasyonu”, Doktara Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 1-208 (2007). 17. Iwata, K., Tampo, H., Yamada, A., Fons, P., Matsubara, K., Sakurai, K., Ishizuka, S., Niki, S., “ Growth of ZnO and Device Applications”, Applied Surface Science, 244: 504-510 (2005). 18. Look, D. C., Reynolds, D. C., Hemskı, J. W., Jones, R. L., Sızelove, J. R., “Production and annealing of irradiation damage in ZnO”, Appl. Phys. Lett., 75: 811 (1999). 19. Polyakov, A. Y., Smirnow, N. B., Govorkov, A. V., Kozhukhova, E. A., Vdovin V. I., K.Ip, M. E., Overberg, Heo, Y. W., Norton, D. P., Pearton, S. J., Zavada, J. M., Dravin V. A., “Proton implantation effects on electrical and recombination properties of undoped ZnO”, J. Appl. Phys., 94: 2895 (2003). 20. Kuchevev, S. O., Wıllıams, J. S., Jagadish, C., Zou, J., Evans, C., Nelson, A. J., Hamza, A. V., “Ion-beam-produced structural defects in ZnO”, Phys. Rev. B, 67: (2003). 21. Soki, T., Hatanaka, Y., Look, D. C., “ZnO diode fabricated by excimer-laser doping”, Appl. Phys. Lett., 76: 3257 (2000). 22. Varadan, V. K., Varadan, V. V., Subramanian, H., “Fabrication, Characterization and Testing of Wireless MEMS-IDT based Microaccelerometers”, Sens. Actuators A, 90: 7-19 (2001). 23. Ried, R. P., Kim, E. S., Hong, D. M., Muller, R. S., “Piezoelectric microphone with on chip CMOS circuits”, J. Microelectromech. Syst., 2(3): 111-120 (1993). 24. Lee, S. S., White, R. M., “Piezoelectric cantilever voltage-to-frequency converter”, Sens. Actuators A, 71: 153-157 (1998). 72 25. Fahrenbruch, A. L., “ II-VI Compounds in Solar Conversion”, J. Crystal Growth, 39: 73-91 (1977). 26. Tozlu, N., Kavak, H. “ZnO Tabanlı Yarıiletkenlerde Metal Kontak Özelliklerinin Araştırılması”, Ç.Ü. Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 29(2): 130-138 (2013). 27. Alnaimi, S. M., and AL-Dileamy, M. N., “Determination of the Optical Constants of Cadmium Stannate (Cd2SnO4) Films”, International Journal of Pure and Applied Physics, 3(1): 30-39 (2007). 28. Özgür, U., Allivov, Y., Liu, C., Teke, A., Reshchikov, M. A., Doğan, S., Avrutin, V., Cho, S. J., Morkoçd, H., “A comprehensive review of ZnO materials and devices”, Journal of Applied Physıcs, 98: 041301 (2005). 29. Gunasekaran, M., Gopalakrishnan, R., Ramasamy, P., “Deposition and optical properties of nano crystalline ZnS thin Films by a chemical method”, Materials Letters, 58: 67-70 (2003). 30. Arnold L. Allenic, “Electrical And Optical Properties of p type ZnO Epitaxial Films”, Doktora Tezi, Materials Science and Engineering in The University of Michigan, Michigan, 16-19 (2008). 31. Özkan, M., “Termodinamik Vakum Ark Tekniği ile II-VI Grubu Bazı Yarıiletken Bileşiklerin İnce Filmlerinin Üretilmesi ve Bazı Fiziksel Özelliklerinin İncelenmesi”, Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 17 (2010). 32. Tüzemen, S., Gür, E., “Principal issues in producing new ultraviolet light emitters based on transparent semiconducter zinc oxide”, Optical Materials, 30(2): 292-310 (2007). 33. Fan, Z., Jia, G., “Physical Properties of ZnO Nanostructures”, Zinc Oxide Nanostructures: Synthesis and Properties, University of California, USA, 8-19 (2005). 34. Singh, S., Thiyagarajan, P., Kant, K. M., Anita, D., Thirupathiah, S., Rama, N., Tiwari, B., Kottaisamyand, M., Rao, M. S. R., “Micro structure and physical properties of ZnO based materials in various forms: Bulk, thin film and nano, J. Phys. D: Appl. Phys, 40(20): 6312-6327 (2007). 35. Pearton, S. J., Norton, D. P., Ip, K., Heo, Y. W., Steiner T., “Recent progress in processing and properties of ZnO”, Progress in Material Science 50: 293-340 (2005). 