ZnO - Çukurova Üniversitesi

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DOKTORA TEZİ
Necdet Hakan ERDOĞAN
P-TİPİ ÇİNKO OKSİT (ZnO) YARIİLETKEN İNCE FİLMİNİN
ATMALI KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİ
İLE ELDE EDİLMESİ VE KARAKTERİZASYONU
FİZİK ANABİLİM DALI
ADANA, 2010
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
P-TİPİ ÇİNKO OKSİT (ZnO) YARIİLETKEN İNCE FİLMİNİN ATMALI
KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLMESİ VE
KARAKTERİZASYONU
Necdet Hakan ERDOĞAN
DOKTORA TEZİ
FİZİK ANABİLİMDALI
Bu Tez
/ /2010 Tarihinde Aşağıdaki
Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir.
Jüri
Üyeleri
Tarafından
……................................
………………....................
…………………………..
Prof. Dr. Ramazan ESEN
Prof. Dr. Hamide KAVAK
Prof. Dr. Birgül YAZICI
DANIŞMAN
ÜYE
ÜYE
...………………...............
...………………………..
Doç. Dr. Zeki YARAR
Yrd. Doç. Dr. Hülya METİN
ÜYE
ÜYE
Bu Tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır.
Kod No:
Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL
Enstitü Müdürü
Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından FEF-2008D9 Numaralı Proje
ve 106T613 Numaralı TUBİTAK AR-GE Projesi Tarafından Desteklenmiştir.
Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların
kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere
tabidir.
ÖZ
DOKTORA TEZİ
P-TİPİ ÇİNKO OKSİT (ZnO) YARIİLETKEN İNCE FİLMİNİN ATMALI
KATODİK VAKUM ARK DEPOLAMA YÖNTEMİ İLE ELDE EDİLMESİ
VE KARAKTERİZASYONU
Necdet Hakan ERDOĞAN
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI
Danışman : Prof. Dr. Ramazan ESEN
Yıl: 2010, Sayfa: 189
Jüri
: Prof. Dr. Hamide KAVAK
: Prof. Dr. Birgül YAZICI
: Doç. Dr. Zeki YARAR
: Yrd. Doç. Dr. Hülya METİN
Bu çalışmada atmalı katodik vakum ark depolama sistemi kullanılarak cam
alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin oksidasyonu ile N katkılı ZnO ince
filmler elde edilmiştir. Tavlama sıcaklığının depolanan ZnxNy ince filmlerinin
yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bundan
başka, N katkılı ZnO filmler O2-N2 karışım atmosferinde cam alt tabanlar üzerine
depolanmışlardır. Elde edilen filmlerin 450 °C’ de tavlanmasıyla p-tipi ZnO:N ince
filmler elde edilmiştir. O2’nin N2’ ye oranının elde edilen ve tavlanan filmlerin
elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi çalışılmıştır. Ayrıca, n-tipi (100)
yönelimli tek kristal silisyum alt tabakaları üzerine, ZnxNy ve 5/3’ lük O2/N2 oranıyla
ZnO:N filmleri depolanmıştır. Elde edilen bu filmler p-ZnO/n-Si heteroeklem yapılar
elde etmek için 450 °C’ de 1 saat tavlanmışlardır. Bu yapıların akım-gerilim (I-V)
karakteristikleri oda sıcaklığında ölçülmüştür.
Anahtar kelimeler: Atmalı katodik vakum ark, N katkılı ZnO, tavlama, oksidasyon
I
ABSTRACT
PhD THESIS
DEPOSİTİON AND CHARACTERİZATİON OF P-TYPE ZnO FİLMS BY
PULSED CATHODİC VACUUM ARC DEPOSİTİON TECHNİQUE
Necdet Hakan ERDOĞAN
ÇUKUROVA UNIVERSITY
INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
DEPARTMENT OF PHYSIC
Supervisor :Prof. Dr. Ramazan ESEN
Year: 2010, Pages: 189
Jury
:Prof. Dr. Hamide KAVAK
:Prof. Dr. Birgül YAZICI
:Assoc. Prof. Dr. Zeki YARAR
:Asst. Prof. Dr. Hülya METİN
In this study, N-doped ZnO films were obtained by the oxidation of ZnxNy
thin films deposited on glass substrates employing pulsed cathodic vacuum arc
deposition system. The influence of annealing temperature, on the electrical,
structural and optical properties of asdeposited ZnxNy films was investigated. The Ndoped ZnO films obtained on glas substrate in O2-N2 gas mixture were also
investigated. p-type ZnO:N films were obtained by annealing of the as-deposited
films at 450 °C. The influence of O2 to N2 ratio on the electrical and optical
properties of the as-deposited and annealed films was studied .In addition, ZnO:N
film with the 5:3 ratio of O2 to N2 and ZnxNy film were deposited on n-type (100) Si
substrate. These films were annealed at 450 ℃ for one hour to form p-ZnO/n-Si
hetero-junction structures. The current-voltage (I-V) characteritics of the structures
have been measured at room temperature.
Key words: Pulsed cathodic vacuum arc, N-doped ZnO, annealing , oxidation.
II
TEŞEKKÜR
Öncelikle, bu tezin yönetiminde ve oluşumunda aynı zamanda çalışmalarım
sırasında karşılaştığım sorunların çözümünde her türlü desteğini esirgemeyen,
çalışmalarımda beni yönlendiren, çalışma yapmak için bütün olanakları sağlayan
hocam Prof. Dr. Ramazan ESEN’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Çalışmalarımın her aşamasında her türlü desteğini esirgemeyen ve TUBİTAK
projesinde beni tübitak bursiyeri olarak destekleyen Prof. Dr. Hamide KAVAK’ a ve
yine hocam Prof. Dr. Ramazan ESEN’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Deneysel süreçleri tanıma aşamasında her türlü yardımlarından dolayı Doç
Dr. Ebru Şenadım TÜZEMEN’ e, Tübitak projesi kapsamında deneysel çalışmaları
beraber yürüttüğümüz grup arkadaşlarım, Kamuran KARA ve Havva YANIŞ’a
teşekkür ederim. Yine çalışmalarım boyunca hep desteklerini gördüğüm grup
arkadaşlarım, Deniz TAKCI, Zeynep BAZ, Saadet YILDIRIMCAN ve Birsen
KESİK’ e teşekkür ederim. Sunumun hazırlanmasındaki katkılarından dolayı Ali
Çetinkaya çok teşekkür ederim.
Tezin okunması sırasında karşılaşılabilecek sorunların giderilmesinde ve her
türlü katkılarından dolayı İlker ÖZŞAHİNE çok teşekkür ederim.
Fotolüminesans ve XRD ölçümlerinden dolayı Hakan KARAAĞAÇ’ a ve
EDX ölçümlerinden dolayı Dr. Emine GÜNERİ’ ye teşekkür ederim.
Her türlü sorularımda yardımlarını gördüğüm Yrd. Doç. Dr. Cebrail
GÜMÜŞ’ e ve Prof. Dr. Emirullah MEHMETOV’ a teşekkürlerimi bir borç bilirim.
Tezin düzenlenmesinde hiçbir yardımı esirgemeyen Dr. Nazım AKSAKER’ e
teşekkürlerimi bir borç bilirim.
Böyle yoğun bir çalışma sürecinde beni sonuna kadar maddi manevi olarak
destekleyen ve her türlü fedakârlığı gösteren aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
III
İÇİNDEKİLER
SAYFA
ÖZ....................................................................................................................
I
ABSTRACT.....................................................................................................
II
TEŞEKKÜR.....................................................................................................
III
İÇİNDEKİLER........ .....................................................................................
IV
ŞEKİLLER DİZİNİ.. .....................................................................................
VIII
TABLOLAR DİZİN. .......................................................................................
XIV
1.GİRİŞ............................................................................................................
1
2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ..........................................................................
5
3.MATERYAL ve METOD............................................................................
37
3.1. ZnO’ nun Temel Özellikleri................................................................
37
3.1.1. Giriş.............................................................................................
37
3.1.2. Kimyasal Özellikler.....................................................................
38
3.1.3. Fiziksel Özellikler..……..............................................................
39
3.1.3.1. Kristal Yapısı …………...................................................
39
3.1.3.2. Mekanik Özellikler………………………………….…..
41
3.1.3.3. Elektriksel Özellikler…………………………………....
41
3.2. ZnN’ nin Temel Özellikleri……..…………………………………….
42
3.3. ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim
Teknikleri………………………………………………………….......
44
3.3.1. Giriş……………………………………………….……………
44
3.3.2. Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi……….………..
45
3.3.3. Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam
Epitaxy-MBE)…………………………………………………...…..
45
3.3.4. Atmalı-Lazer Depolama………………………………………..
46
3.3.5. Kimyasal Buhar Depolama………………………………….….
47
3.3.6. Filtreli Katodik Vakum Arklar………………………………....
48
3.3.6.1 Giriş……………………………………………………...
48
3.3.6.2. Ark İnce Film Depolama………………………..............
49
IV
3.3.6.3. Ark İyon Kaynağı…………………………………….…
49
3.3.6.4. Katodik Ark Bileşenleri………………………………...
50
3.3.6.5. Ark Deşarjı……………………………………………...
51
3.3.6.6. Atmalı ve Sürekli CVA……………………………….
52
3.3.6.7. Katot Spotları……………………………………….…..
52
3.3.6.8. Spot Başına Akım……………………………………....
53
3.3.6.9. Akım Yoğunluğu………………………………………..
53
3.3.6.10. İyon Hızları…………………………………………....
54
3.3.6.11. İyon Yük Durumları…………………………………...
54
3.3.6.12. Spot Türleri…………………………………………....
55
3.3.6.13. Tersinir Hareket………………………………………..
55
3.3.6.14. Plazma ve Makroparçacık Taşınması………………….
57
3.3.6.15. MP Filtresi Dizayn Kriteri …………………………….
58
3.3.6.16. Manyetik Filtre Çeşitleri……………………………....
60
3.3.6.17. Bir Depolama Tekniği Olarak Filtreli Katodik Vakum
Ark……………………………………………………………….
66
3.3.6.18. Filtreli Katodik Vakum Ark daki Son Gelişmeler.……
67
3.3.6.19. Motivasyonlar…………………………………….……
68
3.4. Yarıiletkenlerde Temel Soğurma………………………………….…..
69
3.4.1. Bantlararası ve Safsızlık soğurması………………………….…
69
3.4.2. Soğurma ve Kazancın Temel Teorisi…………………………..
71
3.4.3. Direkt Bantarası Soğurma….………………….……………….
74
3.4.4. Mutlak Sıfırda Soğurma……………………………….……….
75
3.4.5. Eksitonik Soğurma…………………………………….……….
81
3.5. p-n Eklemi……………………………………………………….……
84
3.5.1. Giriş………………………………………………………..…...
84
3.5.2. Kontak Potansiyeli…………………………………………..….
84
3.5.3. İleri ve Ters Öngerilim Uygulanmış Eklemler; Kararlı Durum
Şartları……………………………………………………………...…
87
3.5.4. Bir Eklemde Akım Akısının Niteliksel Tanımı………………...
87
3.6. Heteroeklem…………………………………………………….……..
93
V
3.7. Film Katakterizasyonu……………………………………….………..
96
3.7.1. Optiksel Karakterizasyon……………………………………....
96
3.7.1.1. Film Kalınlığı Hesabı…………………………………...
96
3.7.1.2. Soğurma Katsayısının Hesaplanması…………………...
97
3.7.1.3. Yasak Enerji Aralığının Hesaplanması………………....
102
3.7.2. XRD Analizi…………………………………………………....
103
3.7.3. Hall Analizi……………………………………………………..
105
3.7.3.1. Mobilite………………………………..…………..…....
105
3.7.3.2. Direnç…………………………………………..…......
107
3.7.3.3. Hall Etkisi Olayı………………………………………...
111
3.7.3.4. Hall Etkisi ve Lorentz Kuvveti…………..……………..
111
3.7.3.5. Van Der Pauw Tekniği…………………..…………...…
113
3.7.3.6. Direnç ve Hall Ölçümleri……………...………………..
116
3.7.3.7. Örnek Geometrisi……..…………...................................
116
3.7.3.8. Direnç Ölçümleri İçin Tanımlar…..…………………….
117
3.7.3.9. Direnç Ölçümleri……………….....…………………….
117
3.7.3.10 Direnç Hesaplamaları………………..............................
118
3.7.3.11. Hall Ölçümü İçin Tanımlar............................................
119
3.7.3.12 Hall Etkisi Ölçüm Sistemi ve Ölçme Tekniği.................
119
3.7.3.13. Hall Hesaplamaları…...............................................…..
120
3.7.4. Fotolüminesas Analizi……………………………………….....
122
3.7.5. EDX Analizi…………………………………………………....
124
3.7.6. hp4156C Yarıiletken Parametrik Analizörü…………………....
126
3.8. Deneysel Düzenek ve Süreçler………………………………………..
128
3.8.1. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Sistemi…….….
128
3.8.2. PFCVAD Sisteminin Yapısı…………………………………....
128
3.8.2.1. Reaksiyon Odası………………………………………...
129
3.8.2.2. Birincil ve Turbomoleküler Pompa Sistemi………….....
130
3.8.2.3. Atmalı Plazma Ark Kaynağı…………………………....
131
3.8.2.4. Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi……………………....
133
3.8.3. Katot…………………………………………………………....
135
VI
3.8.4. Alt Tabanlar…………………………………………………….
135
3.8.5. PFCVAD Sistemi İle Plazma Üretimi ve Taşınması………….
136
3.9. Sistem Karakterizasyonunda Kullanılan Cihazlar…………………….
136
3.9.1. Optiksel Geçirgenlik…………………………………………....
136
3.9.2. Film Yapısı……………………………………………………..
137
3.9.3. Elektriksel Özellikler……………………...………………...….
137
3.9.4. Fotolüminasens Özellikler……………………………………...
137
3.9.5. Elementel Analiz……………………………….………………
137
3.9.6. Heteroeklem Analiz…………………………….………………
137
4. BULGULAR VE TARTIŞMA...................................................................
139
4.1. Yapısal Özellikler……………………………………………………..
139
4.2. Elementel Analiz…………………………….………………………..
144
4.3. Optik Özellikler ………………………………………………………
146
4.4. Elektriksel Özellikler ………………………………………………...
157
4.5. Fotolüminesans Özellikler ……………………………………………
164
4.6. Farklı Eklem (Hetero-Junction) Yapılar……………………………....
166
5. SONUÇLARVE ÖNERİLER.....................................................................
173
5.1. Filmlerin Yapısal Özellikleri…………………………………………..
173
5.2. Elementel Analiz…………………………………….………………
174
5.3. Filmlerin Optiksel Özellikleri ……………………………………….
175
5.4. Filmlerin Elektriksel Özellikleri ………………………………………
175
5.5. Filmlerin Fotolüminesans Özellikleri ……………………………….
177
5.6. Diyot Özellikleri ………………………………………………………
177
5.7. Öneriler
178
KAYNAKLAR..................................................................................................
181
ÖZGEÇMİŞ.......................................................................................................
189
VII
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 3.1.
SAYFA
ZnO’nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b)
Zinc Blende, (c)Wurtzite…………………………....................
40
Şekil 3.2.
ZnN’ in kristal yapısı…………………………………………..
43
Şekil 3.3.
Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı………...
47
Şekil 3.4.
Katodik
vakum
arkın
başlıca
bileşenlerinin
şematik
gösterimi………………………………………………..……...
Şekil 3.5.
50
Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin
görüntüsü……………………………………………………....
o
57
Şekil 3.6.
90 eğimli filtrenin şematik gösterimi……………………..…..
61
Şekil 3.7.
S-şekilli manyetik filtre………………………………………..
62
Şekil 3.8.
Diyagram (a) ve fotoğraf (b) bir duble eğimli düzlem sapmalı
(off-plane) filtreye aittirler ve (c) bir duble eğimli düzlem
sapmalı
filtreyle
donanmış FCVA
sisteminin
şematik
gösterimi. Duble eğimli düzlem sapmalı filtreye bir kenardan
bakıldığında iki boyutlu şekilde 90°eğimli bir filtre gibi
göründüğü not edilmelidir……….………………………….....
Şekil 3.9.
Yukarı kısmı 90° ve dip kısmı S şekilli serbest manyetik
filtre…………………………….……………………………...
Şekil 3.10.
64
65
Yarıiletkenlerdeki farklı soğurma süreçleri (a) gerçek uzay ve
(b) karşıt uzay: (1) bantdan banda (2) iletkenlik bant arası (3)
valans bant arası (4) vericiden iletkenlik bandına (5) alıcıdan
valans bandına (6) valans bandından vericiye (7) alıcıdan
iletkenlik bandına ve (8) vericiden alıcıya geçişler………....…
Şekil 3.11.
70
Yarıiletkenlerdeki Bloch fonksiyonlarının şematik temsili: (a)
periyodik potansiyel (b) dolu dalga fonksiyonu (c) hücre
periyodik kısmı
Şekil 3.12.
ve (d) düzlem dalga kısmı……………......
77
E-k diyagramında direk optiksel geçiş için k’ nın korunumunu
açıklayan düşey geçiş……………………………………….....
VIII
79
Şekil 3.13.
Eksitonik etki olmayan (kesikli eğri) ve eksitonik etki olan
(düz çizgi biçimindeki eğri) soğurma spektrası…………….....
Şekil 3.14.
82
Bir Frenkel ve bir Mott-Wannier eksitonunun periyodik
kuşatan fonksiyonlarının alanını açıklayan kavramsal bir
resim. Wannier eksiton kuşatan fonksiyonu birim hücrelerin
büyük bir miktarını kapsar………………………….………....
Şekil 3.15.
83
Denge durumundaki bir p-n ekleminin nitelikleri: (a) p-tipi ve
n-tipi materyalin yalıtılmış nötral bölgeleri ve yalıtılmış
bölgeler için enerji bantları (b) geçiş bölgesindeki uzay
yükünü, oluşan elektrik alan ε, kontak potansiyeli Vo ve enerji
bantlarının ayrılışını gösteren eklem (c) geçiş bölgesi içindeki
parçacık akışının dört bileşeninin yönü ve oluşan akım
85
yönleri……………………………………………………..…...
Şekil 3.16.
Bir p-n eklemindeki ön gerilimin etkisi: (a) denge durumunda
(b) ileri ön gerilim uygulandığında (c) ters ön gerilim
uygulandığında, geçiş bölgesi genişliği ve elektrik alan,
elektrostatik potansiyel, enerji bant diyagramı ve W genişliği
içinde parçacık akısı ve akım yönü……………..……………..
88
Şekil 3.17.
Bir p-n ekleminin I-V karakteristiği……………………….......
93
Şekil 3.18.
İnce bir tabakadaki soğurma…………………………………..
98
Şekil 3.19.
İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi……………………
100
Şekil 3.20.
Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile
değişimi………………………….…………………………….
Şekil 3.21.
103
Bir yarıiletken içindeki bir elektronun şematik yörüngesi. (a)
Rastgele ısısal hareket. (b) Gelişigüzel ısısal harekete ve
uygulanan bir elektrik alana bağlı birleştirilmiş hareket………
Şekil 3.22.
n-tipi bir yarıiletkende iletkenlik süreci (a) ısısal denge
durumunda ve (b) bir öngerilim şartı altında………………….
Şekil 3.23.
Şekil 3.24.
106
108
L uzunluğu ve A kesitsel alanıyla birlikte düzgün şekilde
katkılanmış bir yarıiletken çubukta akım iletimi…………...….
110
Manyetik alan ve Lorentz kuvveti………………………....….
113
IX
Şekil 3.25.
Van Der Pauw Tekniği………………………………………...
114
Şekil 3.26.
Hall voltajı ölçme düzeneği………………………………........
115
Şekil 3.27.
Hall ölçümünde kullanılan örnek geometrileri………………...
116
Şekil 3.28.
Hall Ölçüm Sistemi………………………………………,...…
120
Şekil 3.29.
Fotolüminesans ölçüm sisteminin şematik gösterimi………….
124
Şekil 3.30.
Bir EDX spektrumundaki elementler, onların elektronlarının
yüksek bir enerji kabuğundan daha düşük bir enerji kabuğuna
geçtiğinde yayınladığı X-ışınlarının enerji içeriğini temel
alarak tanımlanır…….................................................................
125
Şekil 3.31.
hp4156C yarıiletken parametrik analizör görüntüsü…………
127
Şekil 3.32.
PFCVAD sisteminin şematik gösterimi……………………….
129
Şekil 3.33.
Reaksiyon odasının dıştan görünüşü……………………..........
130
Şekil 3.34.
Birincil ve turbo moleküler pompa görüntüsü………………..
131
Şekil 3.35.
Plazma ark kaynağı………………………….………………...
132
Şekil 3.36.
Mini tabanca şematik gösterimi………………………….……
132
Şekil 3.37.
Mini tabanca görüntüsü…………………………..……………
133
Şekil 3.38.
Gaz akış basınç kontrol sisteminin görüntüsü…………………
134
Şekil 3.39.
Azot jenaratörü ve oksijen tüpünün görüntüsü………………
135
Şekil 4.1.
-4
9.2 ×10 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnxNy filmi ve bu filmin farklı tavlama
sıcaklıkları için XRD desenleri………………………………..
Şekil 4.2.
139
8.5× 10-4 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnxNy filmi ve bu filmlerin farklı tavlama
Şekil 4.3.
Şekil 4.4.
için XRD desenleri…………………………………………….
142
450 °C’ da elde edilen ZnO:N filminin EDX spektrası……….
146
-4
9.2 ×10 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmi ve bu filmlerin farklı tavlama
sıcaklıkları için optik geçirgenlik eğrileri……………………..
Şekil 4.5.
147
9.2 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları
için soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi……………..
X
148
Şekil 4.6.
9.2 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları
Şekil 4.7.
için, ( ℎ ) ’ in ℎ ’e gore grafiği…………………….……….
150
-4
8.5× 10 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmi ve bu filmlerin farklı tavlama
sıcaklıkları için optik geçirgenlik eğrileri…………………......
Şekil 4.8.
151
8.5× 10-4 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları
için soğurma katsayısının enerjiye gore değişimi……………..
Şekil 4.9.
152
8.5× 10-4 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları
Şekil 4.10.
Şekil 4.11.
için ( ℎ ) ’ nin ℎ ’e gore grafiği……………………..…...…
153
450 °C’ da tavlanan filmlerin optik geçirgenlik eğrileri……
155
Farklı N2/O2 oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak
Farklı N2/O2 oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak
450 °C’ da tavlanan filmlerin soğurma katsayısının enerejiye
göre değişimi..............................................................................
Şekil 4.12.
156
Farklı N2/O2 oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak
450 °C’ da tavlanan filmler için ( ℎ ) ’ nin ℎ ’e gore
157
grafiği………………………………………………………….
Şekil 4.13.
9.2 ×10-4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanarak 450 °C’ da tavlanan ZnN filminin yüzey
Şekil 4.14.
−
karakteristikleri…………………..…………...………
158
8.5× 10-4 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnN filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları
için oda sıcaklığı fotolüminesans spektrası……………………
Şekil 4.15.
Şekil 4.16.
165
n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero ekleminin oda sıcaklığında
ölçülen −
karakteristiği……………………………...…….
167
n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero eklemi için ileri öngerilim
voltajı altında
−
karakteristiği……………………….…
XI
168
Şekil 4.17.
Şekil 4.18.
n-tipi
silisyum/p-tipi
sıcaklığında ölçülen −
n-tipi
silisyum/p-tipi
ZnO:N
hetero
ekleminin
oda
karakteristiğ……………………….
ZnO
hetero
eklemi
için
ileri
öngerilimvoltajı altında LnI-V karakteristiği………………….
XII
170
171
XIII
TABLOLAR DİZİNİ
SAYFA
Tablo 3.1.
ZnO’ nun sahip olduğu çeşitli nitelikler……………………….....
Tablo 4.1.
9.2 ×10 -4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnxNy
38
filmlerinin farklı sıcaklıklarda
tavlanmasıyla elde edilen N katkılı ZnO filmlerinin farklı
yönelimler için grain büyüklükleri…………………………...…...
Tablo 4.2.
141
8.5× 10 -4 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla cam alt tabanlar
üzerine
depolanan
ZnxNy
filmlerinin
farklı
sıcaklıklarda
tavlanmasıyla elde edilen N katkılı ZnO filmlerinin farklı
yönelimler için grain büyüklükleri……………………………......
Tablo 4.3.
9.2 ×10
-4
143
Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla cam alt taban
üzerine depolanan ZnxNy filminden 450 °C’ de ki oksidasyodan
sonra elde edilen örneğin, EDX analiz sonuçları…………………
145
Tablo 4.4.
Farklı N2/O2 oranlarında film üretim koşulları…………………...
154
Tablo 4.5.
9.2 ×10 -4 Torr basınç ve 500 V ark voltajıyla oda sıcaklığında
tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin ve
bu
filmlerin farklı
tavlama
sıcaklıklarındaki
hall etkisi
ölçümleri…….……........................................................................
Tablo 4.6.
159
-4
8.5× 10 Torr basınç ve 580 V ark voltajıyla oda sıcaklığında
tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin ve
bu
filmlerin farklı
tavlama
sıcaklıklarındaki
hall etkisi
ölçümleri………………………………………………………….
Tablo 4.7.
162
Farklı N2/O2 oranlarında cam alttabanlar üzerin depolanarak 450
°C’ de tavlanan N katkılı ZnO filmleri için Hall etkisi
ölçümleri……………….................................................................
XIV
163
XV
1. GİRİŞ
Necdet Hakan ERDOĞAN
1. GİRİŞ
Uygulamalı fizikte, elektrik mühendisliğinde, elektronik mühendisliğinde
veya malzeme biliminde uğraşan insanlar olarak niçin yarıiletken aygıtları çalışma
ihtiyacı duyduğumuzu kendi kendimize sormalıyız. Bunun nedeni, yarıiletken
aygıtların 1998’ den beri yüz milyarlarca dolarlık küresel satışla birlikte dünyada en
geniş endüstri olan elektronik endüstrisinin temelini oluşturmasıdır.
Yarıiletkenler, metallerle yalıtkanlar arasında elektriksel iletkenliğe sahip bir
grup materyallerdir. Bu materyallerin iletkenliğinin, sıcaklıktaki, optik uyarılmadaki
ve safsızlık içeriğindeki değişikliklerle değiştirilebilmesi önemlidir. Elektriksel
özelliklerdeki
bu
değişkenlik,
yarıiletken
materyalleri
elektronik
aygıt
araştırmalarında doğal seçenek haline getirir.
Yarıiletken materyaller periyodik cetvelin IV. sütun ve komşu sütunlarında
bulunurlar. IV. sütün yarıiletkenleri silisyum ve germanyum olup, onlar tek tür
atomlardan meydana geldiklerinden dolayı temel yarıiletkenler olarak adlandırılırlar.
Elemental materyallere ek olarak, hem II ve VI’ nın bilinen kombinezonları hem de
III. ve V. sütün atomlarının birleştirilmesi ile ara metalik veya bileşik yarıiletkenler
meydana getirilir. Günümüzde çok fazla yarıiletken materyal olduğunu bilmekteyiz.
Bu yarıiletkenlerin geniş çeşitlilikteki elektronik ve optik özellikleri, aygıt
mühendisliğine elektronik ve optoelektronik işlevlerde muazzam esneklikler
sağlamaktadır. Temel yarıiletken olan Ge, yarıiletken gelişiminin ilk zamanlarında
transistör ve diyot için yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Daha sonraki yıllarda ise,
doğrultucu, transistör ve entegre devreler için Si kullanılmıştır. Buna rağmen, yüksek
hızlı aygıtlar ve ışığın yayınlanması ve soğrulmasını gerektiren aygıtlar için, geniş
bir şekilde bileşikler kullanılmıştır. Örneğin, GaAs ve GaP gibi iki-element (binary)
III-V bileşikleri ışık yayan diyotlarda (LED) yaygındır. Ayrıca, GaAsP gibi üçelement (ternary) bileşikleri ve InGaAsP gibi dört-element (quaternary) bileşikleri
büyütülerek materyal özelliklerinin şeçiminde ek esneklikler sağlanmıştır.
Bir
yarıiletkeni
metallerden
ve
yalıtkanlardan
ayıran
en
önemli
karakteristiklerinden birisi onun bant aralığıdır. Bu özellik, yarıiletken tarafından
yayınlanabilen veya soğrulabilen ışığın dalgaboylarının belirlenmesine olanak sağlar.
1
1. GİRİŞ
Necdet Hakan ERDOĞAN
Örnek olarak, GaAs’ nin bant aralığı 1.43 eV olup bu da spektrumun yakın kızılötesi
bölgesine karşılık gelmektedir. Buna kıyasla, GaP, 2.3 eV bant aralığına sahiptir ve
bu da spektrumun yeşil bölgesine karşılık gelmektedir Yarıiletkenlerin bant
aralıklarının geniş çeşitliliğinin bir sonucu olarak, spektrumun kızılötesinden UV’ ye
kadar olan geniş bir aralığındaki dalga boylarında ışık yayan diyotlar ve lazerler
yapılabilir.
Yarıiletken materyallerin elektronik ve optik özellikleri, miktarı tam olarak
kontrol edilebilen safsızlıklar tarafınan güçlü bir şekilde etkilenir. Bu safsızlıklar
yarıiletkenlerin iletkenliklerinin değişmesinde kullanılır ve hatta iletkenlik tipinin
değişmesinde bile etkili olabilmektedirler. Safsızlıkların kontrol edilebilir bir şekilde
eklenmesi, katkılama olarak adlandırılır.
Yarıiletkenlerin bu faydalı özelliklerini araştırmak için bu materyallerdeki
atomik düzenin anlaşılması gerekmektedir. Orijinal malzemenin safsızlığındaki
küçük değişim, elektriksel özelliklerde büyük değişiklikler yaratabilir. Her bir
yarıiletkendeki atomların doğal ve özel düzeni çok büyük bir öneme sahiptir.
(Streetman ve ark, 2006)
Geniş bant aralığına sahip yarıiletkenler kısa dalgaboyundaki optoelektronik
uygulamalarda çok büyük bir ilgi görmektedirler. Bunların arasından ZnO, 3.37 eV
geniş bant aralığına ve yüksek eksiton bağlanma enerjisine (60 meV) sahiptir
Dolayısıyla ZnO, (UV) ışık yayan aygıtlar, diyot lazerler ve UV dedektörler gibi
optoelektronik aygıt tasarımında çeşitli uygulamalar için gelecek vaad eden II-VI
oksit yarıiletkenlerden birisi olarak göz önüne alınmaktadır (Wang ve ark, 2008;
Park ve ark, 2009). ZnO bazlı optoelektronik aygıtların etkin bir şekilde geliştirilmesi
için, alıcı düzey oluşumunun anlaşılmasını gerektiren araştırmalara ihtiyaç
duyulmaktadır (Erie ve ark, 2008).
Optoelektronik aygıtlar için kabul edilebilir elektriksel ve optiksel özelliklerle
birlikte, kalıcı ve tekrarlanabilir p-tipi ZnO üretilmesi çok önemlidir (Yang ve ark,
2008). Hiçbir katkılama yapmadan yüksek taşıyıcı yoğunluklu n-tipi ZnO kolayca
elde edilebilirken, oksijen boşlukları, çinko arayer atomu v.b. gibi doğal kusurlardan
kaynaklı kendini kompanse eden etkilerinden dolayı p-tipi ZnO üretimi zordur
(Kumar ve ark, 2008). p-tipi ZnO elde edebilmek için, azot, arsenik ve fosfor gibi
2
1. GİRİŞ
Necdet Hakan ERDOĞAN
katkılayıcılar kullanılarak çok çaba sarf edilmiştir. As ve P’ nin her ikisi de derin
alıcılar olup p-tipi iletkenliğe çok az katkı sağlamaktadırlar. Bu da p-tipi ZnO’ da
alıcı katkılayıcılar için azotu en iyi seçenek haline getirmektedir (Cao ve ark, 2008;
Vaithianathan ve ark, 2006). Aynı zamanda, elektronik bant yapısının teorik
hesaplamaları sonucunda, diğer V. grup elementleriyle kıyaslandığında ZnO’ da bir
sığ alıcı düzey oluşturmak için azotun en iyi aday olduğu tahmin edilmektedir.
Çünkü, azot ve oksijen hemen hemen aynı iyonik yarıçapa sahiptir (.Yang ve ark,
2008) Dolayısıyla, ZnO’ da p-tipi katkılama yapmak için moleküler demet epitaksi
(Sun ve ark, 2006), metal organik kimyasal buhar depolama (Zhu ve ark, 2009),
magnetron söktürme (Yao ve ark, 2007) ve atmalılı lazer depolama (Erie ve ark,
2008) gibi bir çok yöntem kullanılarak yapılan bir çok araştırmada, katkılayıcı olarak
azot kullanılmıştır. Herşeye rağmen, N katkılayıcısının çok düşük çözünürlüğü ve
azotun
arzu
edilen
sığ
alıcıları
biçimlendirecek
kadar
yeteri
düzeyde
iyonlaşmamasından dolayı, N-katlılı p-tipi ZnO üzerinde çok kısıtlı raporlar
sunulmuştur. Bundan başka, katkı seçimi ve büyütme teknikleri tartışmalı durumda
olup p-tipi ZnO üretimi de hala tartışılmaktadır (Yang ve ark, 2008).
Filtreli katodik vakum ark tekniği ile iyi kalitede yoğun karbon kaplamalar
üretildiği bilinir. Plazmada katot materyalinin % 100 iyonizasyonu, büyütme
yüzeyinde depolanan iyonların varış enerjilerinin elektrik alan kullanarak kolayca
kontrol edilebilmesi anlamına gelir. Onların yüksek enerji plazma jeti çok fazla
arkaplan gazın kolayca iyonize olmasını sağlamaktadır. Bu özellikler bu sistemi
metal oksit ve nitrür filmlerin üretimi için ideal bir kaynak durumuna getirmektedir
(Xu ve ark, 2001)
Bu çalışmada atmalı katodik vakum ark depolama sistemi kullanılarak cam
alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin oksidasyonu ile N katkılı ZnO ince
filmler elde edilmiştir. Tavlama sıcaklığının depolanan ZnxNy ince filmlerinin
yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bundan
başka, N katkılı ZnO filmler O2-N2 karışım atmosferinde cam alt tabanlar üzerine
depolanmışlardır. Elde edilen filmlerin 450 °C’ de tavlanmasıyla p-tipi ZnO:N ince
filmler elde edilmiştir. O2’nin N2’ ye oranının elde edilen ve tavlanan filmlerin
elektriksel ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisi çalışılmıştır. Ayrıca, n-tipi (100)
3
1. GİRİŞ
Necdet Hakan ERDOĞAN
yönelimli tek kristal silisyum alt tabakaları üzerine, ZnxNy ve 5/3’ lük O2/N2 oranıyla
birlikte ZnO:N filmleri depolanmıştır. Elde edilen bu filmler p-ZnO/n-Si
heteroeklem yapılar elde etmek için 450 °C’ de 1 saat tavlanmışlardır. Bu yapıların
akım-gerilim (I-V) karakteristikleri oda sıcaklığında ölçülmüştür.
4
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Bu çalışmada, Zn3N2 ince filmler hedef olarak saf çinko diski ve çalışma gazı
olarak da Ar-N2 kullanılarak reaktif dc magnetron söktürme yöntemiyle amorf
kuvarz üzerine hazırlanmışlardır. Alt taban sıcaklığı 150 °C ±0.5 °C olarak
ayarlanmıştır. Depolama odasının basıncı 1.0×10 -3 Pa olarak belirtilmiştir. Söktürme
süresince, argonun azota oranı 3:1 ve toplam gaz akış oranı da 40 sccm olarak
belirlenmiş ve bununda 1.0×10-3 Pa basınç oluşturduğu belirtilmiştir. Filmler 3
dakikada 70 W’ da depolanmışlardır. Büyütülen Zn3N2 filmlerinin koyu-gri renkli
oldukları ve 3 saatte 350 ve 550 °C arasında havada tavlandıktan sonra saydam
oldukları görülmüştür.
Büyütülen filmlerin XRD analizinde, Zn3N2 (332) kırınımıyla uyumlu kırınım
pikinin etkin olduğu gözlenmiştir. Isısal oksidasyondan sonra, ZnO’ ya ait kırınım
piklerinin ortaya çıktığı görülmüştür. Bu sonuçla birlikte, ısısal oksidasyonun Zn3N2
filmlerini ZnO’ ya dönüştürdüğü belirtilmiştir.
Farklı sıcaklıklarda hazırlanan ZnO filmlerinin UV-görünür soğurma
spektrumu elde edilmiş ve bütün spektrumda 385 nm civarında keskin soğurma
kenarı bulunmuştur. Buradan da bütün filmlerin saf çinko oksit fazına sahip oldukları
belirtilmiştir. Soğurma spektrumundan, özden soğurma katsayısı α~25 μm-1alınarak
kalınlık değerleri tahmin edilmeye çalışılmıştır. 368 nm’ deki ortalama soğurma
5.25±0.2 alınarak, ortalama kalınlık 210 nm civarında elde edilmiştir.
350 ve 500 °C arasındaki oksidasyon sıcaklıklarında p-tipi iletkenlik
sağlanmış olup, Hall etkisi ölçüm sonuçlarından, 450 °C’ de 5.78×10 17 cm-3 hall
konsantrasyonu, 220 Ω cm direnç ve 0.098 cm2/Vs Hall mobilitesi değerleri elde
edilmiştir. Oksidasyon sıcaklığı 500 °C’ den daha yüksek olduğunda, filmlerde yeteri
kadar N olmadığından dolayı ZnO filmlerinin n-tipi oldukları belirtilmiştir. (Wang ve
ark, 2003)
Bu çalışmada, Zn3N2 filmler N2/Ar plazmada Zn (%99.995) hedefinden rf
söktürme yöntemiyle kuvarz, safir, GaN ve ZnO yüzeyleri üzerine hazırlanmışlardır.
Vakum odası temel basınç değeri 5×10-6 mbar olarak belirtilmiştir. Depolama
süresince toplam basınç 1×10-2 mbar olarak ayarlanmıştır. RF güç yoğunluğu 1.9
5
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
W/cm2 olarak belirtilmiş ve alt tabakalar oda sıcaklığında tutulmuştur. Zn3N2
filmlerinin kalınlığının 200 nm’ den 1.5 μm’ ye kadar değiştiği belirtilmiştir.
Örnekler O2 akısında 600 °C’ de 5 dakikadan 60 dakikaya kadar olan sürelerde
tavlanmışlardır.
ZnO filmlerinin üretimi için başlangıç maddesi olarak kullanılan Zn3N2
filmlerinin özelliklerinin en iyi halini belirlemek için, söktürme gazındaki N2
konsantrasyonunun, bileşik ve depolanan malzemenin yapısı üzerindeki etkileri
araştırılmıştır. Söktürme gazında çeşitli azot konsantrasyonları (% 20, % 25, % 50, %
90) kullanılarak söktürme yöntemiyle Zn3N2 filmleri hazırlanmıştır. Zn3N2 filmi
atomca % 90 N2 ile depolandığında ve 600 °C’ de O2 ortamında 15 dakikada
tavlandığında, oda sıcaklığında 1017 cm-3 civarında taşıyıcı konsantrasyonu ve 10
cm2/Vs mobiliteyle birlikte p-tipi iletkenlik başarılmıştır.
p-tipi Zn:O filmlerinin PL spektrumunda, 3.360 eV’ de büyük olasılıkla
nötral alıcı bağ eksitonuna bağlanan keskin bir pik gözlenmiştir. p-tipi ZnO:N
filmlerinin görünür bölgedeki geçirgenliklerinin % 80 civarlarında olduğu
belirlenmiştir (Kaminska ve ark, 2005).
Bu çalışmada, farklı Li içerikli ZnO filmlerinin iki serisi dc reaktif magnetron
söktürme yöntemiyle cam alt tabanlar üzerine hazırlanmışlardır. % 0.1 ve % 0.5
oranında Li (%99.99 saflıkta) ile birlikte karıştırılmış bir Zn metal (99.99 saflıkta)
diski söktürme hedefi olarak kullanılmıştır. Vakum odası 10-3 Pa’ a getirilmiştir. 4
Pa’ lık sabit bir toplam basınçla birlikte, söktürme gazları olarak yüksek saflıkta O2
(% 99.99) ve Ar (% 99.99) içeriye alınmıştır. Depolamadan önce, yüzeydeki
kirliliklerin çıkarılması için hedef malzeme 5 dakikalığına önsöktürme işlemine tabi
tutulmuştur. Büyütme sıcaklığı 450 den 600 °C’ ye kadar değiştirilmiştir. Bütün
filmler 30 dakikada büyütülmüşler ve arakesitsel tarayıcı elektron mikroskobu
(SEM) ölçümlerinden film kalınlıklıkları tipik kalınlık değeri olan 300 nm civarında
bulunmuştur.
570 °C alt tabaka sıcaklığında büyütülen Li-katkılı ZnO filmlerinin XRD
sonuçlarından, ZnO’ nun (002) ve (004) düzlemlerinin karşılığı olan iki pik
gözlenmiştir. % 0.1 Li katkılı ZnO filmlerinin (002) pikinin kırınım açısının ZnO
bulk tek kristali ile hemen hemen uyumlu olduğu gösterilmiş ve bu sonuca dayanarak
6
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
da Li atomlarının Zn sitelerinde yer aldığı önerilmiştir. Hedefteki Li içeriği % 0.5’ e
kadar arttığında, (002) pikinin şiddetinin azaldığı gözlenmiş ve bu da Li atomlarının
daha fazla olmasına bağlı olarak kristalliğin zayıfladığı şeklinde yorumlanmıştır.
Bundan başka, (002) pikinin kırınım açısının, daha düşük kırınım açısı kenarına 0.1°
kaydığı gözlenmiş ve bunun da, bazı Li atomlarının Zn sitelerinin yerine, arayer
sitelerine yerleşmesinden dolayı kaynaklanabileceği belirtilmiştir.
Hall etkisi ölçüm sonuçları elde edilmiştir. p-tipi iletkenliğin, alt tabakadan
daha ziyade ZnO filmlerinden geldiğini sağlama almak için cam alt tabanlar
kullanılmıştır. % 0.1 oranında Li katkılı ZnO filmleri için bütün büyütme
sıcaklıklarında (450’ den 600 °C’ ye) p-tipi iletkenlik başrılmıştır. En iyi sonuçlar
570 °C alt tabaka sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Bu sonuçlara göre, direnç 17.6 Ω
cm, Hall mobilitesi 3.47 cm2/Vs ve taşıyıcı konsantrasyonu 1.01×10 17 cm-3 olarak
elde edilmişlerdir. p-tipi iletkenliğin kalıcılığının araştırılması için, Li katkılı ZnO
filmleri bir hafta sonra yeniden çalışılmıştır. Bütün filmlerde elektriksel özelliklerde
hiçbir bozulma olmadan p-tipi iletkenliğin muhafaza edildiği gösterilmiştir. % 5
oranında Li katkılı ZnO filmlerinde, alt tabaka sıcaklığı ne olursa olsun yüksek
dirençle birlikte zayıf p-tipi iletkenlik gözlenmiştir. Elektriksel özelliklerdeki bu
düşüş, hedefteki daha fazla Li atomlarına bağlı olarak, LiZn-Lii komplekslerinin
oluşumuna bağlanmıştır.
Alan yayınım tarayıcı elektron mikroskobu (FE-SEM) kullanılarak Li katkılı
ZnO filmlerinin yüzey morfolojisi incelenmiş ve yoğun tanecikli düzgün yüzeyler
elde edilmiştir. Hatta, yüksek Li içerikli filmler ile düşük Li içerikli filmler
karşılaştırdıklarında, yüzey morfolojisinde belirgin bir bozulma olmadığı gözlemiştir.
570 °C alt tabaka sıcaklığında büyütülen Li katkılı ZnO filmlerinin
geçirgenlik spektrumundan, bütün filmler için görünür bölgede geçirgenliğin % 90
dolaylarında olduğu gözlenmiştir (Zeng ve ark, 2005).
Bu çalışmada, N-Al birlikte katkılı p-tipi ZnO filmler dc reaktif magnetron
söktürme yöntemiyle hazırlanmışlardır. Film depolama için, cam, kuvarz, safir
(0001) ve n-tipi Si (100) (ρ=10-3 Ωcm) tabakaları olmak üzere dört çeşit alt tabaka
kullanılmıştır. Ağırlıkça % 0.15 Al (% 99.99 saflıkta) ile karıştırılmış bir Zn (%99.99
saflıkta) metal diski hedef olarak kullanılmıştır. Filmler saf bir N2O (% 99.99)
7
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
ortamında 500 °C’ lik sabit bir sıcaklıkta büyütülmüşlerdir. Burada, N2O hem azot
katkılayıcı kaynağı olarak hem de oksijen kaynağı olarak kullanılmıştır. ZnO p-n
homoeklemleri sırayla Al katkılı ZnO filmlerinin üzerine N-Al birlikte katkılı ZnO
filmlerinin depolanmasıyla hazırlanmışlardır. Al katkılı ZnO filmleri, söktürme
hedefi olarak ağırlıkça % 1.5 Al ile karıştırılmış bir çinko metal diski kullanılarak
Ar-O2 ortamında büyütülmüşlerdir. ZnO p-n homoeklem üretimi için, ilk olarak 400
°C’ de 400 nm kalınlıklı bir ZnO:Al tabakası depo edilmiş ve daha sonra 500 °C’ de
300 nm kalınlıklı bir ZnO:(N,Al) tabakası depolanmıştır.
Farklı tabakalar üzerine depolanan p-tipi ZnO:(N,Al) filmlerinin Hall ölçüm
sonuçları elde edilmiştir. Birlikte katkılı filmlerin iletkenliğinin güvenilirliğini ve
tekrarlanabilirliğini
araştırmak
için,
elektriksel
ölçümler
bir
kaç
defa
gerçekleştirilmiş ve çoğunlukla aynı sonuçlar elde edilmiştir. Örneğin, cam, kuvarz
ve safir yalıtkan alt tabakaları üzerine depolanan p-tipi ZnO:(N,Al) filmleri için
direncin 100-101 Ω cm arasında değerler aldığı belirlenmiştir. n-Si alt tabakası
üzerine depo edilen ZnO:(N,Al) filmleri için Hall ölçüm sonuçlarından ρ=0.029 Ω
cm, N=2.72×1018 cm-3 ve μ= 159 cm2/Vs değerleri elde edilmiş ve burada kullanılan
düşük-dirençli alt tabakadan (ρ=10-3 Ωcm) dolayı Hall ölçüm sonuçları gerçekçi
bulunmamıştır. Bu nedenden dolayı bu sonuçlar güvenilir bulunmamıştır. En düşük
güvenilir oda-sıcaklığı direnci, 2.64 Ωcm ile safir bir alt tabaka üzerine depolanan
filmde elde edilmiştir. Aynı zamanda bu film için taşıyıcı yoğunluğu 1.45×10 18 cm-3
ve mobilite 1.62 cm2/Vs olarak elde edilmiştir. Zaman bağımlı araştırmalardan p-tipi
iletkenliğin kalıcı olduğu gösterilmiştir.
Cam, kuvarz, safir ve Si alt tabakaları üzerine depo edilen ZnO:(N,Al)
filmlerinin XRD analizlerinden, bütün filmlerin (002) yönelimli oldukları
gözlenmiştir. İkincil iyon kütle spektroskopi (SIMS) analizlerinden N ve Al’ nin
ZnO içinde düzgün dağılıma sahip oldukları belirlenmiştir. Bu yüzden ZnO:(N,Al)
filmlerinin iyi kristal özelliklere sahip oldukları ve pratikte oldukça faydalı bir
şekilde kullanılabileceği belirtilmiştir.
Ayrıca, p-tipi ZnO:(N,Al) filmlerinin optiksel geçirgenliğinin görünür
bölgede % 90 civarında olduğu gösterilmiştir. Optik özellikleri daha ileri düzeyde
araştırmak için PL çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İki çeşit yenidenbirleşme yayınımı
8
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
gözlenmiştir. 3.14 eV civarındaki UV yayınım bandı, bu örneklerdeki alıcı ve verici
türlerinden dolayı, bir alıcı-verici çifti (DAP) lüminesansı olarak belirlenmiştir. 2.64
eV civarındaki geniş mavi-yeşil yayınım bandı ise, sığ düzey yayınımı olarak
adlandırılmıştır. Birlikte katkılı bütün filmlerin oda sıcaklığında UV bölgesinde
belirgin bir yayınım gösterdikleri belirtilmiştir.
p-tipi ZnO:(N,Al) filmleri kullanılarak, ZnO p-n homoeklemi başarıyla
üretilmiştir. Burada, safir üzerine ZnO:Al tabakası hazırlanmış olup, onun üzerine de
ZnO:(N,Al) tabakası hazırlanmıştır. N-tipi ZnO:Al filminin elektron konsantrasyonu
1020 cm-3 ve mobilite değeri de yaklaşık 10 cm2/Vs olarak belirtilmiştir. Elektriksel
özellik ölçümleri için, her iki tabaka üzerine de In-Sn kontakları yapılmış ve takiben
saf Ar atmosferinde 400 °C’ de 30 s sürede tavlama işlemi gerçekleştirilmiştir. p-tipi
ve n-tipi ZnO ince filmlerin her ikisinin de üzerindeki In-Sb kontakları için elde
edilen lineer I-V eğrilerinden, filmlerle kontaklar arasında omik davranış sağlandığı
gösterilmiştir. p-ZnO:(N,Al)/n-ZnO:Al eklemlerinin tipik akım-gerilim (I-V)
karakteristikleri ile, onun tipik bir p-n ekleminin doğrultucu davranışını açık bir
şekilde sergilediği belirlenmiştir. p-n eklemi yalıtkan alt tabaka üzerinde
üretildiğinden, elektriksel ölçümler için alt tabakadan kaynaklı karışıklık olmadığı
belirlenmiştir. İleri öngerilim altında uyarılma gerilimin 2 V civarında ortaya çıktığı
ve ters kırılma geriliminin ise 4 V civarında olduğu gösterilmiştir (Lu ve ark, 2005).
Bu çalışmada, ZnO filmler dc reaktif magnetron söktürme yöntemiyle K9
cam alt tabakaları üzerine depolanmışlardır. Depolama süresince cam alt tabanlar
370 °C sıcaklıkta tutulmuşlardır. Zn hedefi, % 99.99 saflıktaki Zn metalinden
meyana getirilmiştir. Söktürme süresince depolama parametreleri şu şekilde
belirtilmiştir: söktürme gücü: 250 W; O2’ nin Ar’ ye oranı: O2/Ar =1:1; çalışma
basıncı: 1 Pa. Rusyada yapılan vakum iyon demeti cihazı (Academichesk ii, Tomask)
ile N+ iyonlarının implantasyon detayları şu şekilde verilmiştir: Glow deşarj gerilimi:
600 V; ivmelendirme gerilimi: 30 kV; implantasyon yapılmış ion enerjisi; 30 keV;
akım; 3 mA; süre; 3 dakikadan 10 dakikaya kadar sıralanan değerler arasında. N+
iyonlarıyla implantasyon yapıldıktan sonra, ZnO:N filmleri 30 s süreliğine 400, 500,
600 ve 650 °C’ de N2 ortamında ani ısısal tavlamaya (RTA) tabi tutulmuşlardır. 400
9
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
nm kalınlıklı ZnO filmlerinin en düşük dirence sahip oldukları belirlenmiştir. Bundan
dolayı, deneylerde 400 nm kalınlıklı ZnO filmleri kullanılmıştır.
N+ iyonlarının implantasyonu öncesinde ve sonrasında ZnO filmlerinin XRD
spektrumu elde edilmiştir. XRD spektrumundan, N+ iyonlarıyla implantasyon
yapılmış ve implantasyon yapılmamış ZnO filmlerin tümünün (002) yönelimli
oldukları belirlenmiştir. Atomik kuvvet mikroskobu (Atomik forse microscopeAFM) ile belirlenen tanecik büyüklüğünün, XRD ile belirlenen den daha büyük
olduğu belirlenmiştir. AFM ile belirlenen kristal büyüklüğü yaklaşık 100-130 nm
olarak belirlenmiştir. N+ iyonları ile implantasyon yapılmadan önce XRD ile
belirlenen kristal büyüklüğü ise 30-60 nm olarak belirlenmiştir. Yüzey morfolojisinin
N+ iyonlarının implantasyonundan etkilendiği belirtilmiş ve N+ iyonlarının
implantasyonundan
sonra
daha
büyük
boyutlarda
kristalliklerin
oluştuğu
+
belirtilmiştir. N iyonlarının implantasyonunun ve RTA işleminin ZnO filmlerinin
yüzeyini pürüzlü hale getirdiği gözlenmiştir.
500~600 °C’ de N2 ortamında ani ısısal tavlamadan sonra ZnO örneklerinin
direncinin 104 Ω cm’ den 10 -1 Ω cm’ ye düştüğü gözlenmiştir. İletkenliğin zayıf ntipinden n-tipine döndüğü belirlenmiştir. O2’ nin Ar’ ye oranı değiştirilerek, 10-2 Ω
cm
dirence
ulaşılmıştır.
Yüzey
elektriksel
özelliklerinin
N+
iyonlarının
implantasyonundan oldukça etkilendiği belirtilmiştir. İletkenlik tipinin değişimi
soğuk-sıcak prob noktası ile gözlenmiştir. N+ iyonlarının implantasyonundan sonra,
iletkenlik tipinin n-tipinden zayıf p-tipine değiştiği belirlenmiştir.
ZnO filmlerinin görünür bölgede optik geçirgenliğinin ortalama % 85 ve
optiksel yansımasının ise % 15 civarında olduğu gözlenmiştir. ZnO filmleri için, N+
implantasyon sonrası ve RTA işlemi ile birlikte morötesi soğurma kenarının daha
kısa dalgaboylarına kaydığı belirlenmiştir. Saf polikristal ZnO filminin Eg,dir değeri
yaklaşık olarak 3.34 eV olarak bulunmuş olup, N+ implantasyon yapılmış ve RTA
işlemine tabi tutulmuş ZnO filmlerinin Eg,dir değerinin bundan farklı olduğu
belirtilmiştir (Wang ve ark, 2005).
Bu çalışmada, ZnO filmlerini depolamak için bir ikili-iyon-demeti sistemi
(ion beam assisted deposition-IBAD) kullanılmıştır. O+ iyon demeti ile reaktif
söktürme için % 1 In-katkılı bir Zn hedefi kullanılmıştır. Bu deneyde SiO2/Si ve
10
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
kuvarz kristal alt tabakaları olmak üzere iki çeşit alt tabaka kullanılmıştır. Depolama
odasının basıncı 9.0×10-4 Pa olarak belirlenmiş ve saf NH3 ile doldurulduktan sonra
basınç değerinin 6.5×10 -3 Pa değerine yükseldiği belirtilmiştir. Depolama süresince
büyüyen filmleri bombardıman etmek için 70 mA’ lik iyon akımıyla birlikte 1.8 keV’
lik O+ iyon demeti kullanılmıştır. Alt tabaka sıcaklığı 200 °C olarak belirlenmiştir.
120 dakikalık bir depolama süresinden sonra, SEM ile belirlenen ZnO film
kalınlığının 400 nm civarında olduğu belirlenmiştir. Bu örneklerin depolama sonrası
tavlama işlemleri, 120 dakikada O2 ortamında 400 °C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir.
IBAD yöntemiyle SiO2/Si tabanları üzerine büyütülen ve tavlanan ZnO
filmlerinin XRD analizlerinden, büyütülen ZnO filmlerinin (102) yönelimli oldukları
gözlenmiştir. 400 °C tavlama işleminden sonra, ZnO (002) ve ZnO (110) piklerinin
ortaya çıktığı gözlenmiştir. Fakat onların şiddetinin ZnO (102) pikinin şiddetinden
daha büyük olmadığı gözlenmiştir.
SEM yöntemiyle filmlerin yüzey morfolojisi ve ara kesiti incelenmiş,
buradan, ZnO taneciklerinin ortalama büyüklüklerinin 100 nm’ den 150 nm’ ye
kadar olduğu ve düzgün dağılıma sahip oldukları belirlenmiştir. Arakesitsel SEM
analizinden de film kalınlıklarının 400 nm civarında oldukları belirtilmiştir.
IBAD yöntemiyle kuvarz kristal üzerine depolanan ZnO filmlerinin optik
geçirgenlik grafikleri elde edilmiştir. Büyütülen filmlerin optik geçirgenliklerinin %
70’ in altında olduğu ve 400 °C tavlama işleminden sonra ise geçirgenlik
değerlerinin görünür bölgede % 80’ in üzerinde olduğu belirlenmiştir. Soğurma
kenarının ise 380 nm civarında olduğu gözlenmiştir. Bu soğurma kenarının yakın UV
bölgesinde ve çok keskin olduğu, bundan dolayı da ZnO filmlerinin çok güçlü UV
soğurma özelliklerine sahip oldukları belirtilmiştir. Filmlerin optik bant aralığı
enerjilerinin, büyütülen filmler için 3.35 eV ve 400 °C’ de ki tavlamadan sonra ise
3.75 eV oldukları tahmin edilmiştir.
Hall ölçüm sonuçlarından, N-In birlikte katkılı filmlerde asıl taşıyıcı tipinin
deşikler olduğu ve oda sıcaklığında deşik konsantrasyonunun 4.72×1015-2.17×1017
cm-3 arasında olduğu belirlenmiştir. Hall mobilitesi 0.62-3.51 cm2/Vs civarında
ölçülmüştür.
11
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
I–V eğrilerinden, IBAD yöntemiyle SiO2/Si üzerine depolanan p-tipi ZnO
filmlerinin fotoelektrik etkiler sergiledikleri ortaya çıkarılmıştır. UV etkisine maruz
kalınmadığında, akımlar, -0.8 V’ de 0.165 mA ve 0.8 V’ de de 0.092 mA olarak
ölçülmüştür. 30 s süresince 10 μW/cm2’ lik 254 nm UV etkisine maruz kalındığında
ise filmin akımının çok daha büyük değerlere (-0.8 V’ de -62.45 mA ve 0.8 V’ de
62.47 mA) ulaştığı ve akımın uygulanan gerilimle lineer bir şekilde arttığı
gözlenmiştir. 254 nm UV etkisine maruz bırakılan p-tipi ZnO filmlerinin
iletkenliğinin, UV etkisine maruz bırakılmayanlardan yaklaşık 600 kat büyük olduğu
tespit edilmiştir. Bundan dolayı, p-tipi ZnO filmlerinin UV etkisine maruz
bırakılmaya çok duyarlı oldukları ve UV dedektör veya sensörlerde uygulama alanı
bulabilecekleri belirtilmiştir. Buradan da, UV etkisine maruz bırakma sonucunda,
fotoüretilmiş taşıyıcı sayısınıın arttığı ve tanecik sınırlarının bariyer yüksekliğinin
düştüğü tespiti yapılmıştır (Yan ve ark, 2005).
Bu çalışmada, katkılanmamış, As ve P katkılı ZnO ince filmler 600 °C’ de ki
Al2O3 (0001) alt tabakaları üzerine palslı lazer depolama (PLD) yöntemi kullanılarak
30 dakikada büyütülmüşlerdir. Film büyütme süresince, O2 ortam basıncı 50 mTorr’
da tutulmuştur. Büyütme odası, O2 ortamıyla doldurulmadan önce temel basınç
değeri olan 5×10-6 Toor’ a getirilmiştir. 7 Hz yineleme aralığı ile çalışan atmalı bir
KrF excimer lazeri (248 nm, 30 ns lazer atım süresi) ablasyon kaynağı olarak
kullanılmış ve lazer demet enerjisi 130 mJ/atım olarak ayarlanmıştır. Sonuçta elde
edilen film kalınlıklarının 200 nm’ den 300 nm’ ye kadar olan aralıklarda oldukları
belirlenmiştir. Katkılanmamış ZnO filmleri içerisine N katkılayıcısı, oda sıcakığında
iyon implantasyon yöntemi ile yapılmıştır. N konsantrasyonu, 1×1012, 1×1013, 1×1014
iyon/cm2 olarak belirlenmiştir. İmplantasyon işlemi boyunca, enerji ve iyon akım
yoğunluğu sırasıyla, 100 keV ve 400 nA/cm2 olarak ayarlanmıştır.
PLD yöntemiyle bir Zn3As2/ZnO hedefi kullanılarak As katkılı p-tipi ZnO
filmler elde edilmiştir. Oda sıcaklığı hall ölçümlerinden, As katkılı ZnO filmlerinin,
2 dakika sürede N2 ortamında 200 °C’ de ani ısısal tavlama işleminden sonra,
2.48×1017 ve 1.18×1018 cm-3 arasında değişen hall konsantrasyonuyla birlikte p-tipi
iletkenlik sergiledikleri gözlenmiştir.
12
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
PLD
yöntemiyle
Necdet Hakan ERDOĞAN
bir
Zn3P2/ZnO
hedefi
kullanılarak
P
katkısı
gerçekleştirilmiştir. % 3 mol P-katkılı ZnO filmlerinin, O2 ortamı altında 600 ve 800
°C arasındaki sıcaklıklarda ani ısısal tavlanmasıyla, 5.1×1014-5.1×1014 cm-3 hall
konsantrasyonuyla birlikte p-tipi davranış sergiledikleri belirtilmiştir.
N katkılama durumunda, 1×1012 iyon/cm2’ lik bir N dozu ile implantasyon
yapılan filmlerin 700 °C’ ye varan sıcaklıkta ani ısısal tavlanmasıyla, 6.01×10 17 cm-3
hall konsantrasyonu ve 5.2×10-1 Ω cm’ lik düşük bir direnç ile birlikte p-tipi
iletkenlik sergilediği gözlenmiştir.
Düşük sıcaklık fotoüminesans sonuçlarından, p-tipi davranış gösteren
filmlerde sadece nötral-alıcı bağ eksiton (Ao, X) yayınımı ile ilişkili pik gözlendiği
belirtilmiştir (Vaithianathan ve ark, 2006).
Bu çalışmada, ZnO filmler dc reaktif magnetron söktürme yöntemiyle cam alt
tabanlar üzerine hazırlanmışlardır. Cam alt tabanlar 30 dakika süreyle aseton ile
ultrasonik bir banyoda temizlenmişlerdir. Söktürme hedefi olarak % 1 oranında Li
(% 99.99 saflıkta) ile alaşım yapılmış bir Zn metal (% 99.99 saflıkta) diski
kullanılmıştır. Depolama odasının basıncı 10-3 Pa olarak belirlenmiştir. Toplam 5 Pa’
lık basınçla birlikte söktürme gazı olarak 3:2 oranıyla Ar (% 99.99 saflıkta) ve O2 (%
99.99 saflıkta) kullanılmıştır. Altaban sıcaklığı 500 °C’ de tutulmuştur. Söktürme
süresi, akımı ve gerilimi sırasıyla, 40 dakika, 200 mA ve 175 V olarak belirtilmiştir.
Büyütmeden sonra, filmler 400’ den 600 °C’ ye kadar çeşitli alt taban sıcaklıklarında
2 dakika süreyle Ar ortamında ani olarak tavlanmışlardır.
Büyütülen Li katkılı ZnO filmler ve cam alt tabanları üzerindeki çeşitli alt
taban sıcaklıklarında tavlanan ZnO:Li filmlerinin elektriksel özellikleri hall etkisi
analizi ile incelenmişitr. % 1 oranında Li katkılı büyütülmüş ZnO filmlerinin yüksek
dirence sahip olduğu ve taşıyıcı tipine ait sinyalin belirsiz olduğu belirtilmiştir.
Tavlama sıcaklığı düşük olduğunda da, filmlerin yüksek dirençli oldukları ve yine
taşıyıcı tipinin belirsiz olduğu gözlenmiştir. Tavlama sıcaklığı yükseldikçe, p-tipi
iletkenliğin sağlandığı ve geliştirildiği kanıtlanmıştır. En iyi sonuçların, 57 Ω cm
direnç, 1.07×10
17
cm-3 taşıyıcı konsantrasyonu ve 1.03 cm2/Vs hall mobilitesiyle
birlikte 500 °C tavlama sıcaklığında başarıldığı belirtilmiştir. 3 ay sonra yeniden
yapılan elektriksel özellik testlerinden sonra, herhangi bir bozulma olmaksızın
13
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
filmlerin p-tipi iletkenliği muhafaza ettiği gözlenmiştir. Tavlama sıcaklığı daha fazla
arrtırıldığında ise ZnO: Li filmlerinin p-tipinden n-tipine dönüştüğü belirtilmiştir.
Tavlama sıcaklığına bağlı olarak (002) pikinin pozisyonu araştırılmıştır. % 1
oranında Li katkılı büyütülmüş ZnO filmi için, 2θ değeri 34.24 o olarak belirlenmiş
olup bu değerin tavlanmış ince filmlere ve saf ZnO’ ya ait değerlerden daha düşük
olduğu belirtilmiştir. ZnO’ ya ait 2θ değerinin tavlama sıcaklığındaki artışla birlikte
arttığı gözlenmiş ve bununda örgü parametrelerinin düştüğü anlamına geldiği
belirtilmiştir. 500 °C’ de tavlanan ZnO:Li ince filmleri için (002) pikine ait kırınım
açısı 34.43 o olarak belirlenmiştir. Bütün filmlerin sadece (002) Bragg pikleri
sergilediği ve bununda yüksek c-ekseni yönelimini ve yeterli ktistal özelliği işaret
ettiği belirtilmiştir. Tavlama sıcaklığına bağlı olarak (002) piklerinin yarı maksimum
genişliğinin (FWHM), tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte düştüğü belirlenmiştir.
Bütün gerçekleri gözönüne alarak 500 °C’ de tavlanan ZnO:Li ince filmlerinin
büyütülen Li katkılı ZnO ince filmlerden daha iyi kristal özelliklere sahip olduğu
vurgulanmıştır.
PL analizlerinden, valans bandının üzerinde 140 ve 260 meV’ de lokalize
olmuş iki alıcı düzeyi belirlenmiştir. Bunlardan 140 meV düzeyi LiZn alıcısına
bağlanmıştır. 500 °C’ de tavlanmış yaklaşık 400 nm kalınlıktaki ZnO:Li ince
filmlerinin SIMS analizlerinden, Li’ nin iyi bir şekilde dedekte edildiği anlaşılmış ve
PL sonuçlarını desteklediği belirtilmiştir (Chen ve ark, 2006).
Bu çalışmada, ZnO ince filmler hedef olarak saf çinko diski (4N) kullanılarak
reaktif dc magnetron söktürme yöntemiyle cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır.
Bu çalışmada alt tabaka sıcaklığı 200 °C’ ye ayarlanmış olup, bir termokapılın alt
tabakaya iliştirilmesiyle bu sıcaklık değeri kontrol altına alınmıştır. Depolama
odasının temel basınç değeri 8×10-3 Pa olarak ve çalışma basıncıda 9×10-1 Pa olarak
belirlenmiştir. Odaya yüksek saflıkta argon (% 99.99), azot ve oksijen konularak üç
dijital kütle akı kontrol mekanizmasıyla bunların akış oranı kontrol edilmiştir.
Söktürme boyunca toplam gaz akısı ve argon gaz akısı sırasıyla, 60 sscm ve 30 sscm
olarak kararlaştırılmıştır. N2’ nin O2’ ye oranı 0:30’ dan 30:0’ a kadar değiştirilmiştir.
Filmler 15 dakikada 150 W’ da depolanmışlardır. Depolamadan sonra, filmler 450
o
C’ de hava ortamında 3 saatlik bir sürede tavlanmışlardır.
14
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
Söktürme gaz karışımında azotun oksijene (N2/O2) farklı oranlarıyla birlikte
cam üzerine depolanan filmlerin X-ışını kırınım spektrumu elde edilmiştir. Oksijenin
yokluğunda depolanan filmlerin XRD analizinden, 34°ve 43°’ de iki pik
gözlenmiştir.
Bu
pikler,
sırasıyla,
Zn3N2
(321)
ve
(332)
kırınımıyla
ilişkilendirilmiştir. Gaz karışımındaki oksijen içeriği arttıkça, Zn3N2’ ye ait iki pikin
kaybolduğu ve ZnO’ ya ait kırınım piklerinin ortaya çıktığı belirlenmiştir. Söktürme
gaz karışımında azot yok iken depolanan ZnO filmlerinin c-ekseni yönelimli
oldukları belirlenmiştir. 450
o
C’ de 3 saat sürede tavlanan filmlerin XRD
spektrumunda Zn3N2 ile ilişkili hiçbir pik gözlenmemiştir. XRD analizlerinden ZnO
filmlerinin zayıf c-ekseni yönelimli oldukları gözlenmiştir.
450 °C’ de 3 saat sürede tavlanan filmlerin geçirgenlik spektrumu elde
edilmiştir. Bu filmlerin optik geçirgenliğinin N2/O2 oranından etkilendiği
belirlenmiştir.
En
düşük
N2/O2
oranında
depolanan
filmlerin
geçirgenlik
spektrumunun, ZnO’ nun tipik spektrumuyla uyum içinde olduğu belirtilmiş ve
görünür dalgaboyu bölgesinde filmlerin oldukça yüksek geçirgenliğe sahip oldukları
gözlenmiştir. Artan N2/O2 oranıyla (özellikle de 20:10’ dan 30:0’ a) birlikte
geçirgenliğin azaldığı belirlenmiştir. Bunlara ek olarak bütün filmler için 380 nm
civarında keskin bir soğurma kenarı gözlenmiştir.
Hall etkisi ölçüm sonuçlarından, tavlanmış filmlerin mobilitesinin büyütülen
filmlerin mobilitesinden daha büyük olduğu belirlenmiştir. N2/O2 oranı 20:10 olarak
depolanan filmlerin en yüksek deşik konsantrasyonuna ve en düşük dirence sahip
oldukları saptanmıştır. N2/O2 oranı 25:5 olarak hazırlanan filmlerin n-tipi iletkenlik
sergilediği belirlenmiştir. N2/O2 oranı 20:10 seçilerek 3 saat süre ile 450 °C’ de
tavlanan film için, 8.34 Ω cm elektriksel direnç ve 7.47×1018 cm-3 deşik
konsantrasyonuyla birlikte p-tipi iletkenlik sağlanmıştır (Wang ve ark, 2006).
Bu çalışmada, N-In birlikte katkılı ZnO ince filmler iyon demeti geliştirilmiş
depolama metodu ile Si, SiO2 ve cam alttabanlar üzerine depolanmışlar ve onların
yapısal, elektriksel ve optiksel özellikleri incelenmiştir. % 99.9 saflıktaki ZnO tozu
atomik olarak % 2 In2O3 (% 99.9 saflıkta ) ile karıştırılarak söktürme hedefi olarak
preslenmiştir. Depolamadan önce, alttabaka, yüzey temizliği için 15 dakika Ar ile
bombardıman edilmiştir. In katkılı ZnO toz hedefi 1.7 keV enerjili Ar+ iyonları ile
15
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
söktürülmüştür. N+/Ar+ (10/1) karıştırılmış iyon demeti, iyon kaynağından 40 keV
enerji ile çıkarılmış olup, 4 mA’ lik bir demet akımı depolanmış ZnO filmlerinin
içerisine düşey olarak ekilmiştir. Söktürme demetinin doğrultusu ile hedef arasındaki
açı 45 o olarak belirlenmiştir. Alttabaka 3 rpm hızla dönen bir dairesel tutacak üzerine
yerleştirilmiştir ve aynı zamanda alttabaka da 24 rpm hızla dönmektedir. Bütün
filmler 4 saat de depolanmışlardır. Depolamadan sonra, depolanmış filmler farklı
koşullar altında tavlanmışlardır.
XRD analizlerinden, Si alt tabanı üzerine depolanan N-In birlikte katkılı
polikristal ZnO filmlerinin ve 5 dakika süreyle farklı sıcaklıklarda N2 ortamında
tavlanan aynı filmlerin (002) yönelimli oldukları belirlenmiştir. Si alttabakası üzerine
depolanarak 600 °C’ de tavlanan ZnO filmlerinin sem analizi yapılmıştır. Üst bakış
görüntüsünden yüzeyin düzgün olduğu ve bununla birlikte, arakesitsel görüntüden de
ZnO filminin sıkıca paketlendiği ve Si alttabanına iyi yapıştığı anlaşılmıştır. Film
kalınlığının 0.3 μm olduğu tahmin edilmiştir. Büyütülen filmlerdeki XPS
spektrumundan sağlanan O:Zn:N:In oranı yaklaşık 53:45:0.9:1.1 olarak elde
edilmiştir. Tavlanmış ZnO filminin O:Zn:N:In oranı N 1s ile ilişkili pikin çok zayıf
olmasına bağlı olarak elde edilememiştir. XPS spektrumundan, IBED yöntemiyle
hazırlanan filmlerin O zengini olduğu açığa çıkarılmıştır.
N-In birlikte katkılı ZnO (yaklaşık 300 nm kalınlıkta) filmler cam alt tabanlar
üzerine elde edilmişlerdir. N-In katkılı filmler 400~600 °C’ de N2 ortamında 10
dakika süreyle tavlanmışlardır. Büyütülen filmlerin geçirgenliğinin göreceli olarak
daha düşük olduğu gözlenmiştir. Fakat hala görünür bölgede % 70’ in üzerinde
geçirgenliğe sahip oldukları belirtilmiştir. Tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte
optik geçirgenliğin arttığı ve 600 °C’ de tavlanan filmler için görünür bölgede
ortalama geçirgenliğin % 90’ ın üzerinde olduğu gözlenmiştir. Bunun yanında, 400
°C’ den daha yüksek sıcaklıklardaki tavlamadan sonra, soğurma kenarının sağa
doğru kaydığı gözlenmiştir. Bu değerin tavlanmamış filmler için 345 nm’ den, 600
°C’ de tavlanmış filmler için 355 nm’ ye kadar değiştiği belirlenmiştir.. IBED
yöntemiyle elde edilen ZnO filmlerinin optik bant aralığının 3.6’ dan 3.5 eV’ a kadar
olan aralıklarda değerler aldığı tahmin edilmiştir.