73 36. Kim, S. K., Jeong, S. Y., Cho C. R., “Structural reconstruction of hexagonal to cubic ZnO films on Pt/Ti/SiO2/Si subsrate by annealing”, Applied Physics Letters, 82(4): 562-564 (2003). 37. Kogure, T., Bando, Y., “Formation of ZnO nanocrystallites on ZnS Surfaces by electron Beam irradiation”, Journal of Electron Microscopy, 47(2): 135-141 (1998). 38. Ashrafi, A.B.M.A., Ueta, A., Avramescu, A., Kumano, H., et al., “Growth and characterization of hypothetical zinc-blende ZnO films on GaAs(001) subsrates with ZnS buffer layers”, Applied Physics Letters, 76(5): 550-552 (2000). 39. Bergstresser, T. K., Cohen, M. L., “Electronic structure and optical properties of hexagonal CdSe, CdS and ZnS”, Physıcal Revıev, 164(3): 1069-1080 (1967). 40. Kara, K., “Atmalı filtreli katodik vakum ark depolama yöntemi ile p-tipi ZnO üretimi ve yapısal özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, 1-66 (2008). 41. Coleman, V. A., Jagadish, C., Chennupati, J., Stephen, P., “Basic Properties and Applications of ZnO, in Zinc Oxide Bulk, Thin Films and nanostructures”, Elsevier Science Ltd., Oxford, 1-20 (2006). 42. Dulub, O., Boatner L.A., Diebold, U., “STM study of the geometric and electronic structure of ZnO (0001)-Zn, (000 1) -O, (10 10) , and (1120) surfaces”, Surface Science, 519(3): 201-217 (2002). 43. Powell, R. A., Spicer, W. E., McMenamin, J. C., “Location of the Zn 3d states in ZnO” Phys. Rev. Lett., 27: 97-100 (1971). 44. Rössler, U., “Energy bands of hexagonal II-VI semiconductors” Phys. Rev., 184: 733-738 (1969). 45. Dong, C. L., Persson, C., Vayssieres, L., Augustsson, A., Schmitt, T., Mattesini, M., Ahuja, R., Chang, C. L., Guo, J. H., “Electronic structure of nanostructured ZnO from x-ray absorption and emission spectroscopy and the local density approximation” Phys. Rev. B, 70: 195325 (2004). 46. Preston, A. R. H., Ruck, B. J., Piper, L. F. J., DeMasi, A., Smith, K. E., Schleife, A., Fuchs, F., Bechstedt, F., Chai, J., Durbin, S. M., “Band structure of ZnO from resonant x-ray emission spectroscopy”, Phys. Rev. B., 78: 155114 (2008). 47. King, P. D. C., Veal, T. D., Schleife, A., Zuñiga-Perez, J., Martel, B., Jefferson, P. H., Fuchs, F., Muñoz-Sanjose, V., Bechstedt, F., McConville, C. F., “Valence-band electronic structure of CdO, ZnO, and MgO from X-ray 74 photoemission spectroscopy and quasi-particle-corrected density-functional theory calculations”, Phys. Rev. B., 79: 205205 (2009). 48. Xu, Y. N., Ching, W. Y., “Electronic, optical, and structural properties of some wurtzite crystals” Phys. Rev B., 48: 4335 -4351(1993). 49. Schröer, P., Krüger, P., Pollmann, J., “First-principles calculation of the electronic structure of the wurtzite semiconductors ZnO and ZnS” Phys. Rev B., 47: 6971-6980 (1993). 50. Schleife, A., Fuchs, F., Furthmüller, J., Bechstedt, F., “First-principles study of ground- and excited-state properties of MgO, ZnO, and CdO polymorphs” Phys. Rev B., 73: 245212 (2006). 51. Ley, L., Pollak, R. A., McFeely, F. R., Kowalczyk, S. P., Shirley, D. A., “Total valence-band densities of states of III-V and II-VI compounds from x-ray photoemission spectroscopy” Phys. Rev B., 9: 600-621 (1974). 52. Bloom, S., Ortenburger, I., “Pseudopotential band structure of ZnO” Phys. Stat. Sol., 58: 561-566 (1973). 53. Vogel, D., Krüger, P., Pollmann, J., “Ab initio eletronic-structure calculations for II-VI semiconductors using self-interaction-corrected pseudopotentials” Phys. Rev B., 52: 14316-14319 (1995). 54. Oshikiri, M., Aryasetiawan, F., “Band gaps and quasiparticle energy calculations on ZnO, ZnS, and ZnSe in the zinc-blende structure by the GW approximation” Phys. Rev B., 60: 10754-10757 (1999). 55. Usuda, M., Hamada, N., Kotani, T., Schilfgaarde, M., “All-electron GW calculation based on the LAPW method: application to wurtzite ZnO”, Phys. Rev B., 66: 125101 (2002). 56. Langer, D.W., Vesely, C. J., “Electronic Core Levels of Zinc Chalcogenides” Phys. Rev., 2: 4885-4892 (1970). 57. Yang, L. L., “Synthesis and Characterization of ZnO Nanostructures”, Doktara Tezi, Linköping University Department of Science and Technology, Norrköping, 13-16 (2010). 58. Meyer, B. K., Alves, H., Hofmann, D. M., Kriegseis, W., Forster, D., Bertram, F., Christen, J., Hoffmann, A., Straburg, M., Dworzak, M., Haboeck, U., Rodina, A. V., “Bound exciton and donor-acceptor pair recombinations in ZnO” Phys. Stat. Sol., 24: 231-260 (2004). 59. Klingshirn, C., “Of Chemical Physics and Physical Chemıstry”., Wıley-Vch Verlag GmbH, 8: 782 (2007). 75 60. Willander, M., Nur, O., Zhao, Q. X., Yang, L. L., Lorenz, M., Cao, B. Q., Pérez, Z. J., Czekalla, C., Zimmermann, G., Grundmann, M., Bakin, A., Behrends, A., Al-Suleiman M., El-Shaer, A., Mofor, C. A., Postels, B., Waag, A., Boukos, N., Travlos, A., Kwack, H. S., Guinard, J., Le Si Dang, D., , “Zinc oxide nanorod based photonic devices: recent progress in growth, light emitting diodes and lasers” Nanotechnology, 20: 332001 (2009). 61. Zhang, S. B., Northrup, J. E., “Chemical potential dependence of defect formation energies in GaAs: Application to Ga self-diffusion”, Physical Review Letters 67: 2339-2342 (1991). 62. Walukiewicz, W., “Intrinsic limitations to the doping of wide-gap semiconductors”, Physica B: Condensed Matter, 302: 123-134 (2001). 63. Kittel, C., Katıhal Fiziğine Giriş, Güven Kitap Yayın Dağıtım Ltd. Şti., 434 (1996). 64. Batman, A., “Elektrik Üretimi İçin Güneş Pillerinin Kullanımında Verimi Arttırıcı Yeni Bir Dönem”, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 104, (2001). 65. Köse, S., “Yarıiletken Güneş Pilleri ve Verimlilikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 78, (1986). 66. Oral, M., “Güneş Pilleri”, İzmir İlker Matbaası, 59, (1979). 67. Sze, S. M., “Physics of Semiconductor”, Wiley, New Jersey, (1969). 68. Başer, G., “a-Si:H/c-Si Heteroeklemlerinin Elektronik ve Optik Özelliklerinin İncelenmesi ve Güneş Pili Üretimi”, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı, Ankara, (2011). 69. Küpeli, A. Ö., “ Güneş Pilleri ve Verimleri”, Yüksek Lisans Tezi, Osman Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, (2005). 70. Boz, O. H., “Günümüzün Alternatif Enerji Kaynağı: Fotovoltaik Güneş Pilleri”, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, 10-17 (2011). 71. Rhoderick, E. H., Williams, R. H., “Experimental Studies of Metals on Semiconductors”, Metal-Semiconductor Contacts, Clarendon Press, Oxford, 1100, (1988). 72. Eun, J., Cooper, J. A., “High temperature Ohmic Contact Technology to n-type GaAs”, Doktara Tezi, Purdue University, School of Electrical Engineering, India, (1993). 76 73. Bengi, A., “AlxGa1-xAs/GaAs Nanoyapıların MBE yöntemi ile büyütülmesi ve elektrofiziksel özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, GaziÜniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 58-71 (2005). 74. Razeghi, M., “Fundamentals of Solid State Engineering”, Kluwer Academic Publishers, 338-344 (2002). 75. Sze, S., M., Kwong, K., “ Physics and properties of Semiconductors”, John Wiley, Physics of Semiconductor Devices, New York, 187-191 (2007). 