16
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
Büyütülen ZnO filmlerinin 2.4 Ω cm dirençle birlikte p-tipi iletkenlik
sergilediği belirtilmiştir. 600 °C’ den daha düşük bir sıcaklıkta N2 ortamında
tavlanan filmlerin p tipi olduğu belirlenmekle beraber, 500 °C’ lik bir tavlama
sıcaklığında, 0.8 Ω cm ile en düşük dirence sahip p-tipi iletkenlik elde edilmiştir.
Tavlama sıcaklığı 600 °C’ den daha yüksek olduğunda, ZnO filmlerinin n-tipine
döndükleri gözlenmiştir. Ayrıca, tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte direncin
azaldığı belirlenmiştir (Yuan ve ark, 2006).
Bu çalışmada, fosfor katkılı ZnO ince filmler düşük basınç MOCVD yöntemi
kullanılarak cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır. Dietilçinko (DEZn), 20
μmol/min akış oranıyla birlikte çinko prekürsöru olarak kullanılmıştır. N2 (%99.999
saflıkta) gazı 60 sccm akış oranıyla birlikte taşıyıcı gaz olarak kullanılmıştır. O2 gazı
(% 99.999 saflıkta) ve P2O5 tozu (% 99.999 saflıkta) sırasıyla oksitleyici ve
katkılayıcı kaynağı olarak kullanılmışlardır. O2 gaz akış oranı 40 sccm olarak
ayarlanmıştır. P2O5, 500 °C civarında sürdürülen sıcaklık ile buharlaştırılmıştır.
Odacık basıncı 1 Torr olarak belirlenmiştir. Büyüme sıcaklığı 360–460 °C arasında
belirlenmiştir. Büyütmeden sonra, filmlerin tavlanması hava atmosferi altında 20
dakika süre ile 550 °C’ de gerçekleştirilmiştir.
Farklı sıcaklıklarda büyütülen ZnO filmlerinin elektriksel özellikleri
ölçülmüştür. 360–420 °C arasındaki alt tabaka sıcaklıklarında depolanan filmlerin ptipi iletkenliğe sahip oldukları gözlenmiştir. Düşük sıcaklıklarda direncin yüksek
(>100 Ω cm) olduğu ve artan alt tabaka sıcaklığıyla birlikte sürekli bir şekilde
azaldığı belirlenmiştir. 420 °C’ de büyütülen p-tipi ZnO ince filmlerinin 11.3 Ω cm
ile en düşük dirence ve 8.84×1018 cm-3 ile de en yüksek hall konsantrasyonuna sahip
oldukları belirlenmiştir. Alt tabaka sıcaklığı 440 °C’ ye ulaştığında ise taşıyıcı tipi ptipinden n-tipine dönüşmüştür. Tavlamadan sonra bütün filmlerin p-tipi iletkenlik
sergiledikleri ve büyütülen örneklerle de kıyaslandığında elektriksel özeliklerinin
geliştirildiği belirlenmiştir.
360–460 °C arasındaki alt tabaka sıcaklıklarında büyütülen ZnO filmlerinin
X-ışını kırınım örneklerinden, elde edilen filmlerin alt tabakaya dik c-ekseni ile
birlikte (002) yönelimli oldukları belirlenmiştir. (002) pik şiddetinin ilk önce arttığı
17
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
ve 420 °C’ de maksimum değere ulaştığı gözlenmiştir. Buradan, 420 °C’ de
büyütülen ZnO ince filmlerinin en iyi kristal özelliklere sahip olduğu saptanmıştır.
Büyütülen p-tipi ve n-tipi ZnO filmlerinin görünür bölgede geçirgenliklerinin
yaklaşık % 90 civarında oldukları belirlenmiştir. Büyütülen n-tipi filmlerle
kıyaslandığında, p-tipi ZnO filmleri için açık bir şekilde soğurma kenarının kırmızıya
kaydığı belirlenmiştir. 420 °C de büyütülen filmler için optik bant aralığının
maksimum olduğu ve değerinin 3.28 eV olduğu saptanmıştır.
Fosfor katkılı p-tipi ZnO filmlerinin 80–300 K sıcaklıkları arasında, 325 nm
dalgaboyunda He–Cd lazer kullanılarak elde edilen PL spektrumundan, 80 K’ de
3.35 eVcivarında bir alıcı bağ eksiton (AoX) piki gözlenmiştir. Bu sonuçla birlikte,
hall ölçümlerine ek olarak bu PL sonuçlarının da fosfor katkılı ZnO filmlerinin p-tipi
iletkenliğe sahip olduğunu desteklediği belirtilmiştir..
İkincil iyon kütle spektroskopi (SIMS) testlerinden ZnO içinde fosfor (P)
içerildiği kanıtlanmıştır (Miao ve ark, 2006).
Bu çalışmada, ZnO filmler atmalı lazer depolama yöntemiyle cam alt tabanlar
üzerine depolanmışlardır. Bu çalışmada KrF atmalı lazeri (nm, 339 mJ, 3Hz)
kullanılmıştır. Vakum odası 10-4 Pa olacak şekilde ayarlanmıştır. 50 Pa’ lık sabit bir
basınçla birlikte depolama gazı olarak yüksek saflıkta O2 (%99.999) kullanılmıştır.
% 0.1 oranında Li ile karıştırılmış bir ZnO seramik diski (% 99.99) hedef olarak
kullanılmıştır. Li2CO3 (% 99.99), Li prekürsörü olarak kullanılmıştır. Büyütme
sıcaklığı saf O2 atmosferinde 400’ den 600 °C’ ye kadar değişmektedir. Filmlerin
tamamı 30 dakikada depolanmışlar ve kesitsel SEM (cross sectional scanning
electron microscopy –SEM) ölçümlerinden, filmlerin yaklaşık 300 nm kalınlıkta
oldukları belirlenmiştir.
Li katkılı ZnO filmlerinin elektriksel özellikleri hall etkisi ölçümleri ile
çalışılmıştır. 600 °C sıcaklık haricindeki bütün büyütme sıcaklıklarında p-tipi
iletkenlik başarılmıştır. 450 °C sıcaklıkta hazırlanan filmlerin, 34 Ω cm ile en düşük
dirence, 0.134 cm2/Vs hall mobilitesine ve 1.37×10 18 cm-3 hall konsantrasyonuna
sahip oldukları gözlenmiştir.
XRD ölçümleri, 50 Pa’ lık sabit bir basınç ile farklı alt taban sıcaklıklarında
büyütülen Li katkılı ZnO filmlerinin tamamıyla (002) yönelimli olduklarını
18
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
göstermiştir. 450 °C’ de depolanan Li katkılı ZnO filmleri için oda sıcaklığında
alınan PL spektrumundan sadece bir belirli yayınım bandı gözlenmiştir. Bu da
serbest eksiton yeniden birleşmesine bağlı UV bölgesi yakın bant kenarı yayınımıdır.
Farklı iki alt taban sıcaklığında depolanan Li katkılı ZnO filmlerinin yüzey
SEM görüntülerinden, 450 °C’ de depolanan ZnO filmlerinin düzgün olmayan yüzey
morfolojisine sahip olduğu, 550 °C’ de büyütülen ZnO filmlerinin ise daha düzgün
bir yüzeye ve tek şekilli taneciklere sahip oldukları belirlenmiştir.
Cam alttabanlar üzerine depolanan Li katkılı ZnO ince filmlerinin optik
karakteristikleri UV-vis soğurma spektroskopisi kullanılarak araştırılmıştır. Li katkılı
bütün filmlerin görünür bölgede yüksek geçirgenliğe (% 90) sahip oldukları
gösterilmiştir (Xiao ve ark, 2006).
Bu çalışmada, katkılanmamış, N-katkılı ve Al–N birlikte katkılı Zn0.9Mg0.1O
filmler
dc
magnetron
söktürme
yöntemi
ile
cam
alt
tabanlar
üzerine
depolanmışlardır. Katkılanmamış ve N- katkılı ZnMgO filmleri için hedef olarak bir
Mg0.1Zn0.9O alaşımı kullanılmışken, Al–N birlikte katkılı ZnMgO filmleri için hedef
olarak bir üçlü Mg0.1Al0.01Zn0.89 alaşımı (% 99.99 saflıkta) kullanılmıştır. Vakum
odası 10 -3 Pa basınca ayarlanmıştır. Söktürme gazları olarak, Ar (% 99.99 saflıkta),
O2 (% 99.99 saflıkta) ve NH3 (99.99 saflıkta) 1:1:1 oranlarıyla birlikte vakum
odasına alınmışlar ve toplam basınç 5 Pa olarak belirtilmiştir. Alt tabakalar 20
dakikalığına etanol ile ultrasonik bir banyoda temizlenmişlerdir. Bütün filmler 36 W’
lık (180 V×0.2 A) bir söktürme gücü ile 30 dakikada depolanmışlar ve alt taban
sıcaklığı 450 oC’ de tutulmuştur.
XRD analizlerinden büyütülen filmlerin (002) yönelimi ile birlikte iyi bir
kristal yapı sergiledikleri gösterilmiştir. Al–N birlikte katkılı Zn0.9Mg0.1O filmlerinin
yüzey morfolojisi alan yayınımlı tarayıcı elektron mikroskobu kullanılarak elde
edilmiştir. SEM görüntülerinin yoğun tanecikler ve düzgün boyutla birlikte oldukça
düzgün yüzeyler sergilediği gösterilmiştir. Ayrıca, görünür boşluklar ve kusurlar
gözlenmemiştir. Bütün bunların büyütülen filmlerin iyi kristal özelliklere sahip
olduğunu desteklediği belirtilmiştir.
Katkılanmamış Zn0.9Mg0.1O filmlerinin hall ölçümleri yüksek dirençten
dolayı sağlanamamıştır. Al–N birlikte katkılı Zn0.9Mg0.1O filmlerinin N-katkılı
19
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
filmlere kıyasla kesinlikle daha iyi p-tipi iletkenliğe sahip oldukları gösterilmiştir.
Birlikte katkılı filmler için, 26 Ω cm’ lik düşük bir direnç, 0.14 cm2/Vs hall
mobilitesi ve 3.4×1018 cm-3 taşıyıcı konsantrasyonu değerleri elde edilmiştir. Birlikte
katkılı filmlerin hall mobilitesinin N-katkılı filmlerinkinden daha düşük olduğu
belirlenmiştir. Bunun da Mg içeriği ile ilgili olduğu sonucuna varılmıştır.
Geçirgenlik spektrumundan, saf ZnO ve Al-N birlikte katkılı Zn0.9Mg0.1O
filmleri arasında fark edilebilir bir mavi kaymanın açığa çıktığı gözlenmiş olup, bu
da Mg’ nin etkili bir şekilde içerildiğinin kanıtı olarak gösterilmiştir. Alaşımların
bant aralığının değişen mağnezyum oranlarına bağlı olarak kontrol edilebildiği
gösterilmiştir (Ye ve ark, 2006).
Bu çalışmada, Al–N birlikte katılı p-tipi ZnO ince filmler yeniden üretilebilir
bir şekilde bir yüksek sıcaklık (high temperature-HT) benzer koruyucu tabaka
kullanılarak dc magnetron reaktif söktürme yöntemi ile hazırlanmışlardır. Yüksek
sıcaklık koruyucu tabaka depolama süresinin, film özellikleri üzerindeki etkisi X
ışını kırınım (XRD), tarayıcı elektron mikro spektrumu (scanning electron microspectra-SEM) ve hall ölçümleri ile araştırılmıştır. Yapısal özelliklerin analizlerinden,
artan HT koruyucu tabaka depolama süresiyle birlikte ZnO ince filmlerinin kristal
özelliğinin geliştirildiği belirtilmiştir. Hall etkisi sonuçları, Al–N birlikte katkılı ZnO
ince filmlerin tümünün p-tipi iletkenliğe ve 50 Ω cm’ nin altında dirence sahip
olduklarını göstermiştir. Yapısal, elektriksel ve optiksel özelliklere göre, yüksek
sıcaklık koruyucu tabakanın optimum depolama süresinin 3 dakika civarında olduğu
ya da başka bir deyişle 30 nm kalınlıkta olduğu belirtilmiştir. Bundan başka,
büyütülen filmlerde safsızlık saçılması ve tanecik sınır saçılması ana saçılma
mekanizmaları olarak belirtilmiştir (Zhu ve ark, (2006).
Bu çalışmada, yaklaşık 630 nm kalınlıklı ZnO ince filmler radyo frekans
magnetron söktürme yöntemiyle cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır. Filmlerin
implantasyon işlemi, oda sıcaklığında, 2×10 16/cm2 dozda 140 keV enerjili N iyonları
ile yapılmıştır. transport of ions in matter (TRIM) simulasyonu N iyonlarının 318 nm
derinliğe kadar nüfus ettiğini göstermiştir. İmplantasyon işleminden sonra, filmler
vakumda 1 saat süreyle 200’ den 600 °C’ ye kadar olan sıcaklıklarda tavlanmışlardır.
Filmlerin elektriksel ve optiksel özelliklerini araştırmak için Hall etkisi ve
20
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
fotolüminesans ölçümleri yapılmıştır. PL ölçümlerinden, azot implantasyonu
yapılmış ve tavlanmış filmlerde bir kırmızı kayma ile birlikte 2.8 eV ve 3.0 eV’ de
mavi lüminesans gözlenmiştir. Tavlama sıcaklığının arttırılmasıyla birlikte mavi
lüminesans şiddetinin arttığı bulunmuştur. Hall etkisi ölçümleri, N implantasyonu
yapılarak 600 °C’ de tavlanan filmlerin hala n-tipi olduğunu açığa çıkarmıştır. Örgü
uyuşmazlığı ve yüksek katkı düzeyi, yüksek dozda iyon implantasyonu yapılmış ptipi ZnO ince filmlerinin üretiminde zorluğun ana nedeni olarak gösterilmiştir
(Zhang ve ark, 2007).
Bu çalışmada, azot katkılı ZnO ince filmler a-düzlemli (11–20) safir tabakalar
üzerine plazma yardımlı düşük basınç metal organik kimyasal buhar depolama
(MOCVD) yöntemiyle depolanmışlardır. Dietil çinko, çinko kaynağı olarak
kullanılmış olup, N2 de taşıyıcı gaz olarak kullanılmıştır. NO plazma, 150 W’ da
işlem yapan bir radyo frekans (RF) plazma kaynağı tarafından üretilmiş olup, hem
oksijen kaynağı olarak hem de N katkı kaynağı olarak rol oynamaktadır. Büyüme
sıcaklığı 250’ den 500 °C’ ye kadar değiştirilmiş ve ortam basıncı da 5 Pa olacak
şekilde sağlanmıştır. N-katkılı filmlerin ortalama kalınlığı 300 nm civarında elde
edilmiştir.
XRD
ölçümlerinden
N-katkılı
filmlerin
(002)
yönelimli
oldukları
bulunmuştur. Hall etkisi ölçümlerine bakıldığında, 500 °C büyüme sıcaklığının
dışındaki bütün sıcaklıklarda p-tipi iletkenlik başarılmıştır. En iyi sonuçların elde
edildiği 400 °C sıcaklıkta, 1.72 Ω cm direnç, 1.59 cm2/Vs hall mobilitesi ve
2.92×1018 cm-3 hall konsantrasyonu değerleri elde edilmiştir. 400 ve 500 °C’ de ki
yüksek büyüme sıcaklığında N konsantrasyonunun azalmasına bağlı olarak,
3.68×1016 cm-3 düşük hall konsantrasyonu ve hatta n-tipi iletkenlik gözlenmiştir.
Sıcaklık 350’ den 250 °C’ ye düşürüldüğünde, düşük sıcaklıkta ZnO içersinde N
içeriği arttırılmasına rağmen hall konsantrasyonunda daha fazla bir artış
gözlenmemiş ve bu da ZnO içindeki yüksek N konsantrasyonunun istenmeyen bazı
kusurların formasyon enerjisini düşürmesine bağlanmıştır. Örnek olarak, (N2) veya
(NC)o gösterilmiştir.
Oda sıcaklığındaki fotolüminesans spektrumunda, N ilişkili bir nötral alıcıya
serbest yayınım ve bir bağlı fonon kopyası kanıtlanmıştır. Buradan ZnO içineki N
21
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
alıcı düzeyi, valans bandı maksimumunun üzerinde 180 meV olarak tahmin
edilmiştir ( Zeng ve ark, 2007).
Bu çalışmada, azot katkılı p-tipi ZnO filmler plazma yardımlı moleküler
demet epitaksi yöntemi ile a-düzlemli safir tabakalar üzerine depolanmışlardır.
Düşük sıcaklıkta 3.260 eV civarında önemli bir fotolüminesans gözlenmiştir. 80 K’
de, fotolüminesansın uyarılma yoğunluğu üzerindeki bağımlılığından elde edilen
sonuçlara dayanarak, 3.260 eV civarındaki yayınım bir verici-alıcı çifti geçişine
bağlanmıştır. Verici-alıcı çifti yenidenbirleşme dinamiğini anlamak için zaman
çözümlü PL spektrumu kullanılmıştır. Ekponansiyel olmayan bir şekilde azaldığı
gözlenen eğri, hızlı bir bileşen ile ve uzun süreçler sonucunda fit edilmiştir. Uzun
bozulma süreçlerinde, eğrinin t-1’ i takip ettiği tahmin edilmiştir. Buna dayanarak
örneklerdeki 3.260 eV’ de ki yayınımın doğasında tünel yardımlı verici-alıcı çifti
yayınımının olduğu sonucuna varılmıştır (Jiao ve ark, 2007).
Bu çalışmada, azot (N) katkılı çinko oksit (ZnO) filmler, söktürme gazı
olarak azot ve hedef olarak da ZnO hedefi kullanılarak reaktif radyo frekans
magnetron söktürme tekniği ile kuvarz cam alt tabanlar üzerine depolanmışlardır.
Hedef olarak % 99.99 saflıkta ZnO kullanılmıştır. Söktürme gazı % 99.999 saflıkta
N2 olarak belirtilmiş ve alt taban sıcaklığı 510 K olarak belirlenmiştir. Büyütme
odası ilk olarak 4×10-4 Pa olarak ayarlanmış ve 0.3 Pa olana kadar N2 ile
doldurulmuştur. Söktürme gücü ve süresi sırasıyla, 100 W ve 2 saat olarak
belirtilmiştir. Büyütülen film kalınlıkları 600 nm olarak belirtilmiştir. Büyütülen
ZnO:N filmleri O2 akısında, 10-4 Pa basınç altında, 860 K’ de 1 saatte
tavlanmışlardır.
XRD sonuçları büyütülen ZnO:N filmlerinin (002) ve (110) yönelimli
olduklarını açığa çıkarmıştır. Büyütülen filmlerin örgü sabitleri, a=0.3311 nm ve
c=0.5274 nm olarak bulunmuştur. Bu değerlerin literatürdeki saf ZnO örgü
sabitleriyle kıyaslandığında daha büyük olduğu gösterilmiştir. Bu sonucun nedeni
olarak da iç stres ve N katkılanması gösterilmiştir. XPS ölçümlerinden ZnO:N
içindeki N konsantrasyonu tahmin edilmeye çalışılmıştır. Sırasıyla, 396.6 ve 404.9
eV’ bağlanma enerjisinde iki N1S piki gözlenmiştir. Düşük bağlanma enerji piki
atomik N’ nin O’ nun örgüdeki yerini almasına bağlanmıştır (N)o, yüksek enerji
22
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
bağlanma piki de moleküler N’ nin O’ nun örgüdeki yerini almasına bağlanmıştır
(N)o ve (N2)o konsantrasyonları sırası ile % 1.8 ve % 0.7 olarak tahmin edilmiştir.
Büyütülen filmler 10-4 Pa basınç altında 1 saat süreyle 860 K’ de O2
ortamında tavlandıktan sonra, örgü sabitleri, sırasıyla, =0.3248 nm ve c=0.5214 nm
değerlerine düşmüştür ve literatürdeki saf ZnO değerlerine çok yakın oldukları
gözlenmiştir.
Elektriksel ölçümlerden, büyütülen ZnO:N filmlerinin yalıtkan davranış
sergilediği ve 860 K’ de tavlanan ZnO:N filmlerin ise yarıiletken davranış sergilediği
gösterilmiştir. 860 K’ de tavlanmış ZnO:N filmleri için oda sıcaklığında, karanlıkta
gerçekleştirilen Hall ölçüm sonuçlarından, 456 Ω cm direnç, 1.2×10 17 cm-3 taşıyıcı
konsantrasyonu ve. 0.1 cm2/Vs hall mobilitesiyle birlikte p-tipi iletkenlik
gözlenmiştir. Burada, 860 K’ de tavlanan ZnO:N filmlerinde No çok önemli bir
faktör olarak belirtilmiştir. Buna rağmen, karanlıkta p-tipi iletkenliğin kalıcı olmadığı
ve kademeli olarak n-tipine dönüştüğü belirlenmiştir. n-tipi ZnO birkaç dakikalığına
güneş ışığına maruz bırakıldıktan sonra karanlıkta p-tipi iletkenliğe dönüşmüştür ve
aydınlıkta p-tipi iletkenliği devam ettirdiği gözlenmiştir.
860 K’ de 10 -4 Pa altında tavlanan ZnO:N filmlerin oda sıcaklığındaki
fotolüminesans spektrumu, 3.25 eV’ de zayıf ve geniş bir morötesi yayınım ve
sırasıyla, yaklaşık 3.05, 2.29 ve 2.06 eV’ de üç güçlü görünür ışık yayınımı açığa
çıkartmıştır. 3.05 eV bandı iletim bandından tek iyonize olmuş Zn boşluğuna (VZn- )
olan geçişe bağlanmıştır. 2.29 eV’ ise tek iyonize olmuş O boşluğuna (Vo+) geçiş
olarak belirtilmiştir. 2.06 eV’ de ki turuncu yayınım bandı ise genellikle, Zni, tek
iyonize olmuş O arayer atomu (Oi) ve Zni ilişkili kusurlar (Zni kompleksi) ile
ilişkilendirilmiştir (Yao ve ark, 2007).
Bu çalışmada, Uzaktan-plazma geliştirilmiş metal organik kimyasal buhar
depolama yöntemiyle başarılı bir şekilde azot katkılanan ZnO filmler, 10 13’ den 1015
cm-3’ e kadar değişen oranlarda taşıyıcı konsantrasyonu ve 10-1-102 Ω cm arasında
dirençle birlikte p-tipi iletkenliğe sahip olarak elde edilmişlerdir. Safir alt tabakalar
üzerine depolanan ZnO ve ZnO:N filmler, kızılötesi fourier dönüşüm (FTIR) ve
raman spektroskopisi (RS) ile karekterize edilmişlerdir. Azot ilişkili RS modları 289,
587 ve 653 cm-1 de ortaya çıkmışlardır. Karbon-azot komplekslerine (CN, CC ve
23
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
CO), NO ve OH’ a ait IR moddları gözlenmiştir. Büyütülen filmlerde ortaya çıkan bu
komplekslerin tavlamaya bağlı olarak azalmasıyla birlikte iletkenliğin n-tipinden ptipine dönüştüğü gözlenmiştir. Ayrıca, ZnO:N/ZnO (p-n) eklemleri üretilmiş olup, pn ekleminde doğrultucu I–V karakteristiklerinin p-tipi iletkenliği doğruladığı
belirtilmiştir (Gangil ve ark, 2007).
Bu çalışmada, katkılanmamamış ve N-Al birlikte katkılı ZnO depolamak için
ultrasonik sprey piroliz yöntemi kullanılmıştır. Üç çeşit sulu (aqueous) çözelti
(Zn(CH3COO))22H2O (AR, 0.1mol/l), CH3COONH4 (AR, 0.5mol/l), Al(NO3)39H2O
(AR, 0.1 mol/l) sırasıyla, çinko, azot ve aliminyum kaynağı olarak seçilmiştir. p-tipi
ZnO elde etmek için farklı atomik oranlarda Zn:N:Al seçilmiştir.
Oda sıcaklığında, prekürsör çözeltisinde çeşitli atomik oranlarda Zn:N:Al =
1:3:0.01, 1:3:0.1, 1:3:0.15 ve 1:3:0.2 olmak üzere cam üzerine depolanan birlikte
katkılı ZnO ince filmlerinin elektriksel özellikleri incelenmiştir. Hall ölçümleri, artan
Al katkısıyla birlikte ZnO ince filmlerin iletkenliğinin n-tipinden p-tipine ve daha
sonra tekrar n-tipine döndüğünü göstermiştir. Zn:N:Al atomik oranı 1:3:0.1
olduğunda, 4.6×1018 cm-3 deşik konsantrasyonuyla birlikte p-tipi ZnO filmi cam
üzerinde elde edilmiştir. Ayrıca, n-tipi silikon üzerinde (7.51×1019 cm-3) yüksek
deşik konsantrasyonlu, düşük dirençli ve yüksek mobiliteli p-tipi ZnO ince filmler
elde edilmiştir.
X ışını kırınım sonuçlarından, birlikte katkılanmış ZnO ince filmlerle
katkılanmamış filmlerin aynı kristalizasyon karekteristiğine (polikristal yapıyla
birlikte 002 yönelimi) sahip olduğu açığa çıkartılmıştır. Bununla birlikte, SEM
ölçümlerinden yola çıkarak bitlikte katkılanmış ZnO ince filmlerle, katkılanmamış
ZnO ince filmleri kıyaslandığında farklı yüzey morfolojisine sahip oldukları
gösterilmiştir. Ayrıca, SEM analizlerinden bütün filmlerin düzgün yoğun yüzeye
sahip oldukları ve filmlerde görünür gözenek ve kusur bulunmadığı anlaşılmıştır
(Xiaodan ve ark, 2007).
Bu çalışmada, atomca % 2 oranında Li içeren bir Zn-Li alaşımı ark eritme
tekniği ile hazırlanmıştır. 500 nm kalınlıklı, wurtzit yapıdaki lityum ve azot katkılı
bir ZnO (ZnO:(Li,N) olarak temsil edilen) filmi rf magnetron söktürme yöntemiyle
Zn-Li alaşımının hedef olarak kullanılmasıyla 300 K’ de ki c-düzlemli Al2O3 alt
24
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
tabakası üzerinde büyütülmüştür. Toplam 1 Pa’ lık basınçla birlikte, 1:1’ lik bir oran
ile oksijen ve azot karıştırılmış bir gaz, söktürme gazı olarak kullanılmıştır.
Büyütülen filmler üç parçaya bölünerek, sırasıyla, 500, 600 ve 700 °C’ de bir N2
akısında 30 dakikada tavlanmışlardır.
Hall ölçüm sonuçlarından, büyütülen filmlerin bir yalıtkan gibi davrandığı ve
500 ve 700 °C’ de tavlanan filmlerin ise zayıf bir p-tipi iletkenlik sergiledikleri
gözlenmiştir. Kalıcı p-tipi bir iletkenlik, 3.07×10 16 cm-3 hall konsantrasyonuyla
birlikte, büyütülen filmlerin 600 °C’ de tavlanmasıyla gerçekleştirilmiştir.
Tavlama etkilerinin ZnO:(Li,N) filminin yapısı ve bant aralığı üzerindeki
etkilerini araştırmak için, büyütülen filmlerin ve 500, 600 ve 700 °C’ de tavlanan
filmlerin XRD, geçirgenlik ve soğurma ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Büyütülen
filmin sadece zayıf ve geniş bir (002) kırınım piki sergilediği belirtilmiş ve tavlama
işlemi ile (002) pikinin güçlü ve keskin olduğu ve kırınım açısının yüksek açı yönüne
doğru kaydığı gözlenmiştir. Filmlerin ilk halinin ve tavlanmış halinin örgü sabiti c,
(002) kırınım pikinin verileri kullanılarak, sırasıyla, 0.5262 ve 0.5197 nm olarak
bulunmuştur.
Filmlerin ilk halinin ve tavlanmış halinin geçirgenliğinin % 95’ in üzerinde
olduğu belirlenmiştir. Filmlerin ilk halinin ve 500, 600 ve 700 °C’ de tavlanmış
hallerinin bant aralıkları, sırasıyla, 3.292, 3.271, 3.269 ve 3.272 eV olarak
bulunmuştur.
Sıcaklık bağımlı ve uyarılma şiddeti bağımlı PL ölçümleriden, p-tipi
ZnO:(Li,N)’ in 80 K’ de ki fotolüminesans (PL ) spektrumunda, 3.311, 3.219 ve
3.346 eV’ de merkezli üç önemli yayınım bandı gözlenmiştir. Bunlar sırasıyla,
iletkenlik bandından LiZn-N kompleks alıcı düzeye (eFA) radyoaktif elektron geçişi,
bir verici-alıcı çiftinin radyoaktif yenidenbirleşmesi ve bir LiZn-N kompleks alıcı bağ
eksitonunun
yenidenbirleşmesiyle
ilişkilendirilmiştir.
Sıcaklık
bağımlı
PL
spektrumundan elde edilen eFA verisiyle karşılaştırıldığında, LiZn- N kompleks alıcı
düzeyi, valans bandının üzerinde yaklaşık olarak 126 meV olarak tahmin edilmiştir (
Wang ve ark, 2007).
Bu çalışmada, N–In birlikte katkılanmış ZnO ince filmler iyon demeti
geliştirilmiş
depolama
yöntemi
(İon-beam
25
enhanced
deposition-IBED)
ile
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
hazırlanmışlardır. % 99 saflıktaki ZnO tozu atomca % 2 oranındaki In2O3 (% 99.9
saflıkta) tozu ile karıştırılarak söktürme hedefi olarak preslenmiştir. Depolamadan
önce, SiO2 ve Si alttabakaları, yüzey temizliği için 15 dakika Ar ile bombardıman
edilmiştir. In katkılı ZnO toz hedefi 1.7 keV enerjili Ar+ iyonları ile söktürülmüştür.
N+/Ar+(10/1 ) karıştırılmış iyon demeti iyon kaynağından 40 keV enerji ile çıkarılmış
ve 4 mA’ lik bir demet akımı depolanmış ZnO filmlerinin içerisine düşey olarak
implantasyon yapılmıştır. Söktürme demetinin doğrultusu ile hedef arasındaki açı
45° olarak belirlenmiştir. Alttabaka 3 rpm hızla dönen bir dairesel tutacak üzerine
yerleştirilmiştir ve aynı zamanda alt tabaka da 24 rpm hızla dönmektedir. Bütün
filmler 4 saat’ de depolanmışlardır. Film kalınlıkları yaklaşık olarak 0.3 µm olarak
belirlenmiştir. Tavlama sonrası davranışın ZnO ince filmlerinin yapısal, elektriksel
ve optiksel özellikler üzerindeki etkisini araştırmak için, depolanmış filmler 400’ den
800 °C’ ye kadar değişen çeşitli tavlama sıcaklıklarında azot ve oksijen ortamında
tavlanmışlardır. Tavlama işlemleri ani ısısal tavlama fırınında gerçekleştirilmiştir.
Si (001) tabakaları üzerine depolanan ZnO filmlerinin ve 5 dakikada 400–800
°C arasındaki çeşitli sıcaklıklarda N2 ortamında tavlanan örneklerin XRD
analizinden, bütün örneklerin (002) düzlemi boyunca tercih edilen yönelimde
oldukları belirlenmiştir. Artan tavlama sıcaklığıyla birlikte, örneklerin (002) pikinin
2Ө değerinin 33. 96°’ den 34.40°’ ye arttığı ve yarı maksimum genişliğinin ise
0.792°’ den 0.560°’ ye yavaş yavaş düştüğü gözlenmiştir. XRD verilerinden, In-N
birlikte katkılanmış tavlanmamış ZnO filmlerinin (002) düzlemleri arası uzaklığı,
d=2.6376 Ǻ olarak bulunmuştur. Örnek, 800 °C’ de tavlandığında d değeri, bulk
ZnO değerine yakın bir değere, 2.6049 Å değerine düşmüştür. 5 dakikada çeşitli
sıcaklıklarda oksijen ortamında tavlanan örneklerin de XRD analizi yapılmış ve
sonuçların azot ortamında tavlanan ZnO
filmlerininkine benzer oldukları
belirtilmiştir.
SiO2 tabakaları üzerine depolanan ZnO filmlerinin ilk hali ve tavlanmış
halinin elektiksel özellikleri incelendiğinde, ilk haldeki ZnO ince filminin p-tipi
olduğu görülmüştür. Azot ortamında tavlanan ZnO filmlerinin, tavlama sıcaklığının
artmasıyla birlikte iletkenliğinin p-tipinden n-tipine değiştiği belirlenmiştir. Aynı
zamanda artan tavlama sıcaklığıyla birlikte ilk önce filmlerin dirençinin düştüğü,
26
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
tavlama sıcaklığı 600 °C’ ye gelince önemli bir şekilde arttığı ve sonra tavlama
sıcaklığının daha fazla artmasıyla birlikte tekrar düştüğü gözlenmiştir. p-tipi ZnO
filminin en düşük tabaka direnci 27 k Ω olarak bulunmuştur. 800 °C’ de tavlama
yapıldıktan sonra, ZnO’ nun n-tipine dönüştüğü ve tabaka direncinin 9.1 k Ω olduğu
belirlenmiştir. Buna rağmen, oksijen ortamında tavlanan ZnO filmlerinin 400 °C’ de
ki düşük tavlama sıcaklığında bile direncinin arttığı ve iletkenlik tipinin değişmediği
belirlenmiştir.
Si (001) üzerindeki ZnO filmlerinin oda sıcaklığındaki fotolüminesans
ölçümleri, N2 ortamında, 5 dakikada, 600 ve 700 °C’ de tavlanan filmler için 3.25 eV
civarında merkezli bir UV yayınım pikinin ve sırasıyla 2.64 ve 2.1 eV civarında
merkezli iki görünür bandının varlığını açığa çıkarmıştır. 800 °C’ de ki tavlama
sıcaklığında UV pikinin yükseltildiği ve aynı zamanda görünür yayınım bantlarının
da yükseltildiği gözlenmiştir. Filmler 5 dakikada O2 ortamında 800 °C’ de
tavlandıklarında ise bu iki görünür yayınım bandının yanında, 3.48 eV civarında bir
UV pik ve 3.14 eV civarında bir mor pik gözlenmiştir (Yuan ve ark, 2007).
Bu çalışmada, p-tipi ZnO filmler c-düzlemli safir alt tabakalar üzerine plazma
yardımlı moleküler demet epitaksi yöntemi ile depolanmışlardır. 6N çinko, Zn
kaynağı olarak kullanılmıştır. N2, alıcı katkılayıcı kaynağı olarak kullanılmış ve O2
de oksijen kaynağı olarak kullanılmanın yanında, daha çok N2 ayrışmasını sağlamak
için yardımcı gaz olarak kullanılmıştır. Büyütme sıcaklığı 425 °C’ de tutulmuştur.
Oda
basıncı
1.0×10-6–1.0×10 -5
mbar
arasında
belirlenmiştir.
Büyüme
parametrelerinin zamanla en iyi şartlara ayarlanması için N2–O2 karışımlı plazmanın
yayınım spektrumu görüntülenmiştir. Saf N2 plazmasıyla kıyaslandığında, O2
yardımı altında, plazma karışımındaki N atomlarının (EN) N2 moleküllerine (EN2)
oranının arttığı görülmüştür. N2/O2 oranı 1:2 iken odacık vakumunun da
ayarlanmasıyla birlikte, hall konsantrasyonu1.15×10 18 cm-3 ve hall mobilitesi
ise.0.94 cm2/Vs olarak elde edilmiştir.
Elektrotlar için uygun bir bölgenin maskelenmesiyle p-tipi tapaka üzerine
katkılanmamış n-tipi ZnO kaplayarak bir p-n eklemi LED üretilmiştir. n-tipi
tabakanın elektron konsantrasyonu ve mobilitesi, sırasıyla, 1018 cm-3 mertebesinde
ve.40 cm2/Vs olarak belirtilmiştir. n-tipi ve p-tipi tabakalara omik kontak sağlamak
27
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
için indiyum ve Ni-Au elektrotları kullanılmıştır. Yaklaşık 100 K’ de ölçülen I-V
eğrisinden, elde edilen LED’ in açık bir doğrultucu etki gösterdiği belirlenmiştir.
Uyarılma voltajı 3.70 V civarında belirlenmiştir ki bu da ZnO’ nun bant aralığına
yaklaşmaktadır.
Yaklaşık 100 K’ de ki elektrolüminesans spektrumu iki bant göstermiştir:
Bunlardan birincisinin 423 nm’ de merkezli bir mor yayınım ve diğerinin de 523 nm’
de merkezli bir yeşil bant oldukları belirlenmiştir. Burada, mor bant verici-alıcı çifti
yayınımı (donor-acceptor pair luminescence) olarak düşünülmüş ve yeşil bant ise,
örneğin, O boşluğu gibi, ZnO içindeki özden kusurlara bağlı yayınım olarak göze
alınmıştır. (Zhang ve ark, 2007 )
Bu çalışmada, Al-N birlikte katkılanmış ZnO ince filmler reaktif magnetron
söktürme yöntemiyle cam alt tabakalar üzerine depolanmışlardır. Bu çalışmada, %
0,08, 0.4 ve 1 oranlarında Al içeren farklı söktürme hedefleri kullanılmış ve bundan
dolayı, bu söktürme hedefleriyle büyütülen ZnO filmleri sırasıyla, ZnO:Al0.0008Nx,
ZnO:Al0.004Nx ve ZnO:Al0.01Nx olarak belirtilmişlerdir. N2O ve O2 söktürme gazı
olarak kullanılmıştır. N2O’ nun kısmi basıncının 3-4 Pa’ lık sabit bir toplam basınca
oranının, % 0’dan % 100’ e kadar değiştiği belirtilmiştir.. Bütün örnekler optimal
tabaka sıcaklığı olarak kabul edilen 500 °C’ de depolanmışlardır.
Büyütülen
ZnO
filmlerinin
elektriksel
iletkenlik
tipi
ve
taşıyıcı
konsantrasyonu, N2O’ nun kısmi basınç oranlarının bir fonksiyonu olarak elde
edilmiştir. ZnO:Al0.0008Nx örnekleri için en yüksek deşik konsantrasyonu % 10’ luk
N2O kısmi basınç oranında ortaya çıkarken, ZnO:Al0.004Nx örnekleri için % 100’ lük
N2O kısmi basınç oranında ortaya çıkmaktadır. ZnO:Al0.01Nx örnekleri için hiçbir
N2O kısmi basınç oranında p-tipi iletkenlik gerçekleştirilememişir. Deşik
konsantrasyonundaki
artış
ile
17
-3
(ZnO:Al0.0008Nx
için,
1.2×1017
cm-3’
den,
ZnO:Al0.004Nx için 8.0×10 cm ’ e), N katkılama verimini arttırmada Al’ nin önemli
bir rol oynadığı belirlenmiştir. Bu durumda, orta düzeyde Al (% 0.4) içeren hedefle
elde edilen örneğin yüksek deşik konsantrasyonlu p-tipi ZnO elde etmede en önemli
sonuçları sağladığı belirlenmiştir. Buradaki sonuçlar, birlikte katkılama yöntemine
rağmen ZnO içinde N çözünürlüğünün sınırlandığını desteklemiştir. Taşıyıcı
28
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
mobilitesinin, Al içeriğinin artmasıyla birlikte artan iyonize safsızlıklara bağlı olarak
düştüğü bulunmuştur.
Sırasıyla, 1.2×1017 cm-3, 8.0×1017 cm-3, 3.0×1017 cm-3’ lük bir taşıyıcı
konsantrasyonuyla birlikte p-tipi ZnO:Al0.0008Nx, p-tipi ZnO:Al0.004Nx ve n-tipi
ZnO:Al0.01Nx için düşük sıcaklık (20 K) PL spektrumunda, 3.34, 3.13 ve 2.75 eV’ de
üç yayınım bandı görülmüştür. 3.34 eV’ de ki yayınımın ZnO malzemelerinin
genelikle düşük sıcaklık PL spektrumunda belirgin olan bağ eksitonu olarak bilindiği
belirtilmiş fakat burada bu yayınımın çok zayıf olduğu gözlenmiştir. Burada baskın
yayınım alıcı-verici çifti (donor-acceptor pair-DAP) geçişini temsil eden 3.13 eV’ de
ki yayınım bandı olarak tespit edilmiştir. Bu sonucun, birlikte katkılı filmlerde alıcı
ve verici durumların oluştuğunu desteklediği belirtilmiştir. 2.75 eV’ de ki geniş band
ise özden kusurlardan kaynaklı mavi yayınım olarak düşünülmüştür. DAP bandının,
yüksek Al içeriğiyle birlikte genişlediği ve kırmızıya kaydığı bulunmuştur. Bunun
nedeninin de, hem iyonize olmuş safsızlıkların büyük kompanse etkilerinden hem de
katkı safsızlıklarının kristal içindeki rastgele dağılımından kaynaklı potansiyel
dalgalanmalarıyla ilişkili olabileceği belirtilmiştir (Zhuge ve ark, 2007).
Bu çalışmada, ZnO’ da p-tipi iletkenlik sağlamak için ikili bir alıcı katkılama
yöntemi önerilmiştir. Azot ve fosforun her ikisi de p- tipi katkılayıcılar olarak
kullanılmışlardır. ZnO:(N,P) ince filmler cam tabakalar üzerine ultrasonik sprey
piroliz (sprey pyrolysis) yöntemi ile depolanmışlardır. Püskürtme çözeltisi olarak ,
çözücü olarak kullanılan iyonize olmamış su içindeki 0.05 M çinko nitrür
(Zn(NO3)26H2O) çözeltisi kullanılmıştır. % 5 mol oranında ki fosfor pentoksit
(P2O5), çözeltideki Zn içeriğine karşın püskürtme çözeltisine eklenmiştir. Herhangi
bir çökelmeyi önlemek için birkaç damla hidroklorik asit eklenmiştir. Depolama
süresince alt tabaka sıcaklığı 450 °C’ de tutulmuştur. Filmler atmosfer basıncında 30
dakikada depolanmışlardır. O2 ortamında (1 atm basınç) 20 dakika sürede uygun
sıcaklıklarda (500–700 °C) ısısal tavlama ile p-tipi iletkenlik başarılmıştır.
ZnO:(N,P) filmleri üç farklı sıcaklık bölgesinde ısısal olarak tavlanmışlardır.
Bu bölgeler, 300–400 °C (bölge 1, büyütme sıcaklığının altında), 500–700 °C (bölge
2, büyütme sıcaklığının üzerinde) ve 800 °C (bölge 3, büyütme sıcaklığının oldukça
üzerinde) olarak belirlenmiştir. Hall etkisi ölçüm sonuçlarından, Bölge 1 de ki
29
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
aralıklarda tavlanan filmlerin hala n-tipi iletkenlik sergiledikleri oysa Bölge 2’ de
filmlerin kesinlikle p-tipi iletkenlik sergiledikleri gösterilmiştir. 5.3×1017 cm-3 hall
konsantrasyonu ve. 0.94 cm2/Vs Hall mobilitesiyle birlikte en düşük direnç değeri
12.5 Ω cm olarak 600 °C olan optimal tavlama sıcaklığında elde edilmiştir. Daha
yüksek sıcaklıklarda (bölge 3) p-tipinden n-tipine değişim olduğu gözlenmiştir. ptipi iletkenliğin kalıcı olup olmadığını araştırmak için, 600 °C’ de tavlanan filmler iki
ay sonra yeniden çalışılmıştır. Hall ölçümlerinden, ZnO:(N,P) filmlerinin elektriksel
özelliklerde belirli bir bozulma olmaksızın p-tipi iletkenliği sürdürdüğü görülmüştür.
İlk elde edilen ve 600 °C’ de tavlanan ZnO:(N,P) filmlerinin XRD sonuçları
alınmış ve filmlerin (002) yönelimiyle birlikte polikristal yapıda oldukları
belirlenmiştir. İlk elde edilen filmlerle kıyaslama yapıldığında, tavlanan filmler için
c-ekseni yöneliminin önemli bir şekilde arrtırıldığı görülmüştür. Buradan da ısısal
tavlama ile filmlerin kristal özelliklerinin geliştirildiği belirlenmiştir.
İkincil iyon kütle spektroskopisiyle (Secondary İon Mass SpectroscopySIMS) ile ZnO içine azot ve fosforun nüfus ettiği belirlenmiştir (Vlasenflin ve ark,
2007).
Bu çalışmada, azot katkılı p-tipi ZnO ince filmler atomik tabaka epitaksi
tekniği ile, Zn(C2 H5)2 [Diethylzinc, DEZn], H2O (%99.99 saflıkta) ve NH3(%99.99
saflıkta)’ ün, sırasıyla, çinko için bir prekürsör, oksitleyici ve katkılayıcı kaynak gazı
olarak kullanılmasıyla, safir (0001) tabakaları üzerine başarılı bir şekilde
büyütülmüşlerdir. Alt tabaka sıcaklığı 150 °C olarak ayarlanmıştır. Bu yolla üç adet
aynı çeşit film hazırlanmış ve bu filmler 1 saat süreyle 1 atm’ lik bir oksijen
(%99.999 saflıkta) atmosferinde 1000 °C’ de tavlanmışlardır.
Elde edilen ZnO filmlerinin ve 1000 °C’ de tavalanan ZnO filmlerinin XRD
spektrumundan, bu filmlerin iyi kristal özelliklerle birlikte c-ekseni yönelimli
oldukları görülmüştür. ZnO’ ya ait (0002) ve alt tabakaya ait Al2O3 (0006) pikinden
başka bir pik gözlenmemiştir. Depolanan (0.32) ve tavlanan (0.047) ZnO filmlerinin
(0002) pikine ait yarı maksimum genişlik değerleri karşılaştırıldıklarında tavlamayla
birlikte kristal özelliklerin geliştirildiği görülmüştür.
Film üzerindeki Hall etkisi ölçümleri sonucunda, en düşük direnç, 210 Ω cm
ve Hall konsantrasyonu 3.14×1016 cm-3 olarak bulunmuştur. Tavlanmış bir film için
30
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
düşük sıcaklık PL analizi elde edilmiştir. Düşük sıcaklıkta elde edilen PL
spektrumundan, 3.36 eV civarında lokalize olan pik vericilere bağlanmış eksitonların
yakın bant kenarı yayınımına bağlanmıştır (DoX). 3.31 eV civarındaki pik ise No ile
ilişkilendirilen, alıcılara bağlanmış eksitonların yakın bant kenarı yayınımına
bağlanmıştır (AoX). Tavlamadan sonra azot katkılı ZnO filmlerinin p-tipi olduğunu
düşük sıcaklıktaki bu PL analiz sonuçlarının da desteklediği belirtilmiştir (Lee ve
ark, 2007).
Bu çalışmada, ZnO filmler, 600 °C’ de ki bir alt tabaka sıcaklığında ve 6.67
Pa’ lık bir O2 basıncında 500 nm kalınlıkla birlikte atmalı lazer depolama (Pulsed
Laser
Deposition-PLD)
yöntemiyle
c-düzlemli
safir
tabakalar
üzerine
büyütülmüşlerdir. Bir ZnO hedefinin ablasyonu için, 30 mJ/atım’ lık bir enerji ve 7
Hz’ lik bir yineleme aralığı ile işlem yapan bir KrF excimer lazeri (248 nm, 30 ns
lazer atım süresi) kullanılmıştır. Daha sonra depolanan filmler oda sıcaklığında iyon
implantasyon işlemi kullanılarak N ile katkılanmışlardır. Azot doz düzeyleri, 1×1012,
1×1013, 1×10 14 iyon/cm2 olarak belirlenmiştir. İmplantasyon süreci boyunca, enerji
ve iyon akım yoğunluğu sırasıyla, 100 keV ve 400 nA/cm2 olarak belirlenmiştir. “
Stopping and Range of İons in Matter- 2003” programme (SRIM-2003)’ e göre, 100
keV’ lik N iyonlarının ZnO hedefi içindeki nüfus derinliği 160 nm olarak tahmin
edilmiştir. İmplantasyon yapılmış fimler, 1.013×10 7 Pa’ lık bir O2 atmosferinde
farklı sıcaklıklarda 1 dakika süreyle ani ısısal tavlama (Rapid Thermal AnnealingRTA) işlemine tabi tutulmuşlardır.
İmplantasyon işlemi gerçekleştirilmeden önce, büyütülen filmlerin bir
miktarının yapısal ve optiksel özellikleri araştırılmıştır, çünkü bu özelliklerin p-tipi
ZnO’ nun özelliklerini etkileyeceği göz önüne alınmıştır. N implantasyonu için
büyütülen filmlerin XRD analizlerinden, Al2O3(0006) alt tabaka yansımasıyla
birlikte, ZnO (0002) ve (0004) düzlemiyle uyuşan Bragg yansımaları gözlenmiş ve
buradan da bu filmlerin tek bir ZnO fazıyla birlikte tamamıyla c-ekseni yönelimli
oldukları anlaşılmıştır. Büyütülen filmlerin 7 K’ de ölçülmüş tipik bir PL
spektrumunda, kusur düzey yayınımına ait hiçbir iz olmaksızın sadece 3.3 eV’ de
şiddetli bir UV yayınımı gözlenmiştir. Buradan da büyütülen filmlerin mükemmel
optik özelliklere sahip oldukları anlaşılmıştır. Büyütülen filmlerin oda sıcaklığında
31
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
sağlanan elektriksel özelliklerinin, 2.5×1018 cm-3 taşıyıcı yoğunluğuyla birlikte n-tipi
davranış sergilediği belirtilmiştir.
N-implantasyonu yapılmış filmlerin kristal yönelimi ve fazı XRD kullanılarak
araştırılmıştır. N dozu ne olursa olsun filmlerin hiç birisinde ikinci faz oluşuma ait
hiçbir kanıta rastlanmamıştır. 1×1012 iyon/cm2’ lik bir doz ile implantasyon yapılmış
filmin bütünleşmiş şiddetinde küçük bir düşüş gözlenmiştir. 1×1013 ve 1×1014
iyon/cm2’ lik N dozu ile implantasyon yapılmış filmlerin bütünleşmiş şiddetinin daha
küçük olduğu gözlenmiştir. Buradan da 1×1012 iyon/cm2’ lik dozla implantasyon
yapılmış filmlerin daha yüksek dozla implantasyon yapılmış filmlere nazaran daha az
kusur içerdiği sonucuna varılmıştır.
Ani ısısal tavlama yapılmaksızın büyütülen ve azot implantasyonu yapılmış
filmlerin 7 K’ de alınan PL spektrasında, 3.3 eV’ de eksitonik yenidenbirleşme
yayınımı gözlenmişir. N implantasyonu yapılmış filmlerin eksitonik yenidenbirleşme
yayınımına ait pik şiddetinde, artan azot dozuyla birlikte implantasyon kaynaklı
kusurlara bağlı olarak düşüş gözlenmiş ve bu düşüşün de kristal özelliklerin
bozulmasını işaret ettiği belirtilmiştir.
Ani ısısal tavlama etkilerini araştırmak için, N-implantasyonu yapılmış
filmlerin, her bir tavlama basamağından sonra 7 K’ de PL spektrumu kaydedilmiştir.
İmplantasyon yapıldıktan sonra 600 °C’ ye kadar tavlanmış filmlerin lüminesans
spektrumu, implantasyon yapılıp tavlanmamışlarla kıyaslandığında kayda değer bir
değişim gözlenmemiştir.
Büyütülen ZnO filmlerinin ve implantasyon yapılmış filmlerin 700 °C’ de
tavlandıktan sonra 7 K’ de PL spektrumu elde edilmiştir. 700 °C’ de tavlanan ZnO
filmlerinin PL spekrumunda, 3.363 eV’ de ki verici bağ eksiton (DoX) yayınımının
dışında hiçbir pik gözlenmemiştir. Diğer taraftan, implantasyon yapıldıktan sonra ani
ısısal tavlama işlemine tabi tutulan filmlerin PL spektrumunda fark edilebilir
değişiklikler gözlenmiştir. İmplantasyon yapılmış filmlerde 3.273 eV’ de merkezli
yeni bir PL yayınımı ve 3.201 eV’ de boyuna optiksel fonon yayınımı gözlenmiştir.
N dozunun 1×1012’ den 1×10 14’ iyon/cm2’ ye artmasıyla birlikte, 3.273 eV’ de ki PL
yayınım pik şiddetinin arttığı gözlenmiş ve buradan da bu pikin azot implantasyonu
32
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
ve ondan sonraki ısısal tavlamayla meydana geldiği ve buradan da bir alıcı düzeyin
oluştuğu sonucu çıkarılmıştır.
Büyütülen ZnO ve 1×1012, 1×1013
ve 1×1014’ iyon/cm2’ lik dozlarla
implantasyon yapılmış filmlerin taşıyıcı konsantrasyonunun tavlama üzerindeki
bağımlılığı araştırılmıştır. Hall ölçüm sonuçlarından, artan ısısal tavlamayla birlikte
ZnO filmlerinin taşıyıcı konsantrasyonunun düştüğü belirlenmiş ve bu da ısısal
tavlama süreci boyunca özden nokta kusurlarının limitli bir miktarının düzelmesine
bağlanmıştır. Oysa, implantasyon yapılmış filmlerdeki elektron konsantrasyonu, oda
sıcaklığından 700 °C’ ye kadar ani sıcaklık artışıyla birlikte önemli bir şekilde
düşürülmüştür. Bu da film içine nüfus etmiş azotun ani ısısal tavlama süreciyle
birlikte aktif hale gelmesine bağlanmış ve bunun da deşikler ürettiği ve sonunda
elektronların önemli bölümünü kompanse ederek elektron taşıyıcı konsantrasyonunu
azalttığı belirtilmiştir. N-implantasyonu yapılmış ve daha sonra ani ısısal tavlamaya
mağruz bırakılmış filmlerdeki taşıyıcı konsantrasyonu düşürülmesine rağmen bütün
filmlerin hala n-tipi iletkenlik sergiledikleri gözlenmiştir. Bu arada, 1×1014’
iyon/cm2’ lik bir doz düzeyi ile implantasyon yapılmış ve daha sonra 700 °C’ de ani
ısısal tavlamaya mağruz bırakılmış filmin Hall ölçüm sonuçlarından, karma
iletkenlik davranışı gözlenmiştir. Film kalınlığının 500 nm olduğu ve N iyonu nüfus
derinliğinin de ortalama 160 nm olduğu göz önüne alındığında, en üst implantasyon
yapılmış ve geri kalanı da hemen hemen implantasyon yapılmamış olmak üzere film
iki tabaka halinde düşünülmüştür. Buradan da implantasyon yapılmış en üst
tabakanın p-tipi davranışa sahip olabileceği ve implantasyon yapılmamış tabakanın
da n-tipi davranışa sahip olabileceği belirtilmiştir. Bu nedenlerden dolayı, Hall
sinyalini alırken yanıltıcı sonuç alınabileceği belirtilmiştir. (Vaithianathan ve ark,
2007).
Bu çalışmada, çinko oksit fazları içeren saydam p-tipi ince filmler n-tipi
çinko nitrür filmlerinin oksidasyonu ile üretilmişlerdir. Çinko nitrür ince filmler, bir
çinko nitrür hedefinden rf magnetron söktürme yöntemiyle saf N2 ve saf Ar
plazmada depolanmışlardır. Rf-gücü 100 W, saf Ar ve saf N2’ ye ait toplam basınç
10 mTorr olarak belirtilmiştir. Saf Ar plazmada depolanan filmler Zn-zengini
(ZnxNy) olarak belirlenmiş ve bu n-tipi malzemelerin düşük geçirgenlik ve yüksek
33
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
iletkenlik (direnç 4.7×10-2 Ω cm ve taşıyıcı konsantrasyonu 1020 cm-3) sergiledikleri
gösterilmiştir. Oysa, N2 plazmada depolanan ZnxNy flmlerinin yüksek geçirgenliğe
(> % 80) ve 3.1×103 Ω cm dirence sahip oldukları gözlenmiştir. 550 °C’ ye kadar
olan ısısal oksidasyonun bütün filmleri yüksek direnç (102–103 Ω cm) sergileyen ve
yaklaşık 1013
cm-3
taşıyıcı
konsantrasyonlu
p-tipi
filmlere
dönüştürdüğü
gözlenmiştir. Oksidasyon sonra, Zn-zengini ZnxNy filmlerin yapısında ZnO ve ZnO2
fazları gözlenmiştir. Oysa ZnxNy filmlerinin, yapılarında ikinci bir çinko oksit fazı
olmaksızın ZnO:N filmlerine dönüştükleri belirlenmiştir. Geçirgenlik eğrisinden, 365
nm’ de karakteristik eksitonik düşüşle birlikte bütün filmlerin % 85’ in üzerinde
geçirgenliğe
sahip
oldukları belirlenmiştir.
Düşük sıcaklık
fotolüminesans
sonuçlarından, p-tipi çinko oksit filmler için 3.36 ve 3.305 eV’ de eksiton
yayınımlarının varlığı ortaya çıkarılmıştır (Kambilafka ve ark, 2007).
Bu çalışmada, ZnO filmler moleküler demet epitaksi (Molecular Beam
Epitaxy-MBE) yöntemiyle c-Al2O3 alt tabanları üzerine depolanmışlardır. Bu
yöntemde, ZnO ince film elde etmek için, plazma yardımlı kimyasal buhar depolama
sisteminde üretilen NH3 plazma kullanılmıştır. Hall ölçümlerinden, 2.2×1016 cm-3
Hall konsantrasyonuyla birlikte p-tipi iletkenlik gözlenmiştir. X-ışını fotoelektron
spektroskopisi (X-ray Photoelectron Spectroscopi-XPS) sonuçları ile, büyütme
işlemleri sürecinde azotun film içerisine dahil edilerek ,oksijen sitelerine yerleştiği
ispatlanmıştır. 398.5 eV’ de gözlenen bağlanma enerjisi değerinin, No ile ilişkili
olduğu belirtilmiştir. Fotolüminesans (PL) sonuçlarında gözlenen 3.232 eV’ de ki
bant, N katkılayıcısıyla ilişkilendirilmiştir (Cao ve ark, 2008).
Bu çalışmada, N katkılı ZnO filmler metal organik kimyasal buhar depolama
(Metal Organic Chemical Vapor Deposition-MOCVD) yöntemiyle c-düzlemli safir
alt tabakalar üzerine depolanmışlardır. Alt taban sıcaklığının, N-katkılı ZnO
filmlerinin, elektriksel, optiksel ve yapısal özellikleri üzerindeki etkisi, Hall etkisi,
fotolüminesans (photoluminescence-PL) ve X-ışınları kırınım (X-ray diffractionXRD) ölçümleri kullanılarak araştırılmıştır. Filmlerin elektriksel özelliklerinin alt
taban sıcaklığına duyarlı olduğu gözlenmiştir. 420 °C’ de ki alt taban sıcaklığında
elde edilen filimlerin n-tipi iletkenliğe sahip olduğu belirtilirken, 400 °C’ de ki alt
taban sıcaklığında elde edilen filmlerin ise karışık iletkenlik tipi sergiledikleri
34
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
belirtilmiştir. 380 °C ve 390 °C’ de ki alt taban sıcaklığında elde edilen filmlerin
kararlı p-tipi iletkenlik sergiledikleri belirlenmiştir. En iyi sonuçların, 84.7–93.7 Ω
cm direnç, 0.64–1.2 cm2/Vs Hall mobilitesi ve 5.54×1016–1.04×1017 cm-3 deşik
konsantrasyonuyla birlikte, 390 °C’ de ki alt taban sıcaklığında elde edilen film için
gözlendiği belirtilmiştir. Üç ay sonra tekrar edilen Hall ölçüm sonuçlarının yaklaşık
aynı sonuçları gösterdiği belirtilmiş ve ZnO’ da ki p-tipi davranışın kalıcılığı kabul
edilebilir düzeyde bulunmuştur. PL spektrumunda, 3.31 eV’ de bulunan pik serbest
eksiton yayınımına bağlanmış ve buna ek olarak, 3.23 eV’ de gözlenen pik ise
serbest
elektronun
nötral
alıcı
düzeye
geçişine
(eA°)
bağlanmıştır.
PL
spektrumundaki (eA°) pik pozisyonu, azot katkılamanın bir sonucu olarak ZnO
filmine alıcıların dahil edildiğinin kanıtı olarak gösterilmiştir. (Zhu ve ark, 2009).
35
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Necdet Hakan ERDOĞAN
36
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3. MATERYAL VE METOD
3.1. ZnO’ nun Temel Özellikleri
3.1.1. Giriş
Çinko oksit, formülü ZnO olmakla birlikte inorganik bir bileşiktir. Toz hali,
çok sayıda materyal ve plastik, seramik, cam, çimento, lastik (örneğin araba tekeri),
yağ, merhem, yapışkanlar, deri sızdırmazlık malzemeleri, boya maddesi, yiyecekler
(Zn besin maddesi kaynağı), piller, ferritler, alevlenmeyi geciktiriciler, vb ürünlere
bir katkı maddesi olarak geniş bir şekilde kullanılmaktadır. ZnO yerkabuğunda
mineral çinko taşı olarak bulunmaktadır. Buna rağmen, ticari olarak kullanılan ZnO’
nun çoğu sentetik bir biçimde üretilmektedir.
Çinko ve oksijen, sırasıyla, periyodik tablonun II. ve VI. grubuna ait
olduklarından, ZnO, malzeme biliminde genellikle II-VI grubu yarıiletken olarak
adlandırılır. Bu yarıiletkenin bazı avantajlı özellikleri vardır. Bunlardan en
önemlilerini, iyi geçirgenlik, yüksek elektron mobilitesi, geniş bant aralığı, etkili oda
sıcaklığı lüminesansı olarak sıralayabiliriz. Bu özellikler, halihazırda, sıvı kristal
görüntülemedeki geçirgen elektrotlar için enerji depolama veya ısı-koruma
pencereleri gibi yeni uygulamalarda kullanılmakta olup, yakın gelecekte de ince film
transistör ve ışık yayan diyotlar olarak ZnO’ nun elektronik uygulamalarında
kullanılabilecektir (wikipedia encyclopedia). Tablo 3.1 de ZnO’ nun çeşitli
özellikleri gösterilmektedir.
37
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Tablo 3.1. ZnO’ nun sahip olduğu çeşitli özellikler
Özellikler
Moleküler formülü
ZnO
Yoğunluk
5.606 g/cm3
Erime noktası
1975 °C
Kaynama noktası
2360 °C
Bant aralığı
3.3 eV( direk)
Kırılma indisi
2.0041
Kristal Yapısı
Vurtzite
300 K’ de ki örgü parametreleri
ao
0.32495 nm
co
0.52069 nm
ao / co
1.602
Statik dielektrik sabiti
8.656
3.1.2. Kimyasal Özellikler
Çinko oksit, çinko beyazı veya mineral zincit olarak bilinen beyaz toz olarak
görülür. Bu mineral genellikle belirli bir miktar manganez ve diğer elementleri içerir
ve sarıdan kırmızıya kadar olan renklerde görülebilir. Çinko oksit termokromiktir,
yani ısıtıldığında beyazdan sarıya döner ve havada soğumaya bırakıldığında ise
beyaza döner. Bu renk değişimi, yüksek sıcaklıklarda stokiyometrik olmayan yapının
(
, 800 °C’ de x=0.00007) oluşmasına neden olan çok az sayıdaki oksijen
eksikliğinden kaynaklanmaktadır.
Çinko oksit, amfoter bir oksittir, suda ve alkolde neredeyse çözünmez fakat
hidroklorik asit gibi çoğu asitlerde çözünmektedir.
38
3.MATERYAL VE METOD
+2
→
Necdet Hakan ERDOĞAN
+
(3.1.)
Çinko oksit, aynı zamanda bazlarda çözünerek, çözünebilir zinkat oluşumuna
neden olur.
+2
+
→
(
(
) )
(3.2.)
ZnO, yağlarda yağ asitleriyle, örneğin, karboksilaza denk oleat veya stearat
üretmek için, yavaş bir şekilde reaksiyona girer.
ZnO, aynı zamanda fosforik asitle işleme tabi tutulduğunda çimento benzeri
ürünler elde edilmektedir. Bununla ilişkili malzemeler de dişçilikte kullanılmaktadır.
Bu reaksiyon sonucu üretilen çinko fosfat çimentosunun ana bileşeni hopeittir.
(
(
) ∙4
)
(3.3.)
ZnO sadece 1975 °C’ de çinko buharı ve oksijene çözünür, bu ise onun ne
kadar kararlı bir yapıya sahip olduğunu gösterir. ZnO, karbon ile reaksiyona
girdiğinde Zn metali ve CO elde edilir.
+
→
+
(3.4.)
ZnO, sülfür elde etmek için hidrojen sülfür ile reaksiyona girer.
+
→
+
(3.5.)
3.1.3. Fiziksel Özellikler
3.1.3.1 Kristal Yapısı
Çinko oksit üç farklı kristal formunda ortaya çıkmaktadır. Bunlar, hekzagonal
(vürtzit), kübik çinko sülfür (cubic zinc blende) ve nadiren kübik kaya tuzu olarak
39
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
gözlenmektedir. Vürtzit yapısı ortam koşullarında en kararlısıdır ve dolayısıyla en
yaygın olanıdır. Zinc blende formu, ZnO’ nun kübik örgü yapısına sahip alt taban
üzerine büyütülmesiyle kararlı hale getirilebilir. Her iki durumda çinko ve oksit
merkezleri tetrahedraldir. Kaya tuzu yapısı (NaCl tipi) sadece 10 GPa civarındaki
yüksek basınçta gözlenir. Şekil 3.1 de ZnO’ nun kristal yapıları gösterilmektedir.
Şekil 3.1. ZnO’ nun kristal yapılarının gösterimleri (a) Kaya tuzu, (b) Zincblende, (c)
Hekzagonal vürtzit (Özgür ve ark, 2005)
Hekzagonal ve zinc blende çok kristalleri inversiyon simetrisine sahip
değillerdir. Bu ve diğer örgü simetri özellikleri hekzagonal ve zinc blende ZnO’ nun
piezoelektrik özellik göstermelerine ve hekzagonal ZnO’ nunda piroelektrik özellik
göstermesine neden olur.
Hekzagonal yapı 6 mm Å nokta grubuna veya
6
’ ye sahiptir ve uzay grubu
’ tür. Örgü sabitleri, a=3.25 Å ve c=5.2 Å’ dur. Bunların oranı olan
c/a~1.60 değeri, hekzagonal hücrenin ideal değerine (c/a=1.633) yakındır. Çoğu IIVI grup materyallerinde olduğu gibi, çinko oksitteki bağlanma da çoğunlukla
iyoniktir ve bu da çinko oksitin neden iyi piezzoelektrik özelliği gösterdiğini
açıklamaya yetmektedir. Polar Zn-O bağlarına bağlı olarak, çinko ve oksijen
düzlemleri elektrik yükleri (sırasıyla, pozitif ve negatif) taşırlar. Dolayısıyla,
elektriksel nötralliğin sürdürülmesi için, bu düzlemler birçok ilgili materyallerde
atomik
düzeyde
yeniden
düzenlenir.
40
Fakat
çinko
oksitte
bu
durum
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
gerçekleşmemektedir. Onun yüzeyleri atomik olarak düzgün, kararlı ve yeniden
düzenlenme sergilemezler. ZnO’ da ki bu anormallik henüz tam olarak
açıklanamamıştır (wikipedia encyclopedia).
3.1.3.2. Mekanik Özellikler
ZnO göreceli olarak mohs skalasında yaklaşık 4.5 sertlikle birlikte yumuşak
bir materyaldir. ZnO’ nun elastik sabitleri, GaN gibi III-V grubu yarıiletkenlerle
kıyaslandığında daha küçüktür. Yüksek ısı kapasitesi ve iletkenliği, düşük ısısal
genleşmesi ve yüksek erime sıcaklığı ZnO’ yu seramikler için faydalı kılmaktadır.
ZnO’ nun, tedrahedral olarak bağlanmış yarıiletkenler arasında en yüksek
piezzoelektrik tensöre sahip
olduğu belirlenmiştir
ve
GaN
ve
AlN ile
kıyaslanabilmektedir. Bu özellik onu, büyük bir elektromekaniksel kuplaj gerektiren
birçok piezzoelektrik uygulamaları için teknolojik olarak önemli bir materyal
yapmaktadır (wikipedia encyclopedia).
3.1.3.3 Elektriksel Özellikler
ZnO oda sıcaklığında geniş bant aralığına (3.3 eV) sahip bir materyaldir ve
bundan dolayı, saf ZnO renksiz ve geçirgendir. Yüksek bant aralığıyla ilgili
avantajlar, daha yüksek kırılma voltajı, büyük elektrik alanlara dayanma kabiliyeti,
daha düşük elektronik gürültü, yüksek sıcaklık ve yüksek güç etkinliklerini içerir.
ZnO’ nun bant aralığı, magnezyum oksit ve kadmiyum oksit ile alaşım yapılarak bir
başka değere (~3-4 eV) ayarlanabilir.
ZnO, bilinçli bir şekilde katkılanmadan bile genellikle n-tipi karaktere
sahiptir. n-tipi karakterin orijini olarak stokiyometrik olmayan durum gösterilmesine
rağmen, konu tartışmalı olarak durmaktadır. Bu konuda yapılan teorik hesaplamalar
sonucunda, istenmeyen hidrojen safsızlıklarının sorumlu olduğu bir öneri olarak ileri
sürülmüştür. Kontrol edilebilir katkılama, Zn ile Al, Ga, In gibi III. grup
elementlerinin yer değiştirmesi veya oksijen ile VII. grup elementleri klor veya
iyodun yer değiştirmesi kolayca başarılabilmektedir.
41
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
ZnO’ nun güvenilir bir Şekilde p-tipi katkılama işlemi zor olarak sürmektedir.
Bu problem, p-tipi katkılayıcıların düşük çözünürlüğünden ve çok miktardaki n-tipi
safsızlıklarla kompanse edilmesinden kaynaklanmaktadır. Benzer sorunlar GaN ve
ZnSe’ de görülmektedir. n-tipi bir materyalin p-tipi olarak ölçülmesindeki
karmaşıklık, örneğin homojen olmamasından kaynaklanmaktadır.
p-tipi katkılamadaki
güncel
sınırlamalar,
ZnO’
nun elektronik
ve
optoelektronik uygulamalarını sınırlamamaktadır. Bilinen p-tipi katkılayıcılar, I. grup
elementleri, Li, Na, K; V. grup elementleri, N, P ve As’ nin yanısıra, bakır ve
gümüşü içermektedir. Buna rağmen, bunların çoğu derin alıcılar oluştururlar ve oda
sıcaklığında kayda değer p-tipi iletkenlik sağlamazlar.
ZnO’ nun elektron mobilitesi sıcaklıkla hızla değişmektedir ve 80 K’ de
maksimum değere (2000 cm2/Vs) sahip olmaktadır. Deşik mobilitesi 5-30 cm2/Vs
aralığındaki değerlerle sınırlıdır (wikipedia encyclopedia).
3.2. ZnN’ nin Temel Özellikleri
Çinko nitrür (Zn3N2) tozları ilk olarak Juza ve Hahn tarafından 1940 yılında
sentezlenmiş olup çok fazla çalışılmamış bir materyaldir. Zn3N2 siyah renkli, anti
skandiyum oksit (anti scandium oxide- Sc3O2) yapısına sahip ve CaF2 yapısının
türevidir. Bu yapıda azot atomları kalsiyum pozisyonlarında ve çinko atomları da üçdördüncü flor pozisyonlarında bulunurlar (Futsuhara ve ark, 1998). Şekil 3.2 de
Zn3N2’ nin şematik gösterimi verilmektedir.
42
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.2. ZnN’ in kristal yapısı (Toyoura ve ark, 2005)
Zn3N2 n-tipi materyal olmasına rağmen, onun bant aralığıyla ilgili
anlaşmazlık vardır. Depolama tekniklerine ve oksijen safsızlıklarına bağlı olarak,
onun bant aralığının 1.01 eV ve 3.2 eV arasında olduğu rapor edilmiştir. Bu
malzemenin gerçek bant aralığının bilinmesi önemlidir. Dolayısıyla, bu malzemenin
dar bant aralığına mı yoksa geniş bant aralığına mı sahip bir materyal olduğunun
bilinmesi, optoelektronik uygulamalardaki aygıt araştırmaları için pasif tabaka olarak
mı veya aktif tabaka olarak mı kullanılacağı açısından büyük önem arz etmektedir
(Kambilafka ve ark, 2007). Son zamanlarda bir dizi deneysel çalışmalar farklı
amaçlar için Zn3N2 hazırlama üzerine ve onunla ilişkili materyaller üzerine
odaklanmıştır. Örneğin, Zn3N2 nanoteller morötesi ve mavi yayınım sergilemekte ve
çinko
nitrür
p-tipi ZnO
materyaller
elde
etmek
için de
ısısal olarak
oksitlenebilmektedir. Buna rağmen, Zn3N2 materyallerinin özellilerini belirlemek
üzere sadece birkaç teorik araştırma yapılmıştır. Bu malzemenin optiksel geçiş
mekanizması ve elektriksel özellikleri hala tartışmalı durumdadır. Dolayısıyla, doğal
kusurların Zn3N2’nin elektronik ve optiksel özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak
önemlidir. Potansiyel aygıt uygulamaları için Zn3N2 önemli olmasına rağmen, onun
özden kusurları hakkında çok az şey bilinmektedir ( Long ve ark, 2008). Zn3N2
içindeki N atomları hava ortamında ısısal tavlama ile O atomları ile yer değiştirebilir.