76. Aydın, S. G., “Al/PNpCIPhPPy/-tipi-Si Kontağın Elektronik Özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 20-25 (2010). 77. Oral, D. D., “Silisyum Tabanlı Organik-İnorganik Diyotların Elektriksel Karakterizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi Fizik Ana Bilim Dalı, Eskişehir, 10-25 (2012). 78. Durukan. İ. K., “Al:ZnO İnce Filmlerinin Büyütülmesi Ve Biyo-Sensör Özelliklerinin İncelenmesi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2013). 79. Dinç, Y., “AlGaN İnce Filmlerin Isıl İşlem Sonrası Yapısal ve Optiksel Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, 69, 2007. 80. Binning, G., Quate, C. F., Gerber, C., “Atomic Force Microscope”, In: Physical Review Letters, 56: 930-933 (1986). 81. Gadelmawla, E. S., Koura, M. M., Maksoud, T. M. A., Elewa, I. M., Soliman, H. H., “Roughness Parameters”, Journal of Materials Processing Technology, 123: 133-145 (2002). 82. Çörekçi, S., “Grup III-V Bileşik Yarıiletkenlerde AFM Yüzey Karakterizasyonu”, Doktara Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 187 (2008). 83. Perkowıtz, S., “Optical Characterization of Semiconductors: Infrared, Raman and Photoluminescence Spectroscopy”, Academic Press, San Diego, 1-100 (1993). 84. Aydoğan, Ş., “Yarıiletken karakterizasyon teknikleri”, Katıhal Fiziği, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara, 454-455 (2011). 85. Lianga, Z., Yub, X., Lei, B., Liua, P., Mai,W., “Novel blue-violet photoluminescence from sputtered ZnO thin films”, Journal of Alloys and Compounds., 509: 5437-5440 (2011). 77 86. Zang, D., Fan, P., Cai, X., Huang, J., Ru, L., Zeng, Z., Liang, G., Huang, Y., “Properties of ZnO thin films deposited by DC reactive magnetron sputtering under different plasma power”, Appl. Phys. A, 97: 437–441 (2009). 87. Bhuvana, K. P., Elanchezhiyan, J., Gopalakrishnan, N., Shin, B.C., Balasubramanian, T. “Realization of p-type conduction in (ZnO)1−x(AlN)x thin films grown by RF magnetron sputtering”, J. Alloys Compd., 478: 54–58 (2009). 88. Wang, Q. P., Zhang, D. H., Ma, H. L., Zhang, X. H., Zhang, X. J., “Photoluminescence of ZnO films prepared by r.f. sputtering on different substrates” Appl. Surf. Sci., 220: 12–18 (2003). 89. Suryanarayana, C., Norton, M.G., “X-ray diffraction a practical approach”, Plenum Press, New York, 98-125 (1998). 90. Yendrapati, T. P., Kalagadda, V. R., Vemula, S. K., Bandla, S. K. “Synthesis of ZnO Nanoparticles by a Novel Surfactant Assisted Amine Combustion Method” Advances in Nanoparticles., 2: 45-50 (2013). 91. Sawada, H., Wang, R., Sleight, A.W., “An electron density residual study of zinc oxide”, J. Solid State Chem., 122: 148 (1996). 92. McMurdie, H., Morris, M., Evans, E., Paratzkin, B., Wong-Ng, W., Ettlinger, L., Hubbard, C., Powder Diffraction, 1: 76 (1986). 93. Gorla, C. R., Emanetoğlu, N. W., Liang, S., Mayo, E., Lu, Y., “Structural, optical and surface acoustic wave properties of epitaxial ZnO films grown on (0112) sapphire by metalorganic chemical vapor deposition”, Journal of Applied Physıcs, 85(5): 2595-2601 (1999). 94. Alias, M. F. A., Aljarrah, R. M., Al-Lamy, H. K. H., Adem K. A. W., “Investigation the Effect of Thickness on the Structural and Optical Properties of Nano ZnOFilms Prepared by d.c Magnetron Sputtering”, International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management., 2(7): 2319-4847 (2013). 95. Dong, B. Z., Fang, G. J., Wang, J. F., Guan, W. J., Zhao, X. Z., "Effect of thickness on structural, electrical, and optical properties of ZnO: Al films deposited by pulsed laser deposition", J. Appl. Phys., 101: 033713 (2007). 