Bu durum, hekzagonal yapıya sahip ZnO’ nun oluşumuna yol açar Eğer tavlama
43
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
koşulları kontrol edilebilirse, dirençli N atomları ZnO:N filmleri içinde alıcılar olarak
rol oynayabilirler. Sonuç olarak, bu basit yöntem ile p-tipi ZnO ince filmler elde
edilebilir.(LI ve ark., 2003).
3.3. ZnO İnce Filmlerin Depolamasında Kullanılan Bazı Üretim Yöntemleri
3.3.1. Giriş
ZnO ince filmlerin büyütülmesi, onların mükemmel piezzoelektrik özellikleri
ve farklı türlerdeki alt tabakalar üzerinde (cam, safir, elmas) güçlü 0001 tercihli
yönelimle birlikte büyüme eğilimlerinden dolayı akustik ve optik aygıtlar için
çalışılmıştır. İlk raporlar, magnetron söktürme, kimyasal buhar depolama gibi
yöntemlerin kullanıldığı ZnO büyütme tekniklerinden bahsetmektedir. Elde edilen
filmlerin genellikle polikristal yapıda oldukları belirlenmiştir. Magnetron söktürme
tekniği ve depolama işlemleri üzerinde çok iyi kontrole izin veren moleküler demet
epitaksi, atmalı lazer depolama, metal organik kimyasal buhar depolama ve hidrit
(hydride) veya halojenür (Halide) buhar faz epitaksi gibi büyütme yöntemleri
kullanılarak yapılan son denemeler yüksek kalitede ZnO tek kristal filmler elde
edilmesine olanak sağlamıştır. ZnO filmlerinin özelliklerinin geliştirilmesi, oda
sıcaklığında optiksel pompalanmış lazerin gözlenmesine olanak sağlamıştır. ZnO’
nun UV ışık yayıcılar olarak potansiyel uygulamalara sahip olması, ZnO büyütme
üzerindeki araştırmalara ilginin yönelmesine neden olmuştur.
Homo epitaksiyi
mümkün kılmak için yüksek kaliteli ZnO alt tabanlar elde edilebilir. Buna rağmen,
uzun bir süre boyunca büyütme işlemlerinin çoğu, ZnO ile kötü ısısal uyuşma ve
kötü yapıya rağmen, düşük maliyet, geniş alan tabakaları olarak elde edilebilmesi ve
geniş enerji bant aralığından dolayı safir (Al2O3) üzerine yapılmıştır. Yüksek kaliteli
ZnO alt tabanlarının elde edilebilirliği, yüksek kaliteli epitaksiyel tabakaların
kaplanması yolunu otomatik olarak açmamaktadır. Bulka uyumlu epitaksiyel tabaka
gerçekleştirmek için birçok çalışma yapılmaya devam etmektedir. Büyük alanlı ve
yüksek kaliteli filmlerin büyütülmesi sadece malzeme bilimi için değil bir çok aygıt
uygulamaları için de önemlidir. Geleneksel olarak ZnO büyütmede alt tabaka olarak
44
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
safir kullanılmış olmasına rağmen, safir alt tabaka ve ZnO arasındaki büyük örgü
uyuşmazlığının neden olduğu yüksek dislokasyon yoğunluğu, aygıt performansını
olumsuz yönde etkilemiştir. Şimdi ZnO ince filmlerin büyütülmesinde kullanılan
bazı üretim yöntemlerinden bahsedilecektir (Özgür ve ark, 2005).
3.3.2. Radyo Frekans Magnetron Söktürme Yöntemi (RF Magnetron
Sputtering)
İlk ZnO araştırmalarında kullanılan en popüler büyütme yöntemlerinden birisi
söktürme yöntemidir (DC Söktürme, RF Magnetron Söktürme ve Reaktif Söktürme).
Magnetron söktürme, sol-gel
ve kimyasal buhar depolama
yöntemleriyle
kıyaslandığında, düşük maliyeti, basitliği ve düşük işlem sıcaklığı nedeniyle tercih
edilen bir yöntemdir. ZnO filmler, rf magnetron sökürtme yöntemi kullanılarak
yüksek saflıktaki bir ZnO hedefinden söktürmeyle belirli alt tabakalar üzerinde
büyürler. Büyütme işlemi, genellikle büyütme ortamındaki O2/Ar+O2 oranının 0’ dan
1’ e değiştiği 10 -3-10-2 Torr basıncında gerçekleştirilir. O2 reaktif gaz olarak ve Ar da
söktürme gazı olarak kullanılır. ZnO filmler aynı zamanda Ar+O2 karışımında bir Zn
hedefinden dc söktürmeyle de büyütülebilirler. Plazmaya uygulanan rf gücü, ZnO
hedefinden elde edilen söktürme ürün oranını düzenlemek için ayarlanır. Bu
deneylerde hedef, gerçek depolama başlamadan önce hedef yüzeyinin üzerindeki
herhangi kirliliği çıkarmak, sistemi kararlı yapmak ve en iyi şartlara ulaşmak için 510 dakika civarında ön söktürme işlemine tabi tutulur. İlk sökürtme malzemelerinin
çoğunun polikristal hatta amorf olmasına rağmen bazı önemli başarılar rapor
edilmiştir (Özgür ve ark, 2005).
3.3.3. Moleküler Demet Epitaksiyel Yöntemi (Molecular-Beam Epitaxy-MBE)
Moleküler demet epitaksi’ nin en büyük avantajı, depolama parametreleri
üzerinde mükemmel kontrole izin vermesi ve tabiatında var olan tanı kapasiteleridir.
MBE ile ZnO ince film büyütmek için kaynak malzeme olarak genellikle Zn metali
ve O2 kullanılır. Yüksek saflıktaki Zn metali bir dökme ünitesinden buharlaştırılır.
45
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Bu dökme ünitesinin sıcaklığı, Zn akısının, büyütme oranı ve malzeme özellikleri
üzerindeki etkisini araştırmak için değiştirilebilir. Bir ECR veya rf plazma kaynağı
ile üretilebilen oksijen demeti, yüksek oksidasyon verimi sağlamak için örneğin
üzerine yönlendirilir. Oksijen plazma kullanıldığı zaman, depolama boyunca oda
basıncı 10-5 Torr civarındadır. Aynı zamanda MBE ile safir alt taban üzerine ZnO
üretmek için nitrojen dioksit (NO2) kullanılmıştır. Nitrojen dioksit kullanımının,
duyarlı flamanları ve ısıtıcıları korumak için oda basıncını düşük değerde muhafaza
etmek amaçlı olduğu belirtilmiştir. Fakat, sonuçta elde edilen kristal yapı ve yüzey
morfolojisi yeteri kadar tatmin edici değildir. Aynı zamanda aktif oksijen kaynağı
olarak hidrojen peroksit (H2O2) kullanılmasıyla başarılı ZnO filmler elde edildiği
belirtilmiştir (Özgür ve ark, 2005).
3.3.4. Atmalı-Lazer Depolama Yöntemi (Pulsed Laser Deposition-PLD)
Atmalı-lazer depolama yönteminde, yüksek güçlü lazer atmaları ile bir hedef
yüzeyinden
materyal
buharlaştırılır
ve
etkileşme
sonucunda
materyalin
sitokiyometrisi korunur. Sonuç olarak, süpersonik jet parçacıkları (plume) hedef
yüzeyine normal olarak yönlendirilir. Plume ileri yönlendirilmiş bir hız dağılımıyla
birlikte hedeften yayılır. Ablasyon edilmiş türler hedefin karışışına yerleştirilmiş olan
alt tabaka üzerine yoğunlaşır. Tipik atmalı lazer depolama sisteminin şematik bir
gösterimi Şekil 3.3 de verilmiştir. PLD’ nin en önemli avantajları, yüksek enerjili
kaynak parçacıkları yaratma kabiliyeti, düşük alt taban sıcaklığında (200-800 °C)
yüksek özellikli film büyütülmesine izin vermesi, basit deneysel kurulumu, 10 -5-10-1
Torr oranındaki yüksek gaz basıncında işlem yapılması olarak belirtilebilir. PLD
tekniğiyle ZnO büyütmede genellikle, UV excimer lazerleri (KrF : λ=248 nm ve ArF
: λ=193 nm) ve Nd : yttrium aliminyum garned (YAG) atmalı lazerleri (λ=355 nm)
kullanılır. Bazı durumlarda, benzer amaçlar için λ=510-578 nm Cu-buhar lazer
yayınımı kullanılmıştır. Hedef olarak, genellikle ZnO tozlarından preslenerek
yapılmış silindirik ZnO tabletleri kullanılmaktadır. Ayrıca yüksek özellikli ZnO ince
filmler büyütmek için tek kristal ZnO kullanılmıştır. Saf Zn metali çok nadir
46
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
durumlarda kullanılmaktadır. Büyütülen ZnO filmlerinin özellikleri, başlıca, alt taban
sıcaklığı, oksijen basıncı ve lazer yoğunluğuna bağlıdır (Özgür ve ark, 2005).
Şekil 3.3. Atmalı lazer depolama sisteminin şematik diyagramı (Özgür ve ark, 2005)
3.3.5. Kimyasal Buhar Depolama Yöntemi (Chemical Vapor Deposition-CVD)
Diğer büyütme yöntemleri arasında, kimyasal buhar depolama teknolojisi
sadece yüksek kaliteli filmler elde edilmesi için değil aynı zamanda büyük ölçekli
üretim için de uygun olduğundan dolayı özellikle ilgi çekicidir. Bu teknik, ileriye
dönük çeşitli GaN temelli optoelektronik aygıtların tasarımında işe yarayacak
epitaksiyel filimlerin üretimi için yaygın bir şekilde kullanılmıştır. Benzer eğilim,
ZnO’ nun gelecekteki uygulamaları için de beklenebilir. Kullanılan prekürsöre göre
47
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
bu tekniğin birkaç değişik türleri vardır. Metal organik prekürsör kullanıldığında, bu
teknik, metal organik kimyasal buhar depolama (Metal Organic Chemical Vapor
Deposition-MOCVD), metal organik buhar faz epitaksi (Metal Organic Vapor-Phase
Epitaxy-MOVPE), organametalik buhar faz epitaksi (Organametallic Vapor-Phase
Epitaxy-OMVPE) olarak adlandırılır. Hidrit veya halojen prekürsörü kullanıldığı
durumda ise, bu teknik, hidrit veya halojen CVD veya VPE olarak adlandırılır.
Kimyasal buhar depolama yöntemi ile ZnO depolama, büyütme odasına
taşıyıcı gaz ile iletilen buhar fazındaki prekürsörün alt taban üzerindeki kimyasal
reaksiyonun bir sonucu olarak ortaya çıkar (Özgür ve ark, 2005).
3.3.6. Filtreli Katodik Vakum Arklar
3.3.6.1 Giriş
Vakum ark, bir vakum ortamında iki elektrot arasındaki yüksek bir akım
düşük gerilim elektrik deşarjıdır. Vakum, düşük voltajda kendiliğinden yüksek bir
akım deşarjı sürdüremez, Plazmanın elektrotlarla yoğun bir şekilde etkileşimi sonucu
oluşan arkın oluşturduğu buharlaştırılmış elektrot materyalinin iyonlaşmış plazma
formundaki iletken bir ortama gerek vardır.
Çoğu vakum arklar birkaç kA’ den az akımlara sahiptirler ve plazma üretimi
katot spotları olarak bilinen katot üzerindeki bir veya birkaç küçük yerlerde
sınırlandırılmıştır. Son derece parlak katot spotu oldukça göz alıcı bir şekilde
görünür ve vakum ark açısından bir hayli çalışılmıştır. Katot spotları iletken bir
ortam sağlamanın yanı sıra, aynı zamanda genellikle soğuk elektrottan elektronların
salınması için de gerekli mekanizmayı temin eder. Ark akımının tamamının küçük
alanlarda yoğunlaşmasıyla, yerel olarak aşırı derecede yüksek sıcaklık ve elektrik
alan oluşur. Eğer akım düzgün olarak dağılmış olsaydı, ne yeteri kadar elektron ne de
plazma üretimi oluşabilirdi. Katodun gerçek mekanizması hala bir araştırma konusu
iken, ondan üretilen plazmanın özellikleri iyi anlaşılmış olup, sıradışıdır. Katot
spotundan üretilen metal buharı hemen hemen tamamıyla iyonize olur ve özellikle
ısıya daha dayanıklı katot metaller için çoklu iyonize türler yaygındır. Bu iyonlar, 20
48
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
V dolaylarındaki deşarj voltajlarında bile tipik olarak 50-150 eV’ lik kinetik
enerjilerle oldukça enerjitiktir. Bu da katot spotlarından 10 km/s mertebesinde
uzaklaşan bir plazma akış hızını açıklamaya yetmektedir. Sonuç olarak, bol miktarda
plazma üretilir. Plazma jetindeki, konveksiyon yoluyla yayılan iyon akımı yaklaşık
olarak ark akımının % 10’ u kadardır.
Katot plazma jeti her doğrultuda yayılır ve plazmanın bir kısmı anot ile temas
eder. Elektrik akımı, aynı yük yoğunluğuna ve genelde aynı yönelimde akıya sahip
iyonların hızından belirgin bir şekilde daha hızlı olan elektron akışıyla katottan anoda
doğru sağlanır. Elektrik akım akısının olduğu kadar plazma akısı da, ister ark akımı
tarafından kendiliğinden oluşan ister dış etkilerden oluşan manyetik alan tarafından
tamamen etkilenebilir. Anottaki iyon ve elektrik akısı anodu ısıtabilir ve uygun
şartlar altında anot bir kaynak ve hatta plazmanın ana kaynağı olabilir. (Boxman ve
ark.)
3.3.6.2. Ark İnce Film Depolama
İdeal ince film depolama yöntemi pratik büyütme şartlarında yoğun filmler
depolamak için yeterli enerjinin olmasını gerektirir. Reaktif depolama boyunca
bileşik filmlerin oluşumunu desteklemek için yüksek dereceli bir iyonizasyon
gerekir. İnce film depolamak için vakum arkların kullanılmasındaki önemli bir
zorluk, katot materyalinin erimiş damlacıklarıyla plazmanın kirletilmesidir. Bu
damlacıklar ortalama birkaç mikrometre olmasına rağmen makro parçacıklar olarak
adlandırılırlar. Makro parçacık filtresinin gelişimi, endüstride ve araştırmalarda ince
film depolama plazma kaynakları olarak vakum arkların benimsenmesinde etkili
olmuştur.
3.3.6.3. Ark İyon Kaynağı
Çoğu geleneksel plazma kaynaklarına kıyasla, katodik ark tarafından üretilen
plazmanın çok büyük bir oranı iyonize
olmaktadır.
Bu
da, plazmanın
elektromanyetik olarak hareket ettirilmesine olanak vermektedir. Bundan dolayı,
49
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
manyetik solenoid bir makroparçacık filtresi olarak kullanılabilir. Bu özelliğin
avantaja dönüştürüldüğü başka bir yol da, metal bir iyon kaynağı yaratmak için yüklü
ekstrasyon gridinin kullanılmasıyla plazmadan iyonlar çekilmesidir.
3.3.6.4. Katodik Ark Bileşenleri
Modern pratik vakum arklar Şekil 3.4’ de gösterildiği üzere birkaç zorunlu
bileşenlerden meydana gelmektedir; plazmanın elde edildiği iletken bir katot, deşarjı
başlatmak için bir tetikleyici, bir güç kaynağı ve bir vakum odası. Ek bileşenler,
manyetik kapatma bobinleri ve bir makro parçacık filtresi olabilir. Katot materyalinin
seçimi onun sadece bir akımı iletme yeteneğiyle sınırlanır. İletken alaşımlar, grafit
karbon ve katkılı yarıiletkenlerin olduğu kadar bütün saf metalik türler potansiyel
katotlardır. Katot materyali plazmanın bileşenlerini belirler. Katot tasarımları, bir ucu
güç kaynağına bağlı ve diğeri ark bölgesi ve plazma üretiminin olduğu dairesel
yüzeyle birlikte hemen hemen değişmeyen bir katı disktir. İnce tellerden çapları 10
cm’ lere kadar değişen oranlarda katotlar bulunmaktadır.
Şekil 3.4 Katodik vakum arkın başlıca bileşenlerinin şematik gösterimi
50
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Anot, katot yüzeyinden çıkan plazma jetinin (plume) içinde bulunmalıdır.
Anodun yerleşimi öyle olmalıdır ki, plazmanın çoğunluğunun akışını engellememeli,
yani deşarjın devam ettirilmesi için yeteri kadar elektronların toplanabileceği plazma
üretim bölgesine yeterince yakın olmalıdır. Geleneksel anot tasarımları, içerisinden
plazmanın önemli bir kısmının geçebileceği katot etrafındaki bir silindirden veya
içerisinden plazmanın çoğunluğunun geçmesine izin veren, merkezi delik düz bir
toplayıcı plakadan meydana gelir.
3.3.6.5. Ark Deşarjı
Her iki elektrot bir vakum odasına yerleştirilir ve odacığın içi boşaltılır. Ark
başlatılmadan önce elektrotlar arasında bir potansiyel kurulur. Bu ön deşarj
potansiyeli 10 voltlar mertebesindedir. Ark, elektrotlar arasında akım sürekliliğini
sağlamak için bir miktar plazmanın yaratılmasıyla başlar. Bu, birçok farklı yöntemle
gerçekleştirilebilir. Anot potansiyelinde tutulan mekanik bir tetikleyici elektrot ile
katodun fiziksel temas etmesi yaygın yöntemlerden birisidir. Aynı zamanda, bir
tetikleyici elektrotundan yüksek gerilim kıvılcımı (high-voltage flashover) veya katot
materyalinin lazer ablasyonu gibi temassız yöntemler de kullanılmaktadır. İlk olarak,
arkın kendi kendine sürdürüldüğü birincil elektrotlar arasında elektriksel bir kontak
yapılır. Aksi taktirde daha konveksiyonsal deşarj için iletken ortam olarak iyonlaşmış
gaza gereksinim duyulur. Bu iletken ortam katot materyalinden meydana gelir ve
elektrotlar arasında anahtar rolü oynar. Güç kaynağı elektrotlar arasındaki potansiyel
farkını sürdürebildiği sürece, anot etkin bir şekilde katottan elektron toplayabilir.
Ark, katot materyali ablasyon edilene kadar devam eder. Yanma (burning) gerilimi,
elektrotlar arasına uygulanan ön potansiyelden de tahmin edildiği gibi deşarj
boyunca katot ve anot arasında sürdürülen potansiyel farktır. Güç sağlayıcı genellikle
düşük empedanslı olduğundan dolayı, plazmanın elektriksel direnci yanma
geriliminin ön belirleyicisidir.
51
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.3.6.6. Atmalı ve Sürekli Katodik Vakum Ark
Katodik vakum ark kaynakları, sürekli (veya dc) ve atmalı olmak üzere iki
sınıfta gruplandırılabilirler. Özellikle bütün katodik ark deşarjları dc deşarjlardır. DC
ve atmalı deşarjlar arasındaki fark, atmalı arkın kısa yanmasına bağlı olarak meydana
gelmekte ve arkın herhangi salınımlı doğasına bağlı değildir. DC arklar genelde
onların atmalı benzerlerinden çok daha düşük akımlarda çalışırlar ve netice olarak
fark edilebilir şekilde farklı akım-gerilim ve plazma karakteristikleri sergilerler.
Genelde, dc arklar 10 ve 100 V arasındaki yanma gerilimleriyle birlikte 20’ den 200
A civarlarına kadar akımlar çekerler. Çok düşük akımlarda çalışıldığında (<10A), dc
arkların yüksek frekanslı salınım dalgalanmaları sergiledikleri ayrıca eklenebilir.
Atmalı arklar genelde, dc benzerlerininkilerle eş yanma gerilimlerinde, birkaç yüz
amperden on kiloamperlere kadar akım çekerler.
DC ve atmalı arklar için farklı güç kaynakları gerekmektedir. DC arklar için
genelde sürekli bir akım kaynağı kullanır. Atmalı arklar için ise yüksek ani akımlara
gereksinim duyulur ve çoğu kez güç deposu olarak bir kapasitör kümesi kullanır.
Atmalı ark yineleme oranının sınırlama faktörlerinden birisi kapasitörlerin yüklenme
zamanıdır. Daha ciddi bir sınırlama elektriksel bileşenlerin direnç gösteren ısınma
yüküdür. Soğutma kapasite gereksinimleri, arkların her iki sınıfı için de toplam güç
kullanımında genellikle ana sınırlamadır. Bundan dolayı katodun erozyon oranı
katottaki güç dağılımına bağlanır. Katodik arkların plazma üretim kapasitesi,
elektriksel bileşenleri soğutma yeteneğiyle kısmen belirlenir.
3.3.6.7. Katot Spotları
Bilinen glow deşarjların aksine, bir vakum arkta katottaki akım sürekliliği
plazma sütunlarından ortaya çıkan yüklü parçacıklar tarafından sağlanamaz. Ark
akımı, katot yüzeyindeki katot spotları olarak bilinen mikrometre çapındaki parlak
spotların aracılığıyla yönlendirilir. Bu spotlar iyonizasyonun artmasına ve elektroda
enerji transferine neden olan oldukça yüksek bir akım yoğunluğuna sahiptir. Enerjitik
iyonlar ve elektronlar bu spottan yayınlanırlar ve vakum ortamında deşarjın
52
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
sürdürülmesi için gerekli metal buharını temin ederler. Plazma türlerinin üretimine
ek olarak, lokal ısınma ve spot bölgesinden eriyik damlacıkların patlayıcı yayınımı
ile makro parçacıklar üretilir.
3.3.6.8. Spot Başına Akım
Spot başına akım vakumda, verilen bir katot materyali için açıkça sabittir.
Eğer ark akımı değişirse, spotların bu parametreleri muhafaza etmek için bölündüğü
veya söndüğü gözlenmiştir. Farklı malzemeler için spot başına ortalama akım
değerlerinde, katı civa için 0.5 A civarlarından, karbon veya tungsten için birkaç yüz
amperlere kadar uzanan oranlarda büyük bir farklılık vardır. Aynı zamanda yanma
gerilimleri de farklı malzemeler için çeşitlilik gösterir. Fakat, bu değişim 16-25 V’
dan çok daha küçük oranlarla sınırlandırılır. Yüzey kirlilikleri yanma gerilimini 3-5
V civarında düşürür.
3.3.6.9. Akım Yoğunluğu
Bir ark spotunda akım yoğunluğu oldukça yüksektir. Spot başına akımın
ölçülmesi kesin doğrulukla belirlenebilirken, bu spotun aktif alanının tahmin
edilmesi zordur. Bu spotlar yüksek hızlı kameralarla optik olarak gözlenmeye
çalışılmıştır. Aktif alanın, kısmen iletken ısınmaya bağlanan ışıltılı bölgeden farklı
olarak tam olarak belirlenmeye çalışılması hatalı sonuçların ortaya çıkmasına neden
olmaktadır. Ek olarak, genişleyen plazma yoğun bir optik sinyal yaymakta ve bu da
spot çapının tahmin edilmesini zora sokmaktadır. Aynı zamanda ark sonrası, elektron
mikroskobuyla ark kraterlerinin gözlenerek spot boyutlarının tahmin edilmesi
hatalara meyillidir. Katot yüzeyindeki hasarlı bölgenin ölçülmesi oldukça basit iken,
tam anlamıyla hasarlı bölgenin ne kadarının akım için iletim hattı olduğunun
belirlenmesi, eriyik malzemenin ark boyunca spotlardan patlayarak (explosive)
atılmasından dolayı zordur. Bu belirsizliklerden dolayı, ark akım yoğunluğuyla ilgili
deneysel tahminler, 109’ dan 10 12 Am-2’ ye kadar olan oranlarda değerlerin
olabileceğini göstermiştir. Teorik modeller bu yoğunluğun bir derece kadar daha
53
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
büyük olabileceğini desteklemektedir. Beilis ve arkadaşları deneysel gözlemlere
dayanarak bakır katotlar için uygun bir model geliştirmişlerdir. Bu modele göre akım
yoğunluğu, 15 V’ luk bir yanma gerilimi ve 40 A’ lik bir ark akımı için, spot
yanmasından 20 μs sonra, 1×1010 Am-2 olarak belirlenmiştir. Aynı noktada spottaki
plazma yoğunluğu da 1.5×1026 m-3’ tür.
3.3.6.10. İyon Hızları
Yüksek akım ve plazma yoğunluklarının bir sonucu olarak vakum arkların
ayırt edici bir özelliği plazma iyonlarına verilen oldukça yüksek kinetik enerjidir.
Çok yüksek plazma yoğunluğu güçlü basınç gradyentleri yaratır, bu da yüksek yerel
elektrik alanla birleştirildiğinde, iyonların süpersonik hızlara ivmelenmesine neden
olur. İyon hızları hemen hemen iyon kütlesinden ve yük durumundan bağımsız
olarak 0.5-2×10 4 ms-2 arasında değerler alır. Bu da, ince filmlerin depolanması için,
eşsiz bir koşul sağlar. Dolayısıyla, iyon çarpışmaları aracılığıyla büyüyen filme
enerji verilmesi, film stresini ve sertliğini etkileyen bir faktör haline gelir. Katodik
ark plazmada yüksek derecede iyonizasyondan faydalanmak için alt tabana bir
öngerilim uygulanmasıyla iyonlara ek enerji verilebilir. Örneğin, plazma imersiyon
iyon implantasyonu.
3.3.6.11. İyon Yük Durumları
Deşarj süresince plazma atomlarının çoğunluğu iyonize olmaktadır ve katoda
göre birkaç milimetreden daha büyük uzaklıklarda, iyonların elektronlara oranı
genellikle
0.1
civarında
sınırlandırılmıştır.
Aşırı
derecede
yüksek
akım
yoğunluklarına bağlı olarak, spot bölgesinden fırlatılan materyal, altıya kadar yük
durumuna sahip enerjik iyonlar içerir. Çoğu metal türleri düşük ark akımlarında
ortalama 1 ile 3 arasında iyon yük durumlarına sahiptirler.
Dış manyetik alanın, yük durumlarının dağılımını etkilediği gözlemlenmiştir.
Yüksek ark akımlarının, (> 1 kA) aynı zamanda ortalama yük durumlarını da
arttırdığı gözlenmiştir. Bu iki olay, artan bir ark akımının çoklu ark spotlarının
54
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
üretimine neden olduğu düşünülerek açıklanabilir. Büyük bir akım için bir iletim
hattı olan her bir ark spotu büyük bir manyetik alanın kaynağıdır ve bu alan
uygulanan bir dış manyetik alana benzer şekilde spotların çevresinde etkili
olmaktadır, dolayısıyla, yük durumlarının oranını da etkilemektedir. Buna ek olarak,
deşarj süresince ki ortalama iyon durumları, yaklaşık 100 μs sonra, maksimum bir
başlangıç değerinden kararlı bir duruma gelene kadar düşer. Bu ,yüzey kirliliğine ve
adsorbe gazların katot yüzeyinin elektronik özelliklerini etkilemesine bağlı olarak
mümkündür.
3.3.6.12. Spot Türleri
Yüzey kirlilikleri ve adsorbe gazlardan dolayı katodun iş fonksiyonundaki
değişimler, aynı katot materyali üzerindeki katot spotlarının çarpıcı şekilde farklı
özelliklerle gözlenmesini açıklamak için bir yöntem olarak ileri sürülmüştür.
Genelde spotlar tip 1 ve tip 2 spotları adı altında iki grupta sınıflandırılabilirler. Tip 1
spotları spot başına oldukça küçük bir akımla (<10 A) birlikte yüksek hız hareketi
(10-100 m/s) ve kısayaşam (<10 μs) süresiyle birlikte hatırlanır. Tip 2 spotları daha
düşük hız (~0.1 m/s), daha uzun yaşam süresi (~100 μs) ve 10 A’ den daha büyük
spot akımları sergilerler. Bu değerler bakır katotlar için belirtilmiştir. Tip 1 spotları
yüzey kirliliklerinin varlığına bağlanmıştır.
3.3.6.13. Tersinir Hareket
Katot spot hareket teorisinde çözümlenmemiş bir problem de, özellikle bir
manyetik alanda katot spotlarının gözlenen hareketini kapsamlı bir biçimde açıklama
yetersizliğidir. Basit katot spotları dış manyetik alanın yokluğunda katot yüzeyi
boyunca gelişigüzel bir hareket sergiler. Uygulanan bir dış manyetik alanın
varlığında spot davranışı biraz daha karmaşıktır. Elektromanyetik teori, bir manyetik
akı yoğunluğunun varlığında, B, bir elektrik akım yoğunluğunun, J, J×B gibi bir
kuvvete tabi olduğunu öngörür. Aksine, katot yüzeyine paralel bir dış manyetik
alanın varlığında (enine manyetik alan), katot spotlarının teoride beklenenin tersi bir
55
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
yönde hareket ettiği gözlenmektedir. Bu olgu tersine (retrograde) hareket olarak
belirlenmiş ve onu açıklamak için yapılan çok sayıdaki girişimler göstermiştir ki elde
edilen sonuçlar ya yetersizdir ya da çelişkilerle doludur. Tersinir hareketin vakum
odasındaki gaz basıncından etkilendiği gösterilmiştir. Arka plan basınç arttıkça,
tersinir hareket yavaşlamakta ve sonra kritik bir basınç değerinde tersine
dönmektedir.
Juttner ve Kleberg, enine manyetik alanlarda katot spotlarının hareketini ve
yapısını araştırmak için yüksek hızlı mikroskop kullanmışlardır. Onlar, Şekil 3.5 de
gösterildiği gibi, katot spotlarından tersinir yönde yayınlanan plazma jetlerine ait
kanıt bulmuşlardır. Katot spot hareketinin bu jetlerin yönünü takip ettiği
gözlenmiştir. Drouet tarafından, spot bölgesindeki plazmanın manyetik alan
tarafından karşıt kenarda hapsedildiğini ifade eden bir hipotez ileri sürülmüştür.
Plazmanın katot spotlarından kaynaklanan kuvvetler altında genişlemek için yetersiz
kalması, kararsız durum oluşması için hapsolmasına neden olur ve plazma jetleri
ortalama 5 km.s-1 hızla tersinir kenara doğru yayınlanır. Yüksek akım arkları katot
yüzeyinde eşzamanlı çoklu ark spotları sergilerler. Her bir spot katot yüzeyine
normal yönde bir akım taşır ve sonuç olarak enine bir manyetik alan üretir. Diğer
katot spotları akabinde tersinir hareket sergiler ve bütün spotlardan kaynaklanan
toplam alan spotlar arasında bir itici kuvvete neden olur. Yüksek akım ark spotları,
doğasına bağlı olarak arktaki toplam akıma ve yanma noktasından olan uzaklığa
orantılı bir hızla yanma noktasından dışarı doğru hareket eder.
56
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.5. Ark spotlarının aksi yönüne doğru ayrılan plazma jetlerinin görüntüsü
3.3.6.14. Plazma ve Makroparçacık Taşınması
Vakum ark depolama teknolojisinin, ileri teknoloji sıkı kaplamalarda
depolanan parçacıkların yüksek depolama oranı ve yüksek iyonizasyonuna bağlı
olarak diğer teknolojiler üzerinde üstünlüğü vardır. Vakum ark işlemlerinin önemli
avantajlarından birisi, katot materyalinden anlamlı bir miktarda enerjitik iyonların
oluşmasıdır. Vakum ark ile üretilen iyonlar çoklu yüklenmişlerdir ve kompleks
yüzeyli alt tabanlar üzerinde yoğun ve yapışık kaplama olması için optimum kinetik
enerjiye yakın (birkaç 10 eV) değerdedirler. Buna rağmen, bir vakum ark deşarjında
plazma üretimi daima makro parçacıkların bir akısını beraberinde getirir.
57
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Aynı zamanda katot spotunda da üretilen bu sıvı döküntüler ve katı kırıntılar
makro parçacıklar olarak bilinir.
Katottan yayınlanan makro parçacıkların çoğu 10-800 m/s oranlarında hızlara
sahip olup, başlangıçta hemen hemen katot yüzeyine paraleldirler. Makro parçacık
kütle akısının en büyük parçası birkaç mikron çapına sahip damlacıklar ile taşınır.
Makro parçacıklar plazma içinden geçtikçe plazma ile etkileşime girerler. En yavaş
ve en küçük makro parçacıklar, katot yayınımlı iyonların onların üzerine çarpmasıyla
oluşan basınç sonucu kendi radyal yörüngelerinden anoda doğru saptırılırlar. Ayrıca,
iyon akısı makro parçacıkları ısıtır ve en küçük ve en yavaş makro parçacıklar 20002600 K dolaylarındaki kararlı durum sıcaklığına ulaşabilirler. Bu sıcaklıktaki iyon
bombardımanı sonucu
oluşan
ısı
akısı
makro
parçacıkların
buharlaşmalı
soğutulmasıyla dengelenir. Makro parçacık buharlaştırma MCS arkın plazma
bölgesindeki gözlenen nötrallerin ilk kaynağı olduğu düşünülür. Buna rağmen,
makro parçacıklardan yayınlanan nötraller çok uzağa gitmeden önce iyonize
olacaklardır. Oluşturulan iyonlar bu nedenle başlangıçta makro parçacıkların yüzey
sıcaklığının karakteristik termal hızlarına sahip olacaklardır (800 m/s). Bu hız
katottan yayınlanan hızlarla kıyaslandığında yavaş sayılır. İyonlardan kaynaklı
makro parçacık üretim oranı, akım yoğunluğu ve makro parçacıkların yoğunluğunun
çarpımına bağlı olacaktır. Diğer taraftan, makro parçacıkların yoğunluğu katot
materyali ve geometrisine, deşarj akımına ve katot ısısal sistemine bağlıdır.
Plazma akısındaki makro parçacıklar depolanan tabakada kusurlar oluşturur.
Bu, özelliklede ince film kaplama durumunda tabakanın niteliğini düşürür. Eğer
yüksek kalitede opto elektronik film üretimi için plazma kaynakları kullanılacaksa bu
parçacıklar mutlaka çıkarılmalıdır. Bundan dolayı makro parçacıkların plazmadan
çıkarılması için basit ve etkili sistemlerin yaratılması önemlidir (Çetinörgü, 2007).
3.3.6.15. MP Filtresi Dizayn Kriteri
Katodik ark deşarjı tarafından üretilen iyon akısından makro parçacıkların
ayrılması veya eliminasyonu birçok araştırma çalışmalarının amacı olmuştur. Bir
makro parçacık filtrenin kullanımı dezavantajsız değildir. Filtreler genellikle dizayna
58
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
bağlı olarak etkili kaplama oranını belirli düzeylere kadar düşürürler. Bütün filtre
dizaynları ark kontrolünün temel sorunlarına hitap etmek zorundadır, örneğin; metal
iyonlarının filtrenin içinden taşınması ve kaynağı kaplanacak parçaların görüş
açısından korunması gibi. Bütün filtreler ayrıntılı kısıtlamalarla dizayn edilmesine
rağmen, onlar geometride önemli ölçüde birbirinden ayrılırlar. Bütün bunlara
rağmen, katottan kaplanacak alt tabana kadar iyonlara yön veren, filtrenin içinden
geçen manyetik olarak kısıtlanan elektron akısı ile üretilen elektrostatik alana
güvenmeliyiz. Bu, akı tüpü (flux tube) veya plazma optiksel model olarak
adlandırılır.
Yukarıda bahsedildiği gibi makro parçacık filtrenin içinden elektronların
akışı, iyonlara yön vermek için gerekli elektrostatik alanı üretir. Kullanılan manyetik
alan iyon yörüngelerini çok uzun süre etkilemek için yeteri kadar güçlü değildir,
fakat 5-20 mili teslalık alan elektronları kuvvetli bir şekilde etkiler. Elektronların
limitli çapraz alanlı hareketi sistem içinde elektrostatik bir potansiyelin oluşumuna
izin verir bu da iyonlara yön verir. Herhangi çapraz alanlı iletken yüzeyler, üretilen
potansiyelleri düşürecektir ve filtre içinden iyon taşınma verimini düşürecektir.
Uygun bir makro parçacık filtresi bu gerçekler akılda tutularak dizayn edilmelidir.
Filtreli bir kaynak, katottan alt tabana direk görüş hattına sahip olamamasına
rağmen, makro parçacıkların küçük bir kısmı sık sık alt taban üzerinde bulunabilir.
Bunları açıklayan iki teori şu şekilde olabilir; (i) makro parçacıklar odanın
duvarlarından seker, veya (ii) iyon akımı boyunca taşınırlar. Birkaç makro parçacık,
iyon çarpışmalarıyla alt tabana yönlendirilebilir olmasına rağmen, genelde baskın
süreç olarak duvarlardan sekme göz önüne alınır. Alt tabanı, seken makro
parçacıklardan korumak için genellikle saptırıcılar kullanılır. Saptırıcılar bütün
sekme yörüngeleri tekrar katota yönelecek şekilde dizayn edilmelidir. Yüksek erime
noktasına sahip malzemeler, damlacıkların oda duvarlarına katı bir parçacık gibi
vurmalarından dolayı çok güçlük ortaya çıkarırlar ve birkaç sekme yapabilirler. Bir
karbon ark katodundan ara sıra yayınlanan parlak parçacıkların oda yapısından çoğu
kez sektikleri gözlenmiştir. Örneğin bakır gibi düşük erime sıcaklığına sahip
metallere ait damlacıklar ilk temasta duvarlara yapışma eğilimindedirler ve sadece
görüş açısı bloğu gerektirir.. (Boxman, 1995)
59
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.3.6.16. Manyetik Filtre Çeşitleri
Filtreli katodik vakum ark depolama tekniği, araştırma gruplarının son
yıllarda dünya çapında artmasıyla, farklı dizaynların gelişimine yol açan detaylı
araştırma altında bulunmaktadır. Manyetik makro parçacık filtreleri genelde kapalı
veya açık olmak üzere iki gruba ayrılır. Kapalı yapı filtreleri manyetik alan
sarımlarıyla çevrelenmiş boru ile karakterize edilir. Makro parçacıkların borunun
duvarlarına yapışması veya borunun içine yerleştirilmiş saptırıcılar ile tuzaklanması
amaçlanır. Açık filtreler için, makro parçacıklar, borusuz serbest manyetik alan
sarımlarına
bağlı
olarak duvarlara
yapışmaksısızın
solenoidin sarımlarının
içerisinden geçerek plazma taşıma bölgesinden uzaklaşırlar. Açık yapı filtreleri
atmalı çalışanlar için tercih edilirken, kapalı filtreler genellikle, dc filtreli katodik
vakum ark (Filtered Cathodic Vacuum Arc-FCVA) çalışanlar için tercih edilir.
Halihazırda, endüstriyel uygulamalardaki filtrelerin çoğu kapalı yapıdadır.
Bir çok filtre çeşitleri vardır. Düz bir filtrenin amacı filtrenin içinden geçen
plazma akısının verimliliğini geliştirme üzerine temellenmişken, alt tabana ulaşan
makro parçacık sayısında bir artış meydana gelmektedir. Teorik modeller ve
deneysel çalışmaların her ikisi de, eğimli filtreyle kıyaslandığında düz filtrenin
genelde daha çok plazma taşıdığını göstermiştir. Buna rağmen, makro parçacıkların
çıkarılması katot ve alt taban arasındaki direk görüş alanına bağlı olarak
sınırlandırılır. İnce film depolama için, örneğin 20° ve 40° gibi düşük eğim açısına
sahip başka filtreler dizayn edilmiş ve bu filtreler kullanılarak film içerisinde makro
parçacık içeriğinin önemli ölçüde düşürüldüğü gösterilmiştir. Buna rağmen, plazma
taşıma verimliliğinin düz filtreye kıyasla daha düşük olduğu bulunmuştur.
Literatürde tanımlanan çeşitli filtre dizaynları arasından en yaygın kullanılan
filtre dizaynı Şekilde 3.6 da gösterildiği gibi 90 ° eğimli manyetik filtredir. Bazen bu
çeyrek manyetik torus olarak da adlandırılır. Boru filtre, eğimli bir eksensel alan
üreten manyetik alan sarımlarıyla çevrelenmiş 90 ° eğimli bir tüpten (boru) meydana
gelmektedir. Çoklu yansımalarla parçacık taşımasını düşürmek için boru kısmının
içine saptırıcılar yerleştirilir. Boruya ön gerilim uygulamak plazma taşınmasını ve
filtre verimliliğini geliştirebilir. Bu, FCVA tekniğinde çok yaygın kullanılan
60
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
manyetik filtre arasında olup, ince film depolamada ve diğer plazma araştırmalarında
yaygın bir şekilde uygulanmaktadır.
Şekil 3.6. 90o eğimli filtrenin şematik gösterimi
Aynı zamanda, makro parçacıkları çıkarmak için diğer bir çare olarak S
şekilli manyetik filtre geliştirilmiştir. Şekil 3.7 de gösterildiği gibi, filtre gövdesi bir
S şeklinde eğilmiş metal bir körükten meydana gelmektedir. Filtre plazma kaynağına
bağlanır ve plazma katot etrafındaki yalıtkan bir yüzey üzerinde yüksek bir voltaj
sparkıyla tetiklenir. Kaynak, anot etrafında odaklı bir solenoid ile donatılır. Optimum
manyetik alan konfigürasyonu ve filtre duvar potansiyelinde, bu çeşit filtrenin toplam
çıkışı giren iyon akımının % 6’ sı civarındadır. 90 ° filtreyle kıyaslandığında daha
düşük makro parçacık içeriğine sahip olduğu gösterilmiştir.
61
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.7. S-Şekilli manyetik filtre (Tay ve ark, 2006)
Manyetik filtrenin diğer bir çeşidi de aynı zamanda kapalı yapı dizaynı olan
düzlem dışı duble eğimli (OPDB) filtre olup çeşitli araştırma gruplarınca yaygın
olarak kullanılmaktadır. Bu filtre Şekil 3.8. a ve b’ de gösterildiği gibi üç geçit
parçadan ve iki torustan meydana gelmektedir. Bu iki torus da istenen açıda
hazırlanmış 90° eğimlidir. Birinci ve ikinci torusun açısı, sırasıyla, 65° ve 45°’ dir.
Boru, elektriksel olarak plazma kaynağından izole edilmiştir ve bağımsız olarak
öngerilim uygulanabilir. Langmuir akımından ve depolama problarından elde edilen
sonuçlar, bu filtrenin 90° eğimli basit filtreyle kıyaslandığında daha düşük makro
parçacık sayısıyla birlikte daha iyi geçirme verimliliğine sahip olduğunu
göstermiştir. OPDB FCVA sistemi Şekil 3.8. c’ de gösterildiği üzere, katodik ark
plazma, plazma filtreleme borusu ve depolama odacığından meydana gelmektedir.
Katodik vakum ark kaynakları beş parçadan oluşmaktadır: güç kaynağı, ark
tetikleyicisi, katot, su soğutmalı katot tutacağı ve katot ark spotlarının hareketini
62
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
kontrol etmek için manyetik sarımlar. Diğer filtrelere benzer şekilde, halka şekilli
solenoid filtre dışarıdan bakır sarımlarla sarılmış paslanmaz çelik çeyrek bir torusdan
meydana gelmektedir. Plazma halka şeklindeki eğrisel manyetik alan ile hapsedilir
ve yönlendirilir. Saptırıcıların bir seti makro parçacık filtreleme verimliliğini
arttırmak için ilaveten rol oynar. Bu sistem, farklı alt taban sıcaklıklarında yada
negatif atmalı veya dc ön gerilimin her ikisin de de ince filmlerin depolanmasına
ekstra esneklik kazandırmıştır. Çok çeşitli katodik ark plazma kaynakları dizayn
edilmiş olup, bunlar özel uygulamalara bağlı olarak çeşitli büyütme işlem şartlarında
çalışırlar. Bir katot kaynağındaki hedefin tipik çapı 60 mm ve kalınlığı yaklaşık
olarak 30 mm dir. Bu katodik ark dc modunda çalışır. Örnek olarak, 4ʺ OPDB filtre
kullanarak karbon kaynak alalım. Filtreden geçen maksimum plazma taşınmasının,
yaklaşık 20 V civarındaki pozitif bir öngerilimde sağlandığı bulunmuştur. Geçirme
verimliliği, manyetik alan kuvvetiyle birlikte artmakta ve 30 mT’ da doyuma
ulaşmaktadır. OPDB filtresinin optimum ark akım çalışma şartı 90 A’ lik yüksek bir
değerdedir.
OPDB
ile
ticari
FCVA
filtresi
halihazırda
endüstri
ve
araştırma&geliştirme uygulamalarında kullanılmaktadır.
Kapalı yapı dizaynındaki saptırıcı yüzeylerden elastik yansıma gerçekleşmesi
nedeniyle, serbest veya açık yapı filtreleri dizayn edilmiştir. (Şekil 3.9), Bu filtrelerin
dizaynı makro parçacıkların azaltılması fikrine dayanır. Aksi taktirde boruya gerek
yoktur ve eksensel manyetik alan manyetik alan sarımlarının birkaç tur
döndürülmesiyle üretilir. Parçacıklar manyetik alan sarımlarının arasındaki
açıklıklardan geçerek filtreyi terk eder veya sarımlara çarpar. Bir serbest S filtresi,
plazma konumunun ve çeşitli parametrelerin bir fonksiyonu olarak yoğunluğun
görüntülenmesi için depolama problarının kolayca yerleştirilebilmesine imkan tanır.
(Tay ve ark, 2006).
63
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.8. Diyagram (a) ve fotoğraf (b) bir duble eğimli düzlem sapmalı (off-plane)
filtreye aittirler ve (c) bir duble eğimli düzlem sapmalı filtreyle donanmış
FCVA sisteminin şematik gösterimi. Duble eğimli düzlem sapmalı filtreye
bir kenardan bakıldığında iki boyutlu Şekilde 90°eğimli bir filtre gibi
göründüğü not edilmelidir (Tay ve ark, 2006)
64
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.9. Yukarı kısmı 90° ve dip kısmı S şekilli serbest manyetik filtre (Tay ve ark,
2006)
65
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.3.6.17. Bir Depolama Tekniği Olarak Filtreli Katodik Vakum Ark
Bir FCVA sistemi az veya hiç makro parçacık olmaksızın filmlerin
depolanmasına elverişlidir. Depolanan metal türlerinin özden enerjileri yeteri
derecede yüksek olduğundan dolayı kolonlu büyütme baskılanır. Böylece filmin
kendi yoğunlaşması ortaya çıkar ve bu da alt taban ısıtma gereksinimini ortadan
kaldırır. Alt taban üzerine gelen iyonların kinetik enerjileri alt taban üzerine bir
öngerilim uygulanarak değiştirilebilir. FCVA sistemi, aynı zamanda, dikkatli dizayn
edilmiş rasterleme ve iyon demetlerinin (plazma) kontrolü ile düzgün geniş alanlı
kaplamalar depolamak için elverişlidir. Örneğin, kimyasal buhar depolama, sprey
piroliz ve atomik tabaka depolama gibi diğer tekniklerle kıyaslandığında, FCVA
orijinal malzeme kaynağından başka hiçbir kirliliğe sahip değildir. FCVA’ nın
çalışması alt taban üzerinde ikincil ürün olmama ek avantajıyla birlikte kompleks
süreçler içermeyen iyon demeti depolama esasına dayanır. Bunun yanında, kullanılan
malzemeler inorganiktir ve bundan dolayı reaksiyonlar sonucu atık toksik
malzemelere sahip olma olasılığı çok düşüktür.
Uygun fiziksel buhar depolama teknikleriyle depolanan ince filmlerin
özellikleri çoğunlukla bulk malzemeye bağlıdır. Filmler düşük paketleme
yoğunluğuna, düşük mikro sertliğe ve bir çok durumda alt tabana zayıf yapışmaya
sahip olabilirler. Bu kusurların çoğu, film büyütme süresince alt tabana ulaşan
depolanan atomların enerjilerinin direk bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır.
Gözenekli film oluşumu, mekaniksel streste bir düşmeye ve dielektrik optiksel
filmlerde de yansıma indisinde bir düşmeye yol açar. Bu durum, ulaşan atomların
enerjilerinin direkt olarak (termal buharlaştırmadan ziyade söktürmeyle) veya dolaylı
olarak (büyüyen filmin daha enerjitik parçacıklarla bombardımanıyla) arttırılmasıyla
kesin bir şekilde düzeltilir. FCVA sisteminde depolanan türlerin kinetik enerjilerinin
yüksek olması bu durumu ortadan kaldırır. FCVA, malzemenin minimum yer
değiştirme enerjisinden daha büyük olan depolanan iyonların yüksek özden
enerjisinin bir sonucu olarak mükemmel yapışma ve yüksek yoğunluk içeren süper
karakteristikli kaplamalar üretir. Bu teknik, bugünlerde metaller, alaşımlar ve
bileşiklerin depolanması için iyon bazlı teknik olarak kullanılmaktadır.
66
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Katot malzemesinden yüksek enerjili iyonların oluşması katodik ark
işlemlerinin önemli avantajlarından birisidir. Bu, kaplamayı oluşturan depolanan
atomların öncelikle nötral olduğu, örneğin magnetron söktürme, elektron demeti
buharlaştırma gibi diğer fiziksel buhar depolama tekniklerinin aksinedir. Çoğu
durumlarda, katodik ark ile üretilen ürünler çoklu yüklüdürler ve kompleks yüzeyler
üzerinde yoğun ve yapışkan tabakalar oluşması için neredeyse optimal kinetik
enerjiye sahiptirler. Plazmadaki yüksek iyonizasyon derecesi (genellikle 100 %’ e
yakın), büyütme yüzeyinde depolanan iyonların çarpma enerjilerinin elektrik alan
kullanarak kolayca kontrol edilebilmesi anlamına gelir. Örneğin, alt tabana bir
öngerilim uygulayarak depolanan türlerin enerjileri arttırılabilir ve film morfolojisi
ve yapısı en uygun hale getirilebilir (Tay ve ark, 2006).
3.3.6.18. Filtreli Katodik Vakum Ark daki Son Gelişmeler
FCVA sisteminin gelişiminde ortaya çıkan birçok zorluk vardır. Örneğin,
filtre borusunun çıkışındaki özden gausiyan veya neredeyse gausiyan iyon yayılım
dağılımına bağlı olarak iyi homojenlikte geniş alan kaplamasını başarmak zordur.
Geniş bir alan boyunca iyi bir homojenlik sağlamak için, bir manyetik çember
biçiminde kalıcı bir magnetler dizisine sahip olmak çözümün bir parçası olarak
görülebilir. Başka bir yaklaşım ise demeti doğal olarak genişletmek için mekanik
taramayı kullanmak ve plazma bölgesinin sadece merkezini kullanmaktır.
Son on yıl boyunca, düzlem dışı duble eğimli FCVA’ nın performansını
geliştirmek için bir çok çaba sarf edilmiştir. Depolama odasını kalıcı bir şekilde
yüksek vakumda tutmak için başka yük kilitli oda eklenmiştir. Daha etkili bir alt
taban taşıma mekanizmasına sahip olmanın yanında, bu ara oda, alt taban temizliği
için iyon demeti dağlama yeteneğini içeren bağımsız bir sistemdir. Bu ,özellikle,
ticari ve endüstriyel uygulamalar için faydalıdır. Depolama süreçleri ve büyütme
parametrelerinin her ikisi de amaçlanan yazılım programıyla görüntülenir ve kontrol
edilir. Doğru uygulamalara bağlı olarak, katot kompozisyonu, alt taban sıcaklığı, oda
basıncı, gaz akış oranı ve alt taban öngeriliminin bağımsız kontrolü ile depolanan
filmlerin özelliği sistem tarafından optimize edilebilir. Filtre borusunun plazma
67
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
çıkışına manyetik tarama sisteminin yerleştirilmesiyle film homojenliği ve depolanan
alan fark edilebilir. Odaklanmış demet spotu bu program tarafından kontrol edilen
değişken 2D manyetik tarama alanıyla yönlendirilir ve bu da araştırmacıların geniş
alt taban alanı (8” e kadar) boyunca mükemmel kalınlık kontrolüyle (%±2) ince
filmler elde etmesine imkan tanır
Çok kaynaklı FCVA sistemi çok tabakalı kaplamalar için dizayn edilir.
Burada her bir katodik kaynağı kendi bağımsız duble eğimli filtreye sahiptir. Bu,
uygulamaya bağlı olarak, tek tabaka kaplamaları veya çok tabaka kaplamaları
depolanmasında esneklik sağlar. Bu, tarama kabiliyetiyle birleştirilirse, FCVA,
düzgün kalınlık ve kapsamla birlikte ince filmlerin veya çok tabakalı kaplamaların
sentezlenmesine olanak sağlar. Ti, Al, Zr, Zn, Zn/Al, Hf ve çeşitli metal alaşımlarıyla
birlikte elmas benzeri karbon filmler gibi farklı element ve bileşiklerden oluşan katot
kaynakları, yüksek kalitede filmler sağlamak için başarıyla kullanılmıştır. Metal oksit
gibi ince filmlerin elde edilmesi için FCVA sisteminin içerisine reaktif gaz ilave
edecek yeni bir sistem kullanılmaktadır. Burada sistem içerisine gaz girişi filtre
borusunun uzunluğu boyunca uzun içi boş bir bakır tüp ile sağlanır. Reaktif gazın
odanın içerisine akmasına izin vermek için, tüpün duvarlarına küçük holler açılır. Bu
metodu kullanarak, bütün filtre eğimi boyunca reaktant gaz ile ark plazmanın
maksimum etkileşmesi hedeflenmiştir. Nötral oksijen gazı ile ark plazma arasındaki
etkileşim, türler arasındaki yük değiş tokuş süreçleri olduğu kadar enerji dönüşüm
süreçleriyle de yakından ilişkilidir. Bu yolla, reaktif olmayan gazı iyonlaştıracak
daha etkili bir teknik, filmlerin içierisine oksiyenin daha iyi nüfus etmesine izin
verebilir. (Tay ve ark, 2006).
3.3.6.19. Motivasyonlar
FCVA, diğer oksit oluşturma teknikleriyle kıyaslandığında, depolanan materyallerin
yüksek iyonizasyonu ve özden yüksek iyon enerjisi gibi birçok karakteristik
özelliklere sahiptir. Bu da, mükemmel film özellikli materyallerin oda sıcaklığında
üretilmesine olanak sağlar. FCVA sistemi, aynı zamanda depolama odasındaki
reaktif gaz basıncı gibi depolama işlem parametrelerinin ayarlanmasında esnekliğe
68
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
sahiptir. Aslında bu sistem değişken bileşim oranlarıyla birlikte alaşım filmler
depolamaya elverişlidir. Buna rağmen, bir reaktant gaz ile birlikte iki veya daha fazla
katodik ark kaynaklarının eşzamanlı işletilmesiyle, birden fazla metal türü içeren
oksitlerin depolanması muhtemeldir. Bu süreç, alt tabana ulaşan metal iyonlarının
çarpma enerjilerinin değişmesine izin verir ve bu nedenle film özelliklerinin olduğu
kadar, film-alt taban ara yüzeyinin her ikisini birden modifiye eder. Reaktif gazın
girişi, çeşitli oksit, nitrür ve karbür içerikli alaşım film kaplamalarına izin verir. Aynı
zamanda bulk özellikli ince filmler depolamak muhtemeldir. FCVA ile depolanan
film özelliklerinin, kırılma indisi ve sönüm katsayısı açısından, örneğin, metal
oksitlerin iyon demeti yardımlı depolanması gibi diğer tekniklere kıyasla tercih
edildiği düşünülmektedir. Açıkça, FCVA sisteminin umut verici özellikleri optiksel
uygulamalar ve diğerleri gibi ileri uygulamalar için bizi metal oksit ince filmleri
keşfetmeye doğru sürüklemektedir (Tay ve ark, 2006).
3.4. Yarıiletkenlerde Temel Soğurma
3.4.1. Bantlararası ve Safsızlık Soğurması
Bir yarıiletkenin bant yapısını araştırmak için en direk ve muhtemelen en
basit yol malzemenin optiksel soğurma spektrumunu ölçmektir. Bundan dolayı,
malzemelerin karakterizasyonunda verinin ölçülmesi ve yorumlanması önemli bir rol
oynamaktadır. Bu süreçte, daha düşük durumdaki bir elektron bir foton soğururarak
daha yüksek bir duruma yükseltilir. Yarıiletkenler bantlara sahip olduğundan dolayı,
ilk durum ya da ikinci durum veya onların her ikisi de bantlarda bulunabilir. Bazı
durumlarda, ilk veya son durum bir safsızlık durumuna denk gelen ayrı bir enerji
düzeyi olabilirken, diğeri bir bant durumu olabilir.
Şimdi bir elektron ve tek fotonu içeren süreçleri göz önüne alalım. Bant
diyaframlarının gerçek ve ters uzayda tarif edildiği Şekil 3.10’ da ki belirtilen
süreçleri göz önüne alalım. Şekil 3.10’ da belirtilen en önemli süreç temel soğurma
olarak adlandırılır ve bu durumda valans bandındaki bir elektron iletim bandına bir
geçiş yapar. Bu sürece bağlı olarak soğurma katsayısında önemli bir artış vardır.
69
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Keskin bir eşik oluşmamasına rağmen, bu artış foton enerjilerinin bant aralığına
yakın küçük bir oranında olur. Buna ek olarak, alt bantlararası soğurma süreçleri
vardır ve bunlar (a) iletkenlik bantarası soğurma (süreç 2) ve valans bantarası
soğurma (süreç 3) olarak sınıflandırılabilirler. Şekil 3.10.b’ de direkt bant aralığına
sahip bir materyalin E-k diyagramı örneklendirme için tarif edilmiştir. Buna rağmen
aynı süreçler dolaylı bant aralığına sahip materyallerde de ortaya çıkmaktadır.
Şekil 3.10. Yarıiletkenlerdeki farklı soğurma süreçleri (a) gerçek uzay ve (b) karşıt
uzay: (1) bantdan banda (2) iletkenlik bant arası (3) valans bant arası (4)
vericiden iletkenlik bandına (5) alıcıdan valans bandına (6) valans
bandından vericiye (7) alıcıdan iletkenlik bandına ve (8) vericiden alıcıya
geçişler. (Basu, 1997)
Safsızlık geşişleri arasında en fazla vurgu safsızlık-safsızlık süreçlerinden
ziyade bant-safsızlık geçişlerine yapılacaktır. Dört çeşit geçiş olabilir: (a) vericiden
iletkenlik bandına (süreç 4), (b) alıcıdan valans bandına (süreç 5), (c) valans
bandından verici düzeye (süreç 6) ve (d) alıcıdan iletkenlik bandına (süreç 7).
Safsızlık arası geçişe bir örnek (vericiden alıcıya) Şekil 3.10’ da gösterilmiştir. (süreç
70
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
8) Bütün bu süreçler aynı zamanda da dolaylı bant aralığına sahip malzemelerde
mevcuttur.
Burada basit bir elektron yaklaşımı kullanılacaktır. Örnek verilecek olursa,
iletkenlik bandında sadece bir elektron ve valans bandında da bir boş durum (deşik)
olacak ve bu parçacıklar arasında da etkileşim olmadığı akılda tutulacaktır. Buna
rağmen, yarıiletkenlerin soğurma spektrumu özellikle de düşük sıcaklıklarda,
elektronlar ve deşikler arasındaki coulomb çekimi göz önüne alındığında
açıklanabilecek davranışları açığa çıkarır. Elektron deşik bağlı çifti eksiton olarak
bilinir ve ileride bahsedilecektir. İlk durumun ve son durumun her ikisinin de aynı
bantta olduğu soğurma süreçleri serbest taşıyıcı soğurması olarak adlandırılır. Burada
geliştirilen teori, yüksek sıcaklıkta ve eksitonik etkilerin çıkarıldığı taşıyıcıların
varlığında uygulanabilir. (Basu, 1997).
3.4.2. Soğurma ve Kazancın Temel Teorisi
Radyasyon alanı ve manyetik vektör potansiyeli açısından ifade edilen
elektronik sistem arasındaki etkileşim enerjisinin en genel formunu göz önüne
alalım. Dolayısıyla, bir elektron yaklaşımı altında;
= −
∙
(3.6.)
yazabiliriz. Burada A aşağıdaki ifadeyle verilir.
= ∑
=
{
ℏ
exp(−
+
∙ )+
⁄
exp (
−
∙ )}
(3.7)
(3.8.)
Eğer ilk ve son durum dalga fonksiyonları, sırasıyla, | > ve | > olarak ifade
edilirse, soğurma oranı,
71
3.MATERYAL VE METOD
=
∑
ℏ
,
Necdet Hakan ERDOĞAN
|< | | > |
şeklinde ifade edilebilir. Burada,
(
−
),
(3.9.)
üzerinden toplama fotonların modları üzerinden
toplama anlamına gelir.
İlk ve son durum dalga fonksiyonlarının her biri, elektron dalga fonksiyonu
ve foton dalga fonksiyonunun bir çarpımıdır ∏ |
exp (−
)’ yı içeren ilk terim ve
>. Denklem 3.7’ de ki
oparatörü soğurmaya karşılık gelir ve
dalga fonksiyonu üzerindeki oparatörü ( )
⁄
’ nın
terimini verir. Benzer bir şekilde,
operatörü (
denklem 3.7’ de ki ikinci terim yayınıma karşılık gelir ve
terimini verir. Denklem 3.9’ da ki delta fonksiyonunda ortaya çıkan
+ 1)
ve
⁄
enerjileri ilk ve son durumun toplam enerjileridir. Dolayısıyla, bir durumun enerjisi
tek bir elektronun ve fotonların enerjilerinin toplamıdır. O halde;
=
yazabiliriz.
+
ℏ
(3.10.)
fotonlarının varlığında foton soğrulması gerçekleşirse, bir elektron
düşük bir elektron durumundan |1 > , daha yüksek bir duruma |2 > geçer.
Dolayısıyla;
=
+
ℏ ,
=
+(
− 1)ℏ
yazılabilir. Bu geçişte, bir elektron ve radyasyon alanı arasında enerji değiş tokuşu
vardır ve bu süreçte enerjinin korunumu delta fonksiyonu açısından ifade edilebilir.
Geçiş oranı aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir.
=
ℏ
∑ ∑
,
−ℏ )
ℏ
|< 2| exp(
Yayınım oranıda;
72
∙ )
∙ |1 >|
(
−
(3.11.)
3.MATERYAL VE METOD
=
ℏ
∑ ∑
1) (
Necdet Hakan ERDOĞAN
ℏ
,
−
|< 1| exp (
+ℏ )
∙ )
∙ |2 >| (
+
(3.12.)
şeklinde yazılabilir. Denklem 3.12 de, uyarılmış ve doğal yayınım oranlarının her
ve 1 ’ ya orantılı olmaktadır.
ikisi birleştirilmiştir. İlgili değerler
ve A’ nın
sıfıra yaklaştığı limit durumunda, soğurma ve uyarılmış yayınım işlemlerinin
değerleri yok olur. Diğer bir taraftan, doğal yayının her zaman mevcuttur. Aşağıdaki
şu sembolleri kullanacağız;
=|< 2| exp(
=|< 1| exp(
∙ )
∙ )
∙ |1 >|,
∙ |2 > |.
(3.13.)
Denklem 3.10 ve 3.11 istatistik göz önüne alınarak değiştirilebilir.
meşgul olma olasılığı ve
′
, j. durumun
’ de aynı durumun boş olma olasılığı olsun. Dolayısıyla
geçiş oranının hesaplanmasında, ilk durumun meşgul son durumun da boş olma
olasılığı çarpma faktörü olarak içerilmelidir. İlk durumdan |1 >, son duruma |2 >
foton soğrulması için denklem 3.11
yayınım için de denklem 3.12
(1 −
(1 −
) ile çarpılmalıdır. Benzer şekilde,
) ile çarpılmalıdır. Soğurma ve uyarılmış
yayınım için matris elemanlarının eşit olması gerçeğini kullanarak, örneğin,
, ve oranların her ikisinin de
=
ile orantılı olduğu göz önüne alınarak, uyarılmış
süreçlerin net değeri, istatistiksel faktörlerin farkını aşağıdaki gibi alarak ifade
edilebilir.
=
ℏ
∑ , |
| (
−
)
(
− ℏ )
(3.14.)
Soğurma katsayısı ile net soğurma oranı arasında ilişki kurmak şimdi faydalı
olacaktır. Foton akısı F, aşağıdaki denklemde ifade edildiği gibi malzeme içindeki x
uzaklığıyla azalacaktır.
73
3.MATERYAL VE METOD
( )=
Necdet Hakan ERDOĞAN
),
exp(−
(3.15.)
= 0 daki akıdır. Yayılma yönündeki birim uzaklık başına foton
Burada , ,
akısının azalmasının oranı olarak tanımlanan soğurma katsayısı;
=−
,
olarak yazılabilir. Foton akısı süreklilik denklemine uyar;
∇∙
+
= 0,
Bir boyutta, ∇ ∙
⁄
=
.olarak verilir. Foton sayısının değişiminin net oranı, net
değeriyle ilişkilidir. Bundan dolayı;
=−
=
=
olur. Burada
=
,
, ve
(3.16.)
enerji akı hızı olmaktadır.
kırılma indisidir. Bu durumda soğurma katsayısı;
=
ℏ
∑
,
|
⁄
|
(
−
) (
− ℏ )
= ⁄ , yazalım. Burada
(3.17.)
olarak yazılabilir.
3.4.3. Direkt Bant arası Soğurma
Biz şimdi direkt bant aralığına sahip bir yarıiletkende soğurma spektrumunu
hesaplamak için yukarıda elde edilen formüle başvuracağız. Şekil 3.10’ da
gösterildiği gibi, böyle materyallerde valans bandının maksimumu ve iletkenlik
74
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
bandının minimumun her ikisi de brillouin bölgesinin merkezinde ortaya çıkar (Basu,
1997).
3.4.4. Mutlak Sıfırda Soğurma
Biz ilk olarak valans bandının tamamıyla dolu ve iletkenlik bandının
tamamıyla boş olduğu mutlak sıfır sıcaklıkta uygulanabilir en basit modeli alacağız.
İlk önce sadece basit bir valans bant göz önüne alınır. Elektron ve deşiklerin her iki
sininde sayısal etkin kütleye sahip olduğu ve E-k ilişkisinin parabolik olduğu
varsayılır.
Şimdiki durumda, elektronun son durumu iletkenlik bandında daha üst
durumda |2 > iken, ilk durumu valans bandında daha düşük durumdadır |1 > .
|1 > ve |2 > durumlarının her ikisi de bir Bloch fonksiyonudur ve aşağıdaki
gibi ifade edilebilir.
|1 >=
|2 >=
Burada
(
(
, )exp (
, )exp (
ve
∙ )=|
>,
∙ )=|
>,
(3.18.)
sırasıyla, P-benzeri ve S- benzeri atomik karakterlere sahip
olan dalga fonksiyonlarının hücre-periyodik kısmıdır.
valans band elektronunun,
dalga vektörüne sahip bir
dalga vektörüne sahip bir fotonu soğuarak
dalga
vektörüne sahip bir iletkenlik band durumuna alındığı varsayılır.
Soğurma katsayısı
(ℏ ), özel bir foton enerjisinde ℏ , denklem 3.17
kullanılarak hesaplanılabilir. Denklemde ortaya çıkan
edilebilir.
=<
|exp(
∙ )
∙ |
>,
75
, aşağıdaki gibi ifade
3.MATERYAL VE METOD
∗
=∫
)]
(
Necdet Hakan ERDOĞAN
, )exp(−
∙ )
(
∙ )
(
∙ [
, ) exp(
∙
(3.19.)
Tüm kristal üzerinden alınan integral, ilk önce, yalnız birim hücre üzerinden
kısmi integrasyonlara bölünür. Her bir hücreden katkı, Şekil 3.11 a’ da gösterildiği
üzere, hücre periyodik kısmı U’ nun ve düzlem dalga kısmının değişimlerinin
doğasının önemsenmesiyle tahmin edilir. Periyodik potansiyel Şekil 3.11 (a)’ da
gösterilirken, bir boyutta elektronik dalga fonksiyonunun şematik bir ifadesi Şekil
3.11 (b)’ de gösterilmektedir. Öz değer, Şekil 3.11 (c)’ de gösterilen hücre periyodik
ve Şekil 3.11 (d)’de ki gibi bir düzlem dalga exp (
kısmı
∙ )’ nin ürünüdür.
Hücre periyodik kısmı çabuk bir şekilde değişmekte olup, atomun sadece yakın
korunda sezilebilir değerlere sahiptir. Aksine, düzlem dalgalar, k küçük olduğundan
dolayı bir çok birim hücre üzerinden yavaşça değişir. Dolayısıyla, denklem 3.19 ile
ifade edilen integrali l inci birim hücre üzerinden hesaplarken, üstel fonksiyonlar
exp (
∙
) ile yer değiştirilerek integralin dışına alınır. Burada,
, l inci hücrenin
konum vektörüdür. Aynı zamanda p nin diferansiyel operatör olduğunu dikkate
alırsak, denklem 3.19’ u tüm kristal hacmini göz önüne alarak aşağıdaki gibi yeniden
yazabiliriz.
=∫ü
∑
(
∗(
, )
+
−
∙[
)∙
(
, ) + ℏ( )
76
(
, )]
×
(3.20.)
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.11. Yarıiletkenlerdeki Bloch fonksiyonlarının şematik temsili: (a) periyodik
potansiyel (b) dolu dalga fonksiyonu (c) hücre periyodik kısmı
ve (d)
düzlem dalga kısmı. (Basu, 1997)
Son terim sadece
+
−
=N
= 0, 1, 2, …,
,
77
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
olduğu zaman sıfırdan farklıdır. Burada
vektörüdür.
ve
bir sayıdır ve
karşıt bir örgü
’ nin her ikiside birinci brillouin bölgesinde bulunduğundan
dolayı, şunu yazabiliriz;
=
+
,
Yukarısı, elektronlar için dalga sayısı korunum (veya momentum korunumu) şartını
temsil eder.
Fotonla ilişkili
,
ve
ile kıyaslandığında çok küçüktür. Dolayısıyla, iyi
= 0 yazabiliriz ve korunum ilişkisini;
bir yaklaşıklıkla,
=
(3.21)
şeklinde ifade edebiliriz. Dolayısıyla, geçiş, elektron k-vektörünün korunumuyla
birlikte gerçekleşir. Böyle bir geçiş, Şekil 3.12’ deki E-k diyagramında düşey bir ok
ile gösterilmektedir. Biz şimdi
=
,
,
∫
ℏ
∗(
∫
, )
∗(
∙
, )
(
(
, )
, )
+
,
ve buradan da
=
,
[
+
]
(3.22)
ilişkisini yazabiliriz. Burada k-korunumunun önemli olduğunu varsayıyoruz. Şimdi,
k=0 da,
ve
’ nin ortagonalliği denklem 3.22’ de ki ikinci terimi sıfır yapar.
Yukarıdaki denklemdeki üst indisler a ve f , sırasıyla, “izinli” ve “ yasaklı” geçişleri
işaret eder. Olağan durum altında izinli geçişler yasaklı geçişlere ağır basar. Buna
rağmen, simetriye bağlı olarak,
’ nin yok olması durumunda, ikinci terim geçiş
olasılığını belirler.
78
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.12 E-k diyagramında direk optiksel geçiş için k’ nın korunumunu açıklayan
düşey geçiş. (Basu, 1997)
Şimdi dikkatimizi izinli geçişlere çevirelim ve matris elemanının k’ dan
bağımsız olduğunu varsayalım. Üst indis a’ nın düşürülmesiyle aşağıdaki denklemi
elde edebiliriz.
(ℏ ) =
ℏ
(
)
|
|
∑
,
[ (
)− (
Burada, denklem 3.17’ de ki, 1, 2 üzerinden toplama,
)−ℏ ]
ve
(3.23)
,
üzerinden toplama ile
değiştirilmiştir. Doluluk olasılığı f ve boş düzeyleri bulma olasılığı
′
, mutlak sıfır
sıcaklıkta birime ayarlanır. < > sembolü, ışık dalgalarının rastgele polarizasyona
sahip olduğu varsayıldığından dolayı momentum matris elemanının karesinin
ortalama değerini belirtir. Denklem 3.23’ de momentumun korunumunu temsil eden
Kronecker deltanın varlığı,
ve
üzerinden olan duble toplamayı sadece
79
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
üzerinden tek bir toplamaya düşürür. Şimdi, ∑ → (2 ⁄8
kullanılarak, toplama bir integrasyona dönüştürülebilir. Bu durumda,
=∑
ℏ ]
)− (
[ (
)−ℏ ] = (
)
∫4
[ (
)∫ 4
)− (
,
)−
(3.24)
eşitliği elde edilir. Parabolik bant yaklaşımı altında
(
)=
(
)=−
+
ℏ
,
(3.25 a)
ℏ
(3.25 b)
yazabiliriz. Dirac
+ (ℏ
fonksiyonu,
indirilmiş kütle olarak bilinir ve
=
⁄2 ) − ℏ
halini alır ve burada
+
(3.26)
ile verilir. İntegral,
’ nin
(
)’ ye dönüştürülmesiyle ve
kullanılmasıyla hesaplanır. Denklem 3.8’ de verilen
(
(ℏ ) =
) ⁄
ℏ
(ℏ −
halini alır. Denklem 3.27’ de ki < |
)
⁄
<|
fonksiyonun
ifadesi kullanılarak
| >
(3.27)
| > , valans ve iletkenlik bantlarındaki Bloch
durumları arasındaki geçişler için karesi alınmış matris elemanının ortalamasıdır.
Burada,
;
=∫
ile verilir. < |
∗
( )
( )
,
| > ifadesi polarize olmamış ışık için kullanılır ve
80
3.MATERYAL VE METOD
<|
| >=
(
(
Necdet Hakan ERDOĞAN
Δ)
(3.28)
Δ⁄ )
ile verilir. Yukarıdaki tartışma boyunca, sadece izinli geçişler gözönüne alınmıştır.
Bazı durumlarda, kuantum seçim kuralları, k=0 da ortaya çıkan direkt geçişlere izin
vermez. Bu durumda, denklem 3.22’ de k=0 için yasaklı olarak belirlenmiş geçişler
baskın olacaktır. (Basu, 1997).
3.4.5. Eksitonik Soğurma
Yarıiletken veya yalıtkan bir materyalin taban durumu, tamamıyla dolu bir
valans bandı ve tamamıyla boş bir iletkenlik bandından oluşur. Valans bandının
tepesinin epeyce üzeri bir yasak enerji aralığı ile ayrılmıştır. Materyal, bant aralık
enerjisine yaklaşık olarak eşit bir foton enerjisinin soğrulmasıyla uyarıldığında,
valans bandından bir elektron iletkenlik bandındaki meşgul olmayan durumlardan
birine aktarılır. Direkt bant aralığına sahip bir yarıiletkendeki böyle banttan banda
soğurmada, soğurmanın eşiği bant aralık enerjisinde ortaya çıkar ve soğurma
katsayısı (ℏ −
Saf
)
⁄
ile orantılı olarak değişir.
yarıiletkenlerdeki
gözlenen
soğurma
spektrumu,
yarıiletkenlerde gözlenenlerden oldukça farklıdır. Şekil 3.13’ de,
beklenen (ℏ −
)
⁄
doğadaki
(ℏ )’ nın
davranışı çizgili bir eğri olarak gösterilmiştir. Gözlenen
spectrum da katı bir çizgi olarak gösterilmektedir. Soğurma eğrisinde, bant aralık
enerjisinden biraz düşük bir foton enerjisinde bir pikin ortaya çıktığı görülmekte ve
spektrumun doğası ℏ
=
civarında oldukça farklıdır. Beklenen ve gözlenen
spektrumun birbiriyle çakışması, sadece foton enerjisinin oldukça yüksek ve bant
aralığı enerjisinden epeyce yukarıda olduğu zaman gerçekleşebilir. Bazı iyonik
yarıiletkenlerde soğurma spektrumu daha fazla sayıda pikler sergiler ve direk bant
aralığına sahip olmayan yarıiletkenlerde soğurma spektrumunun eğimleri, farklı
fonon sınıflarının gözönüne alınabilir şekilde sapmasına bağlıdır. (Basu, 1997).
81
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.13. Eksitonik etki olmayan (kesikli eğri) ve eksitonik etki olan (düz çizgi
biçimindeki eğri) soğurma spektrası. (Basu, 1997)
Örneğin, GaAs gibi direk bant aralığına sahip bir materyalin soğurma
eğrisinde bir pik görülmesi “eksiton” olarak bilinen bir kompleksin oluşumuna
bağlıdır. Eksitonlar katılardaki elementer uyarılmalardır ve elektronlar ve deşikler
arasındaki coulomb etkileşmesine bağlı olarak ortaya çıkarlar. Bir yarı iletken bir
foton gönderilerek uyarıldığında, elektron–deşik çifti meydana getirilir. Daha önce
bu parçacıkların birbiriyle ilişkili olmadığı düşünülmüştür. Buna rağmen elektron ve
deşikler birbiriyle zıt yüklüdürler ve eğer parçacıklar arasında çekici bir coulomb
etkileşmesinin ortaya çıktığı varsayılırsa, serbest bir elektron-deşik çifti yerine
hidrojen benzeri bağlı bir çift yaratılır. Bu çift eksiton olarak bilinir ve uyarılmış
kristalin taban durum enerjisinin üzerindeki en düşük enerjiye sahip olup, enerji
aralığı
’ den az oranda küçüktür. Bir foton soğurma işlemi kristali eksitonların
durumlarının birinde bırakır.
Katılardaki eksitonlar iki tipten birine ayrılır: Frenkel tipi veya Wannier tipi.
Oldukça iyonik veya moleküler kristallerde, atomlar sadece zayıf olarak etkileşirler.
82
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Elementer bir uyarılma gerçekleştiğinde, bunun tek bir atom veya molekülde ortaya
çıktığı düşünülebilir. Bu uyarılma aşağı yukarı en fazla birkaç atomik siteye kadar
uzanan uzayda yerelleşmiştir. Bu eksiton, Frenkel-tipi eksiton olarak bilinir. O,
kristal içinde hareket etmekte özgür olmasına rağmen, enerjinin bir noktadan bir
noktaya transferine olanak sağlar. Diğer bir taraftan, kovalent bağa sahip
yarıiletkenlerde elektronlar birçok atom tarafından paylaşılır. Bant resmi,
elektronların bütün önemli özelliklerini tanımlamak için kullanılır. Bu materyallerde
ortaya çıkan eksitonlar Wannier eksitonları olarak adlandırılırlar ve onlar kristalde
birçok atomik siteye kadar uzanırlar. Bu, zayıf iyonik III-V grubu bileşik
yarıiletkenlerde olmakla birlikte, genellikle kovalent bağlı IV. grup materyallerinde
oluşur. Wannier eksitonları kristal içerisinde serbestçe hareket edebilirler. Bu
eksitonlar birçok birim hücreye yayıldıklarından dolayı, bu tipleri tanımlamak için
etkin kütle kavramı kullanılır. İki tipin kavramsal resmi Şekil 3.14’ de verilmektedir.
Wannier eksitonları alternatif olarak Mott-Wannier olarak veya basitçe Mott
eksitonları olarak adlandırılırlar (Basu, 1997).
Şekil 3.14 Bir Frenkel ve bir Mott-Wannier eksitonunun periyodik kuşatan
fonksiyonlarının alanını açıklayan kavramsal bir resim. Wannier
eksiton kuşatan fonksiyonu birim hücrelerin büyük bir miktarını kapsar.
(Basu, 1997)
83
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.5. P-N Eklemi
3.5. 1. Giriş
Çoğu yarıiletken aygıtlar p-tipi ve n-tipi materyal arasında en azından bir
eklem içerir. Bu eklemler, örneğin, doğrultucu, yükseltici, anahtarlama ve elektronik
devrelerdeki diğer icraatlar gibi fonksiyonel performanslarına göre önemlidirler
(Streetman, 2006).
3.5. 2. Kontak Potansiyeli
n ne p-tipi yarıiletken materyalin farklı bölgelerini gözönüne alalım ve bir
eklem oluşturmak için bir araya getirelim (Şekil 3.15). Bu bir aygıt oluşturmak için
pratik bir yol değildir, fakat bu düşünce deneyi bir eklemde denge koşullarını
keşfetmemize izin verir. Onlar birleştirilmeden önce, n-tipi materyal büyük bir
elekton konsantrasyonuna ve az miktar deşiğe sahiptir, oysa p tipi materyal için
bunun tersi doğrudur. İki bölgeyi birleştirirsek (Şekil 3.15), eklemdeki büyük taşıyıcı
konsantrasyon gradyentinden dolayı taşıyıcıların difüzyon etmesini bekleriz. Bu
yüzden, deşikler p tarafından n tarafına düfüzyon ederlerken elektronlarda n’ den p’
ye difüzyon ederler. Eklemde bir zıt elektrik alan yaratıldığından dolayı, ortaya çıkan
düfüzyon akımı süresiz olarak oluşturulamaz (Şekil 3.15 b). Eğer iki bölge kırmızı
hava molekülleri ve yeşil moleküllere ait kutular olsalardı, kutular birleştirildikten
sonra, neticede, ikisinin homojen bir karışımı oluşacaktı. Bu, yüklü parçacık
durumunda ki bir p-n ekleminde uzay yükü ve elektrik alanın ℰ gelişiminden dolayı
gerçekleşemez. Ektronlar n’ den p’ ye düfüzyon ederken, n materyalinde kompanse
edilmemiş verici iyonları (
) bırakırken, deşikler de p bölgesini terk ederken
arkalarında kompanse edilmemiş alıcıları (
) bırakırlar. Bu durumda, eklemin n
kenarının yakınında pozitif uzay yüküne ve p kenarının yakınında da negatif uzay
yüküne ait bir bölgenin gelişimini gözümüzde canlandırmak kolay olacaktır. Sonuçta
oluşan elektrik alan ℰ, pozitif yükten negatif yüke doğru yönelir. Sonuçta elektrik
alan her iki taşıyıcı tipi içinde difüzyon akımına zıt yöndedir.(elektron akımının
84
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
elektrik akısının yönüne zıt olduğu anımsanmalıdır.) Dolayısıyla, alan düfüzyon
akımına zıt yönde n den p’ ye bir sürüklenme bileşenini ortaya çıkarır (Şekil 3.15 c).
Denge durumunda, eklemin içinden net akım akamayacağını bildiğimizden
dolayı, elektrik alanda taşıyıcıların sürüklenmesine bağlı oluşan akım, düfüzyon
akımını tamamıyla yok etmelidir. Buna ek olarak, her iki tarafta da zamanın bir
fonksiyonu olarak net elektronlar ve deşikler oluşamayacağından dolayı, sürüklenme
ve düfüzyon akımları her bir taşıyıcı tipi için birbirini yok etmelidir.
Şekil 3.15. Denge durumundaki bir p-n ekleminin nitelikleri: (a) p-tipi ve n-tipi
materyalin yalıtılmış nötral bölgeleri ve yalıtılmış bölgeler için enerji
bantları (b) geçiş bölgesindeki uzay yükünü, oluşan elektrik alan ℰ,
kontak potansiyeli
ve enerji bantlarının ayrılışını gösteren eklem (c)
geçiş bölgesi içindeki parçacık akışının dört bileşeninin yönü ve oluşan
akım yönleri. (Streetman, 2006)
85
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
( ü ü
)+
( ü ü
) = 0,
(3.29 a.)
( ü ü
)+
( ü ü
) = 0,
(3.29 b.)
Dolayısıyla, denge durumunda net akımın sıfır olduğu noktaya kadar elektrik
alan oluşturulur. Elektrik alan eklem civarında
bölgesi civarında oluşur ve
bir yanından diğer yanına bir denge potansiyel farkı
’ nın
vardır. Elektrostatik
potansiyel diyagramında (Şekil 3.15 b), ℰ ( ) = − ( ( )⁄
temel ilişkisiyle
uyumlu, ℰ elektrik alanına zıt yönde, potansiyelde bir gradyen vardır.
’ nın
dışındaki doğal bölgede elektrik alanın sıfır olduğu varsayılır. Dolayısıyla, nötral n
materyalinde sabit bir potansiyel
ve ikisinin arasında
=
−
bölgesi olarak adlandırılırken,
adlandırılır.
, nötral p materyalinde de sabit bir potansiyel
’ lik bir potansiyel farkı vardır.
, bölgesi geçiş
potansiyel farkı da kontak potansiyeli olarak
’ nın bir yanından diğer yanına oluşan kontak potansiyeli bir iç
potansiyel bariyeri olup, eklemde dengenin muhafaza edilmesi için gereklidir. O,
herhangi bir dış potansiyel anlamına gelmez. Gerçekten de, kontak potansiyeli
aygıtın bir ucuyla diğer ucuna bir voltmetre bağlayarak ölçülemez. Çünkü her bir
prob da yeni kontak potansiyelleri oluşur ve
gereği
’ ı tam anlamıyla yok eder . Tabiatı
bir denge niceliğidir ve ondan dolayı net bir akım oluşmaz.
Kontak potansiyeli, bantları Şekil 3.15 b’ deki gibi ayırır. Eklemin p
tarafındaki valans ve iletim bantları, n tarafında olduğundan
miktarı kadar daha
yüksektir. Denge durumunda bantların ayrılması sadece aygıt boyunca fermi
düzeyini sabit yapmak için gereklidir. Dolayısıyla, her bir ayrı materyal için
’ yi
içeren band diyagramı bilinirse (3.15 a), denge durumunda eklem için bant ayrılışı
Şekil 3.15 b’ deki gibi fermi düzeyleri aynı hizaya gelecek şekilde bir diyagram
çizilerek kolayca bulanabilir. (Streetman, 2006).
86
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.5.3. İleri ve Ters Öngerilim Uygulanmış Eklemler; Kararlı Durum Şartları
p-n ekleminin yararlı bir özelliği, n’ ye göreceli olarak p bölgesine pozitif bir
dış ön gerilim uygulandığında, p’ den n yönüne akımın oldukça serbest şekilde
akmasıdır (ileri ön gerilim ve ileri akım). Oysa, p, n’ ye göreceli olarak negatif
yapıldığında neredeyse hiç akım akmamaktadır (ters ön gerilim ve ters akım). Akım
akısının bu asimetrisi p-n eklem diyotunu bir doğrultucu olarak oldukça yararlı kılar.
Doğrultma işlemi önemli bir uygulama iken, ön gerilim uygulanmış eklem için bir
çok kullanım amaçlarının sadece başlangıcıdır. Öngerilim uygulanmış p-n eklemleri,
voltaj değişken kapasitörler, fotoseller, ışık yayıcılar, ve modern elektroniğin
temelini teşkil eden birçok aygıtlar olarak kullanılabilirler. İki veya daha fazla
eklemler, transistörler ve kontrollü anahtarlar oluşturmak için kullanılabilirler
(Streetman, 2006) .
3.5.4. Bir Eklemde Akım Akısının Niteliksel Tanımı
Biz uygulanan bir voltaj öngeriliminin ( ), nötral n ve p bölgelerinden ziyade
eklemin geçiş bölgesinin bir ucundan bir ucuna olduğunu varsayalım. Bu durumda,
eğer akım nötral bölge içinden akarsa, nötral materyalde biraz voltaj düşüklüğü
olacağı açıktır. Fakat çoğu p-n eklem aygıtlarında her bir bölgenin uzunluğu onun
alanıyla kıyaslandığında küçüktür, dolayısıyla her bir nötral bölgede direnç küçük
olup, uzay yük (geçiş) bölgesinin dışında sadece küçük bir voltaj düşüşü devam
ettirilebilir. Hemen hemen bütün hesaplamalar için uygulanan voltajın tamamıyla
geçiş bölgesinin tamamında ortaya çıktığını varsaymak önemlidir. Biz ’ yi n
bölgesine göreceli olarak p bölgesi üzerinde pozitif dış öngerilim uygulandığında
pozitif alacağız.
Uygulanan bir voltaj, elektrostatik potansiyel bariyerini ve dolayısıyla da geçiş
bölgesindeki elektrik alanı değiştirdiğinden dolayı, eklemdeki akımın çeşitli
bileşenlerinde değişimler bekleriz (şek 3.16). Buna ek olarak, enerji bantlarının
ayrımı deplasyon bölgesinin genişliği boyunca uygulanan öngerilimden etkilenir.
87
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şimdi niteliksel olarak öngerilimin eklemin önemli özellikleri üzerindeki etkisini
incelemeye başlayalım.
Şekil 3.16. Bir p-n eklemindeki ön gerilimin etkisi: (a) denge durumunda (b) ileri ön
gerilim uygulandığında (c) ters ön gerilim uygulandığında, geçiş bölgesi
genişliği ve elektrik alan, elektrostatik potansiyel, enerji bant diyagramı
ve W genişliği içinde parçacık akısı ve akım yönü (Streetman, 2006)
88
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Eklemdeki elektrostatik potansiyel bariyeri, uygulanan bir ileri öngerilim
ile, denge kontak potansiyeli
’ dan daha düşük bir değer olan
−
değerine
küçültülür. Potansiyel bariyerindeki bu düşüş, ileri öngerilimin (p, n’ e göre pozitif)
n’ ye göre p kenarındaki elektrostatik potansiyeli arttırmasıyla ortaya çıkar. Ters bir
öngerilim ( = − ) için biraz önceki anlatılanların tam tersi doğrudur; p
kenarındaki elektrostatik potansiyel n kenarına göre düşürülür ve eklemdeki
potansiyel bariyeri daha büyük olur (
+
).
Geçiş bölgesindeki elektrik alan potansiyel bariyerinden çıkarılabilir. İleri ön
gerilimle birlikte, uygulanan alanın yerleşik alana zıt olmasından dolayı alanın
düştüğüne dikkat etmeliyiz. Geri ön gerilimle birlikte, uygulanan alanın denge
alanıyla aynı yönde olmasından dolayı eklemdeki alan arttırılır.
Elektrik alanın verilen bir değeri için, pozitif ve negatif yüklerin (kompanse
edilmemiş verici ve alıcı iyonları formunda) düzenli bir sayısının hala etkiye açık
bırakılmasının gerekli olduğundan dolayı, eklemdeki elektrik alandaki değişim geçiş
bölgesi genişliği
da ki bir değişimle anılır. Dolayısıyla, ileri öngerilim altında
(daha küçük elektrik alan ℰ , daha az kompanse edilmemiş yükler)
genişliğinin
azalacağını ve ters öngerilim altında da artacağını tahmin edebiliriz.
Enerji bantlarının ayrılması eklemdeki elektrostatik potansiyel bariyerinin
direkt bir fonksiyonudur. Elektron enerji bariyerinin yüksekliği basitçe elektron yükü
ile elektrostatik potansiyel bariyerinin yüksekliğinin çarpımıdır. Dolayısıyla,
bantlar, ileri öngerilim altında dengedeki durumdan [ (
ters öngerilim altında da denge durumundan [ (
+
−
)]’ den daha az ve
)]’ dan daha fazla ayrılır.
Fermi düzeyini her bir nötral bölgenin derininde varsaymak aslında denge değeridir.
Dolayısıyla, öngerilim altında enerji bantlarının kayması eklemin her iki kenarında
fermi düzeylerinin kayması anlamına gelmektedir. İleri öngerilim altında, n
kenarındaki fermi düzeyi
,
öngerilim altında da,
’ den
,
’ den
enersisi kadar yukarıdadır; ters
enerjisi kadar yüksektedir. Elektron volt
enerji biriminde, iki nötral bölgedeki fermi düzeyi uygulanan voltaja nümerik olarak
eşit bir enerji (eV) ile ayrılırlar.
89
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Düfüzyon akımı, n kenarındaki çoğunluk taşıyıcısı elektronlardan meydana
gelir, dolayısıyla, p bölgesine düfüzyon etmek için potansiyel enerji bariyerini aşarlar
ve deşiklerde p’ den n’ ye bariyeri aşarlar. n kenarındaki iletkenlik bandındaki
elektronlar için bir enerji dağılımı vardır ve denge durumunda, dağılımın yüksek
enerjisindeki bazı elektronlar bariyere rağmen n’ den p’ ye difüzyon etmek için
yeterli enerjiye sahiptirler. İleri öngerilimle birlikte, bariyer (
−
)’ ye düşürülür
ve n kenarındaki iletkenlik bandındaki çok daha fazla elektron daha küçük bariyer
üzerinden n’ den p’ye düfüzyon etmek için yeterli enerjiye sahiptir. Bu yüzden ileri
öngerilimle birlikte elektron düfüzyon akımı oldukça yüksek olabilir. Benzer bir
şekilde, ileri öngerilim altında düşük bariyerden dolayı p’ den n’ ye çok daha fazla
deşik düfüzyon edebilir. Ters öngerilim için bariyer oldukça büyük olur(
+
) ve
neredeyse n kenarındaki iletkenlik bandındaki hiçbir elektron ve p kenarındaki
valans bandındaki hiçbir deşik bariyeri aşmak için yeterli enerjiye sahiptir.
Sürüklenme akımı göreceli olarak potansiyel bariyerinin yüksekliğine
duyarsızdır. Biz normal olarak materyalde çok taşıyıcı olduğunu düşündüğümüzden
dolayı bu başta tuhaf görünür ve bundan dolayı da sürüklenme akımının basitçe
uygulanan alana orantılı olmasını bekleriz. Bu belirgin anormalliğin nedeni,
sürüklenme akımının, taşıyıcıların bariyerden ne kadar hızlı sürüldüğüyle değil fakat
bundan ziyade ne sıklıkla sürüldüğüyle sınırlanmasıdır. Örneğin, geçiş bölgesine
giren p kenarındaki azınlık taşıyıcı elektronları elektrik alan ile bariyerden aşağı
sürülecektir. Ve bu da sürüklenme akımının elektron bileşenine neden olacaktır.
Buna rağmen, bu akımın küçüklüğü bariyerin büyüklüğünden dolayı değil fakat p
bölgesinde iştirak edecek çok az azınlık elektronunun bulunmasından dolayıdır.
Geçiş bölgesine düfüzyon eden p kenarındaki her elektron, büyük veya küçük olsa da
potansiyel enerji tepesinden aşağı sürülecektir. Elektron sürüklenme akımı, tek bir
elektronun p’ den n’ ye ne kadar hızlı sürüldüğüne bağlı değil, fakat bundan öte, her
birim saniyede bariyerden ne kadar elektron sürüleceğine bağlıdır. Benzer yorumlar
eklemin n kenarından p kenarına azınlık deşiklerin sürüklenmesi gözönüne alınarak
yapılabilir. İyi bir yaklaşımla, ne var ki, eklemdeki elektron ve deşik sürüklenme
akımı uygulanan voltajdan bağımsızdır.
90
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Eklemin her bir kenarındaki azınlık taşıyıcılarının miktarı, akımın
sürüklenme bileşenine dahil olması için gerekli olup, elektron deşik çiftlerinin ısısal
uyarılmasıyla üretilir. Örneğin, eklemin p kenarına yakın bir yerde üretilen bir
elektron deşik çifti, p kenarında bir azınlık taşıyıcı elektronu sağlar. Eğer elektron
deşik çifti geçiş bölgeşinin bir düfüzyon uzunluğu
içerisinde üretilirse, bu
elektron ekleme düfüzyon edebilir ve bariyerden n kenarına sürülebilir. Sonuçta
ortaya çıkan akım eklemin karşısında üretilen taşıyıcıların sürüklenmesine bağlıdır.
Bu akım, genellikle onun değeri tamamıyla elektron deşik çiftlerinin üretim oranına
bağlı olduğundan dolayı üretim akımı olarak adlandırılır. Bu üretim akımı, elektron
deşik çiftlerinin eklemin kenarında optiksel olarak uyarılmasıyla geniş ölçüde
arttırılabilir.
Eklemi geçen toplam akım düfüzyon ve sürüklenme bileşenlerinin
toplamından meydana gelir. Şekil 3.16’ da gösterildiği gibi, elektron ve deşik
düfüzyon akımlarının her ikisi de p’ den n’ ye (parçacık akım yönleri her birine zıt
olmasına rağmen) doğru yönlendirilir ve sürüklenme akımları n’ den p’ ye doğrudur.
Denge durumunda, eklemden geçen net akım, her bir taşıyıcı tipi için (net deşik
akımı ve net elektron akımının her ikisinin de sıfır olması denge elektron ve deşik
bileşenlerinin şek 3.16’ da ki gibi eşit olmasını gerektirmez) sürüklenme ve düfüzyon
bileşenlerinin birbirini yok etmesinden dolayı sıfırdır. Ters ön gerilim altında, her iki
düfüzyon bileşenide eklemdeki büyük bariyerden dolayı ihmal edilebilir ve akım
sadece n’den p’ye göreceli olarak küçük olan (ve özellikle voltajdan bağımsız)
üretim akımıdır. Bu üretim akımı, Şekil 3.17’ de bir p-n eklemi için tipik bir I-V
eğrisinin şemasında gösterilmektedir. Bu şekilde, I akımı için pozitif yön, p’ den n’
ye doğru alınmış olup, pozitif batarya ucu p’ ye ve negatif uçta n’ ye bağlandığında
uygulanan voltaj pozitiftir. Negatif
için, p-n eklem diyodundan geçen akım, sadece
geçiş bölgesinde üretilen taşıyıcılara veya ekleme düfüzyon ederek toplanan azınlık
taşıyıcılarına bağlı küçük (ü
ı ı) akımıdır.
= 0 da (denge durumunda)
akım sıfırdır, çünkü, üretim ve düfüzyon akımları birbirini yok etmektedir.
= (
)−| (
)| = 0
91
= 0 için
(3.30.)
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Uygulanan bir ileri ön gerilim
⁄
olasılığını exp (
=
, bir taşıyıcının eklemden difüzyon etme
) kadar arttırır. Dolayısıyla ileri öngerilim altında düfüzyon
akımı, onun denge durum değeriyle exp (
öngerilim için düfüzyon akımı,
=−
⁄
)’ nin çarpılması ile verilir. Geri
ile birlikte aynı faktör ile azaltılan denge
değeridir. Denge düfüzyon akımı değer olarak | (
dolayı,
uygulanan
| (
öngerilimle
)|exp (
birlikte
düfüzyon
)|’ a eşit olduğundan
akımı
basitçe
⁄
) şeklinde yazılır. Bu durumda toplam akım düfüzyon
− 1)
(3.31.)
akımı eksi jenerasyon akımının mutlak değeri şeklinde yazılır, o halde
=
(
⁄
şeklinde yazabiliriz. Denklem (3.31)’ de uygulanan voltaj
olabilir,
=
veya
=− .
olduğunda (oda sıcaklığında
pozitif olduğunda ve birkaç
, pozitif veya negatif
⁄ ’ dan daha büyük
⁄ = 0.0259 ), ekponansiyel terim birimden çok
daha büyük olur. Dolayısıyla ileri öngerilimle birlikte akım eksponansiyel olarak
artar.
akım −
negatif olduğunda (ters öngerilim), eksponansiyel terim sıfıra yaklaşır ve
olur ve yönü n’den p’ye (negatif) doğrudur. Bu negatif jenerasyon akımı
ters doyum akımı olarak adlandırılır. Şekil 3.17’ de ki dikkat çeken özellik
−
karakteristiğinin lineer olmamasıdır. Akım, diyodun ileri yönünde oldukça rahat
akarken, aksi yönde hemen hemen hiç akmamaktadır. (Streetman, 2006).
92
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.17. Bir p-n ekleminin I-V karakteristiği (Streetman, 2006)
3.6. Heteroeklem
Eklemlerin önemli bir çeşidi de farklı bant aralıklarıyla birlikte iki örgü
uyumlu yarıiletkenden meydana gelen heteroeklemlerdir. Böyle iki yarıiletken
arasındaki ara yüzey hemen hemen kusurlardan arındırılmıştır ve tekli ve çoklu
heteroeklemleri kapsayan sürekli kristaller oluşturulabilir
Farklı bant aralığına ve alınganlığa sahip yarıiletkenler bir eklem oluşturmak
için bir araya getirildiğinde, fermi düzeyleri denge durumunda aynı hizaya gelirken
enerji bantlarında kesinti beklenir. İletkenlik bandındaki ∆
ve değerlik bandındaki
durumda, ∆
(
∆
kesintileri iki yarıiletken arasındaki ∆
∆
−∆
bant aralığı farkına eşittir. İdeal bir
elektron alınganlıkları arasındaki farktan
−
) ve ∆
de
’ den bulunur. Pratikte bant kesintileri özel yarıiletken çiftleri için
93
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
deneysel olarak bulunmaktadır. Örnek olarak, yaygın olarak kullanılan
−
sistemi verilebilir. Bu heteroeklem için, daha geniş bant aralığına sahip
arasındaki ∆
ve daha dar bant aralığına sahip
farkının ’ ü ∆
’ ye ve ’ de ∆
direkt bant aralığı
’ ye eşit olacaktır. Kurulan kontak potansiyeli,
Fermi düzeylerinin denge durumunda aynı hizaya gelmesi gerektiğinden dolayı iki
yarıiletken arasında bölünür. Eklemin her iki kenarında oluşan deplasyon bölgesi ve
her iki kenarında oluşan potansiyel değeri, eklemdeki
=
sürekli elektrik
alan yoğunluğu sınır şartıyla birlikte poisson denklemi çözülerek bulunur.
Elektronların n’ den p’ ye hareket ederken aşmak zorunda oldukları bariyer,
deşiklerin p’ den n’ ye aşmak zorunda oldukları bariyerden oldukça farklı olabilir.
Bir heteroeklem için bant diyagramını doğru bir şekilde çizmek için, bant kesintileri
için sadece düzgün değerleri kullanmak zorundayız. Fakat, aynı zamanda, eklemdeki
bant eğriliklerini de göz önüne almak zorundayız. Bunu yapmak için, eklem boyunca
katkıları ve uzay yükünü de göz önüne alarak Poisson denklemini çözmek
zorundayız. Bu da genellikle bir bilgisayar çözümünü gerektirir. Biz buna rağmen
detaylı bir hesaplama olmaksızın yaklaşık bir diyagram çizebiliriz.
Deneysel bant değerleri bilinen ∆
1)
ve ∆
ile şu yolu izleyebiliriz.
Ayrılmış iki yarıiletken bantlarının Fermi düzeyleri aynı çizgiye
getirilir. Geçiş bölgesi için boşluk bırakılır.
94
3.MATERYAL VE METOD
2)
Metalbilimsel eklem (x=0) aşırı derecede katkılanmış kenara
yerleştirilir. x=0 da ∆
3)
Necdet Hakan ERDOĞAN
ve ∆
uygun bant aralıklarıyla ayrılır.
Her bir materyaldeki bant aralığı sabit tutularak, iletkenlik bandı ve
valans bandı bölgeleri bağlanır.
Bu presödürün basamak 2’ si ve basamak 3’ ü gerçek bant eğriliğinin önemli
olduğu yeri gösterir ve Poisson denkleminin çözümü ile sağlanır. Basamak 2 de ki,
95
3.MATERYAL VE METOD
bant ofset değerleri ∆
Necdet Hakan ERDOĞAN
ve ∆
, heteroeklemdeki yarıiletkenlerin belirli çiftleri için
kullanılır. (Streetman, 2006).
3.7. Film Katakterizasyonu
3.7.1. Optiksel Karakterizasyon
3.7.1.1. Film Kalınlığı Hesabı
Bir boyutta + yönünde ilerleyen bir elektromanyetik dalga;
(
=
ile verilir. Burada ,
hızını,
)
(3.32.)
elektrik alanı, ,
elektromanyetik dalganın ortam içindeki
, frekansı, t ise zamanı göstermektedir. Elektromanyetik dalga n kırılma
indisli, x kalınlıklı bir film içerisine girdiğinde film çıkışındaki düzlem dalganın faz
değişimi;
= 2
olur.
=2
b
(3.33.)
bir tam sayı olmak üzere yapıcı ve yıkıcı girişim gözlenir.
=
(
)
(yapıcı girişim)
(3.34.)
=
(
)
(yıkıcı girişim)
(3.35.)
Böylece ince bir filmden çıkan elektromanyetik dalganı şiddeti cosθ gibi bir
faz farkıyla modüle edilmiş olur (PANKOVE, 1971). İki ardışık tepe değerlerinin
gözlendiği λ1 ve λ2 dalga boylarının farkı alınırsa;
96
3.MATERYAL VE METOD
=
Necdet Hakan ERDOĞAN
(3.36.)
∆
bulunur. Eğer kırılma indisi bilinirse, bu eşitlik kullanılarak film kalınlığı ya da
kalınlık biliniyorsa kırılma indisi hesaplanabilir. Eğer farklı dalga boylarına ait farklı
kırılma indisleri olursa, denklem şu şekilde yazılabilir. Bu denklem ardışık iki
maksimum tepe değeri için geçerli olan ifadedir.
= 2
(
)
−
(
)
(3.37.)
3.7.1.2. Soğurma Katsayısının Hesaplanması
Tek renkli ışık demetinin soğurucu özelliğe sahip örnek üzerine düşürüldüğünü
düşünelim ve gelen ışığın bir kısmının ilk yüzeyden ve diğer bir kısmınında ışığın
örnekten ayrıldığı yüzeyden yansıdığı gerçeğini ihmal edelim. Böylece gelen ışığın
şiddeti I0 ve ortamdan geçen ışığın şiddeti IT olmak üzere iki değere sahip oluruz.
Şekil 3.18’ de gösterildiği gibi örneğin çok ince olduğunu düşünürsek ışık Δx
kalınlıktaki bölgeden geçtikten sonra gelen ışığın şiddeti -ΔI kadar azalır, azalma ilk
şiddet ve Δx’ e bağlıdır.
−Δ =
−
=
Δ
(3.38.)
α, sabiti soğurma katsayısıdır ve soğurucu ortamın ve ışığın dalga boyunun
karakteristiğini gösterir. Işığın şimdi iki ya da daha fazla Δx kalınlığındaki ince
tabakalardan
geçtiğini
düşünelim.
Soğurma
katsayısı,
verilen
materyalin
karakteristiğini gösterecek ve gelen ışın şiddetinden bağımsız olacaktır. Böylece Δx
kalınlığındaki plakanın arkasına yerleştirilen ikinci plaka ile ilk plakadan geçen
ışığın şiddeti biraz daha az azalacaktır. Fakat buraya gelen ışık şiddeti birinciye
gelenden az olacağından daha az kayıp olacaktır. Fakat mutlak kayıp az olsa da her
iki tabakadan olan ışık kaybı oranı eşit olacaktır. Bu N tabaka olsa da geçerli olur.
97
3.MATERYAL VE METOD
Δ =−
Necdet Hakan ERDOĞAN
Δ
(3.39.)
=−
(3.40)
elde edilecektir. Burada α soğurucu materyalin her birim kalınlıktan kaynaklanan
azalma oranını veya soğuruculuğunu göstermektedir. Katmanları dx gibi çok küçük
kalınlıklara indirgersek, ışık her katmanı geçerken soğurulan ilk ışık şiddeti oranının
oranı böylece;
kesri olan
=−
(3.41.)
şekline gelecektir. Toplam x kalınlığından geçen ışık şiddetindeki azalmayı bulmak
için bu ifade, x=0 da I0 ve x=x de IT olmak üzere integre edilirse;
=−
(3.42.)
=
(3.43.)
eşitlikleri elde edilir. Elde edilen 3.43 eşitliği üssel soğurma yasası olarak
bilinir ve Lambert tarafından geliştirilmiştir (MEYER, 1972).
Şekil 3.18. İnce bir tabakadaki soğurma
98
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Buradan gördüğümüz gibi soğurma için Beer-Lambert yasası;
( )
=
(3.44.)
şeklinde yazılabilir. Burada ( ) ışık şiddetini, x ortam içinde gidilen yolu ve α
soğurma katsayısını göstermektedir.
Yansıma R;
(
=(
)
(3.45.)
)
şeklinde verilebilir. n ve k kırılma indisinin gerçek ve sanal kısımlarıdır. Görünür
bölgede k, n den çok küçük olduğundan (3.45) denklemi;
(
=(
)
(3.46.)
)
şekline gelir. Toplam geçirgenliği ZnO ince film için bulmak istersek, Şekil 3.19’ da
gösterildiği gibi iki bölge alabiliriz.
99
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.19. İnce bir filmde çok yansımalı ışık geçirimi
Girişim ihmal edildiği zaman, d kalınlığındaki bir ince filme I0 şiddetinde tek
renkli ışık düşürülürse film içine giren ışık miktarı I;
= (1 − )
(3.47.)
şeklinde yazılabilir. İkinci bölgeye ulaşan ışık şiddeti ise;
= (1 − )
(3.48.)
dir. Filmden geçen ışık miktarı;
= (1 − )
(3.49.)
100
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
eşitliğiyle ifade edilir. Bu şekilde iç yansımalar devam ettirilirse yansıyan ışık
miktarının her yansımada bir;
=
(1 − )
(
)
(3.50.)
terimi kadar arttığı görülür. Bu artış göz önüne alınırsa filmin toplam ışık
geçirgenliğinin;
= (1 − )
(∑
)
(3.51.)
olduğu görülür. Bu geometrik bir seridir. Böylece toplam geçirgenlik örnek
tarafından yansıtılan ışık şiddetinin örnek üzerine gelen ışık şiddetine oranı şeklinde
tanımlanır.
=
(3.52.)
Bu iç yansımalar Şekilde gösterildiği gibi devam ettirilirse toplam geçirgenlik;
=
(
)
(3.53.)
şekline indirgenir. Bu son denklemde çok soğurucu bölge için d >>0 yaklaşımı
yapıldığında;
= (1 − )
(3.54.)
halini alır. Burada eğer R ve d bilinirse, eşitlik α için çözülebilir.
= log
= −log
(3.55.)
101
3.MATERYAL VE METOD
2.3log
Necdet Hakan ERDOĞAN
= ln[(1 − )
]
(3.56.)
−2.3 = ln(1 − )
(3.57.)
= [2.3 + ln(1 − ) ]
(3.58.)
elde edilir. (3.49) denklemi yardımıyla soğurma katsayısı hesaplanıp optik
karakterizasyonda kullanılabilir. Soğurma katsayısı, (3.49) denklemindeki R yansıma
değerini içeren kısım ihmal edilerek hesaplanabilir (PANKOVE, 1971).
3.7.1.3. Yasak Enerji Aralığının Hesaplanması
Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerjiye göre değişimi Şekil
3.20’ de görülmektedir (MOTT ve DAVIS, 1979). Burada işaretlenen A bölgesi
enerji aralığındaki yapı kusurlarının oluşturduğu elektron enerji durumlarına bağlı
soğurma olup α<1 cm-1 dir. B bölgesi Urbach kuyruğu denen değerlik ve iletkenlik
bandı elektron enerji durumlarının uzantılarının oluşturduğu (1<α<10 -4 cm-1)
bölgedir. Bu bölgeler arasındaki sınırlar kesin değil, içi içe girmiş haldedir.
Yarıiletkenin yasak enerji aralığı B bölgesine düşer. Ölçülen soğurma katsayısından
Eg aşağıdaki yöntem ve yaklaşımlar kullanılarak hesaplanabilir. C bölgesi ise banttan
banda geçişlerin oluşturduğu bölge olup fotoiletkenlik yöntemiyle bile tamamı
ölçülemeyen α>10 -4 cm-1 bölgesidir.
ZnO doğrudan bant aralıklı bir yarıiletken olduğu soğurma katsayısı için
(ℎ ) =
∗
ℎ −
⁄
(3.59.)
ifadesi kullanılır. Burada A soğurma, Eg yasak enerji aralığıdır (PANKOVE, 1971).
Buradan soğurma katsayısının enerjiyle çarpımının karesinin enerjiye karşı çizilen
(αE)2-E grafiğinin teğetinin enerji eksenini kestiği nokta Eg yasak enerji aralığını
verir.
102
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.20. Amorf bir yarıiletkenin soğurma katsayısının enerji ile değişimi
3.7.2. XRD Analizi
X-Işınları
Kırınımı
(X-Ray
Diffraction-XRD),
x-ışınları
tarafından
oluşturulan kırınım deseninden atomik düzeyde bilgi edinmek için kullanılmaktadır.
X-ışınları ölçümleri kristale zarar vermeksizin yapısı hakkında bilgi veren güçlü bir
yöntemdir. X-ışınlarının dalgaboyu, 1 Angstrom civarındadır. Bu da bir kristal
içindeki atomlar arası mesafe mertebesindedir. Kristallerin atom dizilişlerinin
incelenmesinde bu yüzden X-ışınlarına ihtiyaç duyulur
X-ışınları kırınımı günümüzde malzeme karakterizasyonu için endüstriyel ve
bilimsel araştırmalarında; fizik, kimya, biyoloji, biyokimya, malzeme ve metalürji,
103
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
jeoloji, madencilik, çimento, seramik ve teknolojik uygulamalarda yaygın olarak
kullanılmaktadır.
X-ışınları kırınım desenlerinden, bir katıdaki düzlemler arasındaki mesafe
(atomların oluşturduğu sıralar), Tek kristalin veya taneciğin yönelimi, bilinmeyen bir
malzemenin kristal yapısı, tanecik boyutu, stresi ve şekli hakkında bilgi elde
edilebilir.
XRD uygulamaları, malzemelerin içerdiği fazları belirlemede, nicel faz
analizinde, sıcaklık, basınç v.s. fiziksel parametrelere bağlı faz değişimlerinde,
tanecik boyutu, tanecik yönelimi, kimyasal komposizyonu belirlemede ve örgü
sabitlerini bulmak için kullanılır.
Örgü parametrelerini belirleyebilmek için Bragg yasasından yararlanabiliriz.
2 sin
=
(3.60.)
eşitliği Bragg denklemi olarak bilinir, burada, d düzlemler arası mesafe ve n
kırınımın mertebesidir. Bragg yansıması sadece
≤2
(3.61.)
dalgaboyu şartında meydana gelir. Bu koşulu sağlamak görünür ışık dalgaboyu ile
mümkün olmadığından X-ışınları kullanılmaktadır. Kırınıma uğramış demetler
(yansımalar) Bragg yasası ile tanımlanan belirli açılarda oluşabilir.
Tanecik büyüklüğünü hesaplamak için, aşağıda verilen Scherer denklemini
kullanabiliriz:
=
.
(3.62.)
Burada, D grain büyüklüğü, , kullanılan X-ışınının dalga boyu,
cinsinden kırınım pikinin yarımaksumumdaki genişliği,, ve
kırınım açısıdır (Y. Zhang, 2006).
104
, radyan
, XRD pikinin Bragg
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Ayrıca, ZnO’ nun hekzagonal fazı için örgü sabitleri a ve c aşağıdaki eşitlik
kullanılarak hesaplanabilir: (A. Ghosh ve ark, 2009).
=
+
.
(3.63.)
3.7.3. Hall Analizi
3.7.3.1. Mobilite
Isısal denge durumunda düzgün konsantrasyonlu n-tipi bir yarıiletken göz
önüne
alalım.
Yarıiletkenin
iletim
bandındaki
elektronlar
aslında
serbest
parçacıklardır ve dolayısıyla onların herhangi belirli örgü ve verici sitelerle ilişkisi
yoktur. Kristal örgüler iletim elektronlarının etkin kütlesini belirlemede önemli
olurlar. İletim elektronlarının etkin kütlesi serbest elektronların etkin kütlesinden
farklıdır. Isısal denge altında, bir iletim elektronunun ortalama ısısal enerjisi, enerji
bölüşüm teoremini kullanarak elde edilebilir, 1⁄2
, serbestlik derecesi başına
enerji birimidir, k, Boltzman sabiti ve T mutlak sıcaklıktır. Bir yarıiletkendeki
elektronlar üç serbestlik derecesine sahiptir; Onlar üç boyutlu uzayda hareket
edebilirler. Dolayısıyla, elektronların kinetik enerjisi
=
ile verilir. Burada,
(3.64.)
, elektronların etkin kütlesi ve
, ortalama ısısal hızdır. Oda
sıcaklığında (300 K), denklem 3.64 kullanılarak silisyum ve galyum arsenür için
elektronların ısısal hızı yaklaşık 10
⁄ olarak belirlenmiştir.
Dolayısıyla, yarıiletken içindeki elektronlar bütün doğrultularda çok hızlı bir
şekilde hareket ederler. Bireysel bir elektronun ısısal hareketi Şekil 3.21 a da
gösterildiği üzere, örgü atomları, safsızlık atomları ve diğer saçılma merkezlerinden
birbirini takip eden rastgele saçılmalar şeklinde göz önünde canlandırılabilir.
Elektronların rastgele hareketi, zamanın yeteri kadar uzun bir periyodu üzerinde bir
105
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
elektronun net yer değiştirmesinin sıfır ile sonuçlanmasına neden olur. Çarpışmalar
arasındaki ortalama uzaklık, ortalama serbest yörünge olarak adlandırılır ve
çarpışmalar arasındaki ortalama zaman, ortalama serbest zaman
adlandırılır. Ortalama serbest yörünge için verilen 10
, yaklaşık 1 ps dir. ( örneğin, 10 ⁄
≅ 10
olarak
cm’ lik tipik bir değer için,
).
Şekil 3.21. Bir yarıiletken içindeki bir elektronun şematik yörüngesi. (a) Rastgele
ısısal hareket. (b) Gelişigüzel ısısal harekete ve uygulanan bir elektrik
alana bağlı birleştirilmiş hareket.(Sze, 2002)
Eğer küçük bir elektrik alan
yarıiletken örneğe uygulanırsa, her bir elektron
çarpışmalar arasındaki süre boyunca alan tarafından −
gibi bir kuvvete maruz
kalacaktır ve alan boyunca (alanın tersi yönünde) ivmelendirilecektir. Bundan dolayı
net bir hız bileşeni oluşacaktır ve bu hız sürüklenme hızı olarak tanımlanır.
Sürüklenme hızı
, çarpışmalar arasındaki serbest uçuş süresi boyunca bir elektrona
uygulanan momentumun, aynı periyotta elektron tarafından kazanılan momentuma
eşitlenmesiyle elde edilebilir. Bir elektrona uygulanan momentum −
kazanılan momentum ise
−
olur ve
dir. Bu durumda
=
(3.65.)
106
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
olacaktır veya
=−
olur.
(3.66.)
etkin kütle olup, elektron sürüklenme hızı uygulanan alan ile orantılıdır.
Orantı faktörü, ortalama serbest süreye ve etkin kütleye bağlıdır ve bu orantı
faktörüne elektron mobilitesi denir ve
ile gösterilir ve birimi
≡
⁄
dir. O halde
(3.67.)
olacaktır ve dolayısıyla
= −
(3.68.)
olur ve aynı tartışma değerlik bandındaki deşikler içinde yapılırsa,
=
(3.69.)
olarak elde edilir (Sze, 2002).
3.7.3.2. Direnç
Homojen bir yarıiletken malzemedeki iletkenliği göz önüne alalım.
Şekil.3.22. a, n-tipi bir yarıiletkeni ve ısısal dengedeki onun bant yapısını
göstermektedir.
107
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.22. n-tipi bir yarıiletkende iletkenlik süreci (a) ısısal denge durumunda ve (b)
bir öngerilim şartı altında .(Sze, 2002)
Şekil 3.22. b’ de sağ uca nötral olmayan bir gerilim uygulandığında buna
karşılık gelen bant diyagramı gösterilmektedir. Sağ ve sol uçlardaki kontakların
ohmik olduğunu varsayıyoruz. Yarıiletkene bir elektrik alan
elektron alan tarafından –
uygulandığında her bir
gibi bir kuvvetin etkisine maruz kalmaktadır. Bu
kuvvet potansiyel enerjinin negatif gradyentine eşit olacaktır.
−
= −
(3.70.)
, iletkenlik bandındaki bir elektronun potansiyel enerjisidir. Biz sadece potansiyel
enerjinin gradyentiyle ilgilendiğimizden dolayı, bant diyagramının
olan (
,
aldığımızda
,
’ ye paralel
) herhangi bir parçası kullanılabilir. p-n eklemini göz önüne
’ yi kullanacağımızdan dolayı, burada da, özden Fermi düzeyi
kullanmak uygun olacaktır. Denklem 3.70’ den
108
’ yi
3.MATERYAL VE METOD
=
Necdet Hakan ERDOĞAN
=
(3.71.)
elde edilir. Elektrostatik potansiyeli
olarak tanımlanırsa
= −
(3.72.)
olduğunu biliyoruz. 3.70 ile 3.71 eşitliğini karşılaştırırsak
=−
(3.73.)
eşitliği elde edilecektir. Şekil 3.22. b’ de gösterilen homojen bir yarıiletken için
potansiyel enerji ve
uzaklıkla birlikte lineer bir Şekilde azalmaktadır. Bunun için
elektrik alan negatif x ekseni boyunca sabit olacaktır ve değeri uygulanan gerilimin
örnek uzunluğuna bölünmesiyle elde edilen sonuca eşittir. Şekil 3.22. b’ de
görüldüğü gibi elektronlar iletkenlik bandında sağa doğru ilerleyecektir. Kinetik
enerji bant kıyısından olan uzaklığa karşılık gelecektir. (örneğin elektronlar için
).
Elektron bir çarpışma yaptığında kinetik enerjisinin bir kısmını veya tamamını
örgüye aktararak tekrar ısısal denge konumuna dönecektir. Elektron kinetik
enerjisinin bir kısmını veya tamamını kaybettiğinde tekrar sağa doğru hareket
edecektir. Aynı işlem bir çok kez devam edecektir. Aynı tartışma, karşı yönde
deşikler içinde yapılabilir.
Uygulanan elektrik alan etkisi altında taşıyıcıların taşınması sürüklenme
akımı olarak adlandırılan bir akıma neden olacaktır. Şekil 3.23’ de ki örneği
gözönüne alacak olursak;
109
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.23. L uzunluğu ve A kesitsel alanıyla birlikte düzgün Şekilde katkılanmış bir
yarıiletken çubukta akım iletimi.(Sze, 2002)
Örneğe bir elektrik alan
uygulayalım. Elektron akım yoğunluğu şu şekilde
bulunabilir.
=
= ∑(−
) = −
=
(3.74.)
Aynı tartışma deşikler içinde yapıldığında
=
=
(3.75.)
elde edilir ve uygulanan elektrik alana bağlı olarak yarıiletken örnekteki toplam akım
yoğunluğu elektron ve deşik bileşenlerinin toplamı olacaktır.
=
+
=
+
(3.76.)
parantez içindeki terim iletkenlik olarak bilinir o halde;
=
+
(3.77.)
olarak elde edilir. Buna karşılık gelen direnç de
110
3.MATERYAL VE METOD
=
Necdet Hakan ERDOĞAN
=
(3.78.)
şeklinde bulunur. Genellikle katkılı yarıiletkenlerde n ile p kıyaslandığında
aralarında çok büyük farklılık var ise bu bileşenlerden sadece birini kullanabiliriz. ntipi yarıiletken için
≫
olduğunda
=
olarak alınır ve p-tipi yarıiletken için
(3.79.)
≫
olduğunda
=
(3.80.)
olarak bulunur (Sze, 2002).
3.7.3.3. Hall Etkisi Olayı
Bir yarıiletkende taşıyıcı yoğunluğu safsızlık yoğunluğundan farklı olabilir.
İyonize safsızlık yoğunluğu, sıcaklığa ve safsızlık enerji düzeyine bağlıdır. Taşıyıcı
yoğunluğunu direk olarak ölçmenin bir yolu da Hall olayı metodudur. Hall olayı aynı
zamanda deşik yük taşıyıcılarının varlığının ortaya çıkmasında uygun bir yöntemdir.
Çünkü ölçüm direk olarak taşıyıcı tipini belirlememize yardım etmektedir.
3.7.3.4. Hall Etkisi ve Lorentz Kuvveti
Hall etkisinin altında yatan temel fiziksel kural Lorentz kuvvetidir. Eğer bir
elektron uygulanan bir manyetik alana dik yönde hareket ederse, hem hareket yönüne
hem de manyetik alana dik bir kuvvete maruz kalacaktır. Bu kuvvetin etkisi altında
hareket ederken de iç elektrik alan tarafından bir kuvvetin etkisi altına girecektir. n
tipi bir yarıiletken için Şekil 3.24’ de ki bir yarıiletkeni göz önüne alalım. Taşıyıcılar
baskın bir şekilde hacim yoğunluğuna ait elektronlardır. z yönündeki bir manyetik
111
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
alanın varlığında, sabit bir akım ’ nın x ekseni boyunca soldan sağa doğru olduğunu
varsayalım. Elektronlar ilk öncelikle Lorentz kuvvetinin etkisine maruz kalacaklar ve
akım çizgisinden negatif y eksenine doğru yönlenecekler ve örneğin bu kenarında
yüzey elektrik yükü fazlalığına yol açacaklardır. Bu kenardaki yük fazlalığı Hall
voltajının oluşmasına neden olacaktır. Bu enine voltaj Hall voltajı
⁄
10
(
dir. Burada , akım,
)
=
, manyetik alan,
dır ve değeri
, örneğin kalınlığı ve
(1.602 ×
temel yüktür. Bazı durumlarda hacim yoğunluğu yerine tabaka yoğunluğu
) kullanmak daha uygun olmaktadır. Bu durumda,
=
⁄
(3.81.)
denklemi elde edilecektir. Dolayısıyla Hall voltajı
ölçülerek ve bilinen
,
ve
değerleri yardımıyla yarıiletkendeki yük taşıyıcılarının tabaka yoğunluğu
belirlenebilir. Gereç ve yöntemde anlatılacak olan düzenek kurulursa Hall voltajı n
tipi yarı iletkenler için negatif, p tipi yarıiletkenler için de pozitif olacaktır.
Yarıiletken tabaka direnci
, Van Der Pauw direnç ölçüm tekniği kullanılarak
belirlenebilir. Tabaka direnci, tabaka yoğunluğu ve mobilitenin her ikisini de
içerdiğinden dolayı Hall mobilitesi,
=
⁄
= 1⁄
(3.82.)
eşitliğinden belirlenebilir. Eğer tabaka kalınlığı d biliniyor ise, hacimsel direnç
(ρ=Rsd) ve hacim yoğunluğu
=
⁄ belirlenebilir.
112
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.24. Manyetik alan ve Lorentz kuvveti
3.7.3.5. Van Der Pauw Tekniği
Mobilite
ölçümünün
ve tabaka yoğunluğu
bir
konbinazyonu
’ yi belirlemek için direnç ve Hall
gerekmektedir.
Düzgün
örneklerin direncini
belirlemede Van Der Pauw tekniği yarıiletken endüstride oldukça yaygın bir biçimde
kullanılmaktadır. Kare bir Van Der Pauw konfigürasyonu Şekil 3.25’ de
gösterilmektedir. Burada düzgün örneğin köşelerine çok küçük ohmik kontaklar
yapılmıştır.
Direnç ölçümünün amacı tabaka direnci
ve
yi belirlemektir. Van Der Pauw
gibi iki karakteristik direnç olduğunu açıklamıştır ve bu dirençlere karşılık
gelen uçlar Şekil 3.25’ te gösterilmiştir.
ve
tabaka direnci
ile bağlantılı olup
Van Der Pauw denklemi ile aşağıdaki gibi belirlenebilir.
(
⁄
)
+
(
⁄
)
=1
(3.83.)
113
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Buradan RS sayısal olarak elde edilebilir.
Şekil 3.25. Van Der Pauw tekniği
Hacimsel elektrik direnci ,
=
(3.84.)
eşitliği kullanılarak hesaplanabilir.
İki karakteristik direnci hesaplamak için, kontak 1’den girip kontak 2’ den
çıkacak Şekilde bir dc akımı
ten kontak 3’ e
uygulanır ve Şekil 3.25’ te gösterildiği gibi kontak 4’
gerilimi ölçülür. Daha sonra kontak 2’ den girip kontak 3’ den
çıkacak şekilde bir akım uygulanır ve kontak 1’ den kontak 4’ e
ve
, aşağıdaki ifadelerle belirlenir,
114
gerilimi ölçülür.
3.MATERYAL VE METOD
=
⁄
ve
Necdet Hakan ERDOĞAN
⁄
=
(3.85.)
Şekil 3.26. Hall voltajı ölçme düzeneği
Van der Pauw tekniğinde Hall ölçümünün amacı
Hall gerilimini ölçerek
tabaka taşıyıcı yoğunluğunu belirlemektir. Hall gerilim ölçümü, sabit bir akım ve
örnek düzlemine dik bir manyetik alan uygulanmasıyla birlikte bir dizi gerilim
ölçümünden ibarettir. Şekil 3.26’ da tekrar gösterilen aynı örnek, uygun bir şekilde
aynı zamanda Hall ölçümü için de kullanılabilir.
ı ölçmek için bir
akımı
karşılıklı kontak çifti 1 ve 3 den geçmeye zorlanır ve bunun karşısındaki geri kalan
kontak çiftleri 2 ve 4 den ise
ve
(=
) Hall gerilimi ölçülür. ,
Hall geriliminin belirlenmesiyle tabaka yoğunluğu
kullanılarak belirlenebilir.
=
,
bilinenleriyle
⁄ |
| eşitliği
Hall ve direnç ölçümleri gerçekleştirilirken dikkat edilecek kuralları şöyle
sıralayabiliriz, (1) ohmik kontak niteliği ve büyüklüğü, (2) örneğin düzgünlüğü ve
kalınlığının doğru belirlenmesi (3) düzgün olmayan sıcaklığa bağlı olarak
115
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
termomanyetik etkiler, (4) fotoiletkenlik ve fotovoltajik etkiler ki, bunlar karanlık
ortamda ölçüm yapılarak minimize edilebilir. Aynı zamanda örnek boyutları
kontakların büyüklüğü ve kalınlığı ile kıyaslandığında daha büyük olmalıdır. Son
olarak, örnek sıcaklığı, manyetik alan şiddeti, elektrik akımı ve gerilim değerleri
kesin doğrulukla ölçülmelidir.
3.7.3.6. Direnç ve Hall Ölçümleri
3.7.3.7. Örnek Geometrisi
Yarıiletken malzemenin ince tabakalarından örneklerin üretilmesi ve Şekil
3.27’ de gösterildiği gibi uygun geometrilere adapte edilmesi tercih edilen bir
durumdur. Kontakların ortalama çapları ( ) ve örnek kalınlığı ( ), kontaklar arası
uzaklık ( ) den daha küçük olmalıdır.
Şekil 3.27. Hall ölçümünde kullanılan örnek geometrileri
Gerekli donanımlar aşağıdaki gibi sağlanmalıdır.
• Kalıcı magnet veya elektromagnet (500-5000 Gauss)
• Sabit akım kaynağı (10
’ den 100
• Yüksek giriş impedans voltmetresi (1
’ e)
’ den 1 ’ ye)
• Örnek sıcaklık ölçüm probu (Yüksek doğrulukla çalışmak için 0.1 °C
çözünürlük)
116
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.7.3.8. Direnç Ölçümleri için Tanımlar
Dört iletken tel, örnek üzerindeki dört ohmik kontağa Şekil 3.27’ deki gibi
saat yönünün tersinde 1, 2, 3, 4 ile gösterildiği gibi bağlanır. Termomanyetik etkileri
minimize etmek için dört iletken telin hepsi aynı gruptan seçilmelidir. Benzer şekilde
dört omik kontak da aynı malzemeden oluşmalıdır.
Aşağıdaki parametreleri tanımlayacak olursak (Şekil 3.25)
= Örnek direnci (Ω
)
= İletken tabaka kalınlığı (
)
=Kontak 1’ den girip kontak 2 den çıkan pozitif dc akımı , benzer
Şekilde diğerleri de
gerilimi (
= manyetik alan yok iken (
( ) olarak gösterilecektir.
= 0), 1 ve 2 kontakları arasındaki dc
), benzer Şekilde diğerleri de
−
,
,
,
,
,
,
( ) olarak gösterilecektir
3.7.3.9. Direnç ölçümleri
Aşağıdaki veriler iç tutarlılık, ohmik kontak özelliği, örnek düzgünlüğü için
kontrol edilmelidir.
• Bir dc
akımı kurulur, şöyle ki, örneğe uygulandığında güç dağılımı 5
’ ı aşmamalı (tercihen 1
). Otomatik ölçüm serisi başlamadan önce herhangi
iki kontak arasındaki (1’ den 3’ e veya 2’ den 4’ e) direnç
belirlenebilir.
•
< (200R)-0.5
akımı uygulanır ve
ölçülmesi ile bir limit
gerilimi ölçülür.
• Akımın yönü tersine çevrilir
ve
gerilimi ölçülür.
• Aynı işlemler diğer altı değer için tekrarlanır (
,
,
,
,
,
)
Sekiz gerilim ölçümü sekiz direnç değeri elde etmemizi sağlar ve hepsi
pozitif olmalıdır.
117
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
,
=
⁄
,,
=
⁄
,
=
⁄
,
=
⁄
,
=
⁄
,
=
⁄
,
=
⁄
=
⁄
,
(3.86.)
• Ölçüm tutarlılığı aşağıdaki şartların sağlanmasını gerektirmektedir.
,
=
,
=
,
,
,
,
=
,
=
,
(3.87.)
• Karşılık teoremi şunu gerektirmektedir.
,
+
,
=
,
+
,
,
+
,
=
,
+
,
ve
(3.88.)
Bu durumda % 5 hata kabul edilebilmektedir.
3.7.3.10. Direnç Hesaplamaları
Tabaka direnci RS iki karakteristik dirençten belirlenebilir.
=
,
+
,
+
,
+
,
⁄4,
=
,
+
,
+
,
+
,
⁄4,
118
(3.89.)
3.MATERYAL VE METOD
İletken tabaka kalınlığı
hacimsel direnç
Necdet Hakan ERDOĞAN
biliniyor ve denklem kullanılarak da
=
hesaplanabilirse,
sayısal olarak belirlenebilir
3.7.3.11. Hall Ölçümü İçin Tanımlar
Hall ölçümü manyetik alan varlığında gerçekleştirilir ve eğer tabaka kalınlığı
biliniyorsa, tabaka taşıyıcı yoğunluğu
ve hacimsel taşıyıcı yoğunluğu
veya ’ yi
belirlemeye yarar. Hall gerilimi kalın ve aşırı katkılanmış örnekler için oldukça
küçük
olabilir
(mikrovoltlar
civarında)
Bugün
iyi
özellikli
voltmetreler
kullanıldığından Hall geriliminin küçük olması doğru ölçüm sonuçları almamızı
etkilememektedir. Fakat kontakların simetrik olmayan yerleşimi, örnek şekli ve
düzensiz sıcaklık dağılımı birçok probleme sebep olabilir. Bu problemleri aşmak için
Hall ölçümlerinin iki setini kurmak gerekmektedir. İlgili tanımlar şu şekildedir.
= Kontak 1’ den giren ve kontak 2’ den çıkan bir dc akımı enjekte edilir.
Benzer Şekilde,
,
,
.uygulanır.
= Sabit ve düzgün manyetik alan şiddeti z eksenine paralel sağlanır
Pozitif z ekseni yönünde
Negatif z ekseni yönünde
=
pozitif
negatif
akımı için pozitif manyetik alanla birlikte 2 ve 4 telleri arasında
ölçülen Hall gerilimi, benzer şekilde diğerleride
,
,
şeklindedir.
Bezer tartışmalar tersine çevrilmiş manyetik alanın varlığında yapılırsa
,
,
,
gerilimleri ölçülür.
3.7.3.12. Hall Etki Ölçüm Sistemi ve Ölçme Tekniği
Hall Etkisi ölçümünü yapmak için Şekil 3.28’ de gösterilen bilgisayar
kontrollü HMS3000 sistemi kullanılmıştır.
119
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.28. Hall ölçüm sistemi
Hall ölçümleri için işlemler aşağıdaki gibi olacaktır.
•
Pozitif bir
•
1 ve 3 tellerine bir
akımı uygulanır ve
Hall gerilimi ölçülür.
•
3 ve 1 tellerine bir
akımı uygulanır ve
ölçülür.
•
Manyetik alan tersine çevrilir ( negatif
•
Sırasıyla
uygulanır
,
,
ve
)
ile birlikte
,
,
ve
ölçümleri yapılır.
Yukarıdaki sekiz Hall gerilim ölçümleri “
ve
’’ örneğin tipini (
veya
,
,
) ve tabaka taşıyıcı yoğunluğu
belirlemeye yarar. Hall mobilitesi, tabaka yoğunluğu
sağlanan
,
,
,
’ yi
ve direnç ölçümünden
belirlenerek bulunur.
3.7.3.13. Hall Hesaplamaları
Taşıyıcı yoğunluğu ve Hall mobilitesinin hesaplanması için izlenecek adımlar
aşağıda sıralanmaktadır.
120
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
• Aşağıdakilerin hesaplanması (ölçülmüş gerilim işaretlerinin doğruluğunun
sürdürülmesi için dikkatli olunmalıdır).
=
−
=
−
=
−
=
−
• Örnek tipi,
+
+
+
(3.90.)
gerilim toplamının kutuplanmasından
belirlenir. Eğer toplam pozitif (negatif) ise örnek
• Tabaka taşıyıcı yoğunluğu (
tipi ( tipi ) dir.
de) aşağıdaki gibi hesaplanır
Eğer gerilim toplamı pozitif ise
= 8 × 10
⁄[ (
+
+
+
)]
(3.91.)
olur ve eğer toplam negatif ise
= |8 × 10
⁄[ (
+
+
+
)]|
(3.92.)
şeklindedir. (Gauss), dc akımı (A) olarak seçilebilir.
Eğer örneğin iletken tabaka yoğunluğu d biliniyorsa hacimsel taşıyıcı
yoğunluğu (
) olarak belirlenebilir
=
⁄ ,
(3.93.)
=
⁄ ,
(3.94.)
ve
Hall mobilitesi, tabaka taşıyıcı yoğunluğu
den
= 1⁄
(
( veya
) ve tabaka direnci
) eşitliği kullanılarak hesaplanabilir.
’
Bu durumda işlemler tamamlanmıştır. Sonuçta buradan çıkaracaklarımız
şunları içermelidir.
121
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Örnek tanımlanması, örnek geometrisi, örnek sıcaklığı, kalınlık, veri,
operatör.
Örnek akımı ’ nın değeri ve manyetik alan
değeri
Eğer kalınlık
biliniyor ise tabaka direnci
değerinin hesaplanması
Eğer kalınlık
biliniyor ise tabaka taşıyıcı yoğunluğu
taşıyıcı yoğunluğu
veya
veya
ve hacimsel
değerlerinin hesaplanması
Hall mobilitesi ’ nün hesaplanması.
3.7.4. Fotolüminesans Analizi
Bir numune, yasak bant aralığına eşit ya da daha yüksek enerjili bir optik
kaynak (lamba, lazer vb.) kullanılarak uyarıldığında, malzeme üzerine gelen fotonlar
malzeme tarafından soğurulur. Numunenin uyarılması sonucunda, valans bandında
bulunan elektron yeterli enerjiyi alıp valans bandında bir boşluk bırakarak iletkenlik
bandına geçer. Böylece elektron-boşluk çifti (e-h) oluşmuş olur. Uyarılma
neticesinde üst enerji seviyelerine çıkan elektronlar, temel enerji seviyelerine
dönerken bir foton salarak (ışımalı geçiş) geçiş yaptığında bu olaya “fotolüminesans”
adı verilir. Fotolüminesans olayında numune uygun bir kaynak kullanılarak
aydınlatılır, daha sonra numuneden çıkan ışık (foton) ışıma spektrometresi tarafından
toplanarak dedektöre aktarılır. Dedektöre gelen optik sinyal, elektriksel sinyale
çevrilir ve bilgisayar tarafından değerlendirilir (Şekil 3.29.). Numuneden gelen ışığın
bu şekilde toplanarak, ışık şiddetinin dalgaboyuna ya da foton enerjisine karşı grafiği
çizilerek analiz edilir. Fotolüminesans spektrumundan numuneyle ilgili;
- yasak bant aralığı (Eg),
- alaşım yarıiletkenler için alaşım kompozisyonu tayini,
- ara yüzey pürüzlülüğü
- malzeme kalitesi,
- katkı ve safsızlık atomlarının türü bilgileri elde edilebilir.
Fotolüminesans olayında numunenin uyarılması için kullanılan kaynaklar
numunenin özelliklerine gore seçilir. Kaynak seçiminde önemli olan asıl
parametreler, kaynağın numuneyi uyaracak enerjiye ve şiddete sahip olmasıdır.
122
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Kullanılan kaynağın enerjisi numunenin yasak enerji aralığına eşit ya da büyük
olmalı (hw≥Eg) ve şiddeti ise elektron-boşluk geçişi taşıyıcı yoğunluğu üzerinde
farklı bir fonksiyonel bağlılığa sahip olduğundan kontrol edilebilir olmalıdır.
Fotolüminesans ölçümü sağladığı avantajlardan ötürü, numunelerin optik
özelliklerinin belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Bu teknikte,
numune boyutu ve kalınlığı için bir sınırlama olmadığından ölçüm için numune
hazırlanması gerekmez. Bu sebepten dolayı, bu teknik incelenecek numuneye ve
numune yüzeyine zarar vermez. İncelenecek malzemenin sisteme yerleştirilmesi
oldukça basit olduğundan, hızlı bir tekniktir. Fotolüminesans ölçümleri sıcaklığa
karşı oldukça duyarlıdır, fakat basınç değişimine karşı duyarsızdır. Ölçümler düşük
ve yüksek sıcaklıklarda yapılabilir. Düşük sıcaklıklarda yapılan fotolüminesans
ölçümlerinde fonon ve saçılma etkileri daha az olacağından daha temiz bir spektrum
elde edilir. Yüksek sıcaklıklarda yapılan ölçümlerde de malzemenin devrede
kullanımı sırasında ısınmaya bağlı performans değişimini anlamak amacıyla
inceleme yapılır. Buna karşın oda sıcaklığında yapılan çoğu fotolüminesans
ölçümleri pek çok araştırma için yeterlidir. Fotolüminesans tekniğinde; malzemeden
yayılan ışık incelendiği için kullanılan yarıiletken malzemeler direkt bant geçişli
yarıiletken olmalıdır (ÇÖREKÇİ, 2008).
123
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.29. Fotolüminesans ölçüm sisteminin şematik gösterimi
3.7.5. EDX Analizi
Enerji Dağınımlı x-ışını Spektrometresi (EDX veya EDS) bir örneğin
elementel analizi veya kimyasal karakterizasyonu için kullanılan analitik bir
tekniktir. O, elektromanyetik radyasyon ve madde etkileşmesi aracılığıyla bir örneğin
araştırılmasına dayanan x-ışını floresans spektroskopisinin çeşitlerinden birisidir ve
yüklü parçacıklarla vurulmasına karşılık madde tarafından yayınlanan X-ışınlarının
analizini yapar. Onun karakterizasyon kabiliyetleri geniş ölçüde temel prensiplere
bağlıdır. Bu temel prensip, her bir elementin tek bir atomik yapıya sahip olması ve
birbirinden eşsiz bir biçimde tanımlanan bir elementin atomik yapısının karakteristiği
olan X-ışınlarına izin vermesidir.
Bir örnekten karakteristik X-ışınları yayınımını gerçekleştirebilmek için,
örneğin, elektronlar, protonlar veya X-ışınları demeti gibi yüksek enerjili bir yüklü
124
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
parçacıklar demeti çalışılan örneğe odaklanır. Örnek içindeki uyarılmamış bir atom,
farklı enerji düzeylerinde veya çekirdeğe bağlı elektron kabuklarında taban durum(
veya uyarılmamış) elektronlar içerir. Gelen demet bir iç kabuktaki bir elektronu
uyarabilir ve sonuçta elektronun bulunduğu yerde bir deşik yaratılmasına neden
olarak onu kabuktan dışarı atar. Daha yüksek enerji kabuğundaki bir elektron bu
deşiği doldurur ve daha yüksek enerji kabuğu ve daha düşük enerji kabuğu
arasındaki enerji farkı bir X-ışını formunda salınır. Bir örnekten yayınlanan Xışınlarının sayısı ve enerjisi bir enerji dağınım spektrometresiyle ölçülebilir. Xışınlarının enerjisi iki kabuk arasındaki enerji farkı ve yayınlandığı elementin atomik
yapısının karakteristiğidir, dolayısıyla, bu da ölçülecek olan örneğin biçimsel
analizine imkan tanır. (wikipedia)
EDX spektrumu sadece piklerin her birisiyle ilişkili elementin yerini
belirlemekle kalmaz, onla ilişkili X-ışınının tipinide belirler. Örneğin, Şekilde 3.30
da da belirtildiği gibi, L kabuğundan K kabuğuna giden bir elektron tarafından
yayınlanan X ışınının sahip olduğu enerji miktarıyla ilişkili bir pik K-Alfa piki olarak
tanımlanır. M kabuğundan K kabuğuna geçen bir elektron tarafından yayınlanan Xışınıyla
ilişkili
bir
pik
K-Beta
piki
olarak
tanımlanır.
(http://www.siliconfareast.com/edxwdx.htmdx)
Şekil 3.30. Bir EDX spektrumundaki elementler, onların elektronlarının yüksek bir
enerji kabuğundan daha düşük bir enerji kabuğuna geçtiğinde yayınladığı
X-ışınlarının enerji içeriğini temel alarak tanımlanır
125
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.30 da ki EDX spektrumundaki elementler elektronların yüksek enerji
kabuğundan düşük enerji kabuğuna yayınlanırken yaydığı X-ışınlarının enerji içeriği
temeli üzerinde tanımlanır.
EDS düzeneğinin dört ana bileşeni vardır. Bunları, demet kaynağı, X-ışını
dedektörü, puls işlemcisi ve analizör olarak sıralayabiliriz. Bağımsız bir çok çeşit
EDS sistemleri mevcuttur. Buna rağmen, EDS sistemleri yaygın olarak taramalı
elektron mikroskobu (SEM-EDS) ve elektron mikroskobu üzerinde bulunur.
Taramalı elektron mikroskopları elektronların bir demetini oluşturmak ve odaklamak
için bir katot ve manyetik lenslerle donatılmışlardır ve 1960’ dan beri elementel
analiz kapasitesine sahip olacak şekilde donatılmışlardır. X-ışını enerjisini gerilim
sinyaline dönüştürmek için bir dedektör kullanılır. Bu bilgi daha sonra bir puls
işlemcisine yollanır. Puls işlemcisi de sinyali ölçerek onları data görüntüleme ve
analizi için bir analizöre geçirir.(Wikipedia)
3.7.6. HP 4156C Yarıiletken Parametrik Analizörü
Örneklerin doğrultucu özellikleri görüntüsü Şekil 3.31’ de gösterilen
hp4156C hassas yarıiletken parametrik analizörü (Precision Semiconductor
Parameter Analyzer) ile incelenmiştir. Bu sistem ile (I-V) akım-gerilim ölçümleri
yapılabilmektedir. Bu sistem kendi başına bağımsız ölçüm yapabilen (stand alone)
bir sistemdir. Şekil 3.31’ de komple görüntüsü verilen sistemin üzerinde şu birimler
bulunmaktadır:
4 adet (HRSMU) yüksek çözünürlüklü kaynak ve ölçüm birimi,
1 adet gerilim kaynak birimi,
1 adet gerilim ölçüm birimi,
entegre renkli grafik ekranı,