96. Zeng, H., Duan, G., Li, Y., Yang, S., Xu, X., Cai, W., “Blue Luminescence of ZnO Nanoparticles Based on Non-Equilibrium Processes: Defect Origins and Emission Controls“, Adv. Funct. Mater., 20: 561-572 (2010). 97. Fang, Z., Wang, Y., Xu, D., Tan, Y., Liu, X., “Blue luminescent center in ZnO films deposited on silicon substrates“, Opt. Mater., 26: 239-242 (2004). 78 98. Zhang, D. H., Xue Z.Y., Wang Q.P, “The mechanisms of blue emission from ZnO films deposited on glass substrate by r.f. magnetron sputtering“, J.Phys.D: Apply.Phys., 35: 2837-2840 (2002). 99. Li, L. M., Du, Z. F., Wang, T. H., “Enhanced sensing properties of defectcontrolled ZnO nanotetrapods arising from aluminum doping“ , Sensors and Actuators B., 147: 165-169 (2010). 100. Li, X. Y., Li, H. J., Wang, Z. J., Xia, H., Xiong, Z. Y., Wang, J. X., Yang, B. C., “Effect of substrate temperature on the structural and optical properties of ZnO and Al-doped ZnO thin films prepared by dc magnetron sputtering”,Optics communications, 282: 247-252 (2009). 101. Jehl, Z., Bouttemy, M., Lincot, D., Guillemales, J.F., Gerrad, I., Etcheberry, A., Voorwinden, G., Powalla, M., Naghavi, N., “Insights on the influence of surface roughness on photovoltaic properties of state of the art copper indium gallium diselenide thin films solar cells”, J. Appl. Phys., 111: 114-509 (2012). 102. Kınacı, B., Özen, Y., Kızılkaya, K. Asar, T., Çetin, S. Ş., Boyalı, E., Öztürk, M. K., Memmedli, T., Özçelik, S., “Effect of alloy composition on structural, optical and morphological properties and electrical characteristics of GaxIn1P/GaAs structure”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 24: 1375‒1381 (2013). x 103. Sharma, M. K., Joshi, D. P., “Effect of grain boundaries on photovoltaic properties of PX-GaAs films”, Indian Journal of Pure & Applied Physics, 48: 575-580 (2010). 104. Pati, S., Majumder, S.B., Banerji, P., “Role of oxygen vacancy in optical and gas sensing characteristics of ZnO thin films“, Journal of Alloys and Compounds, 541: 376–379 (2012). 105. Çetinkaya, S., “Al/ZnO/p-Si ve Au/CuO/p-Si schottky yapıların farklı metodlarla elde edilmesi ve karakterizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, (2011). 106. Bertazzi, F., Bellotti, E., Furno, E., Goano, M., “Experimental Electron Mobility in ZnO: A Reassessment Through Monte Carlo Simulation”, Journal of Electronıc Materıals, 38(8): 1677-1682 (2009). 79 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : KURTULUŞ, Gürkan Doğum tarihi ve yeri : 10.11.1986 - Trabzon Medeni hali : Bekar Telefon : 0 (506) 460 37 98 e-mail : [email protected] Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi Yüksek lisans Gazi Üniversitesi / Fizik Bölümü 2014 Lisans Kocatepe Üniversitesi / Fizik Bölümü 2010 Lise Uluğbey Lisesi 2003 Yer Görev İş Deneyimi Yıl 2011- G.Ü. Fotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi Proje Destek Uzmanı Yabancı Dil İngilizce Yapılan Çalışmalar 1. Kurtuluş, G., Kızılkaya K., Pişkin, E., Efkere H. İ., Çakmak, H., Öztrük M. K., Özçelik, S., Özbay, E., “Tavlama sıcaklığına bağlı olarak InGaN/GaN yapılı güneş pillerinin mikro yapısal özelliklerinin incelenmesi”, Türk Fizik Derneği 30. Uluslararası Fizik Kongresi, 2-5 Eylül 2013, İstanbul, Türkiye. 2. Gürkan Kurtuluş, H. İbrahim Efkere, Emre Pişkin, Tarık Asar ve Süleyman Özçelik, “ZnO/p-Si Filmlerinin Foto-Duyarlıklarının İncelenmesi”, 19. Yoğun Madde Fiziği Kongresi, 20 Aralık 2013, Ankara, Türkiye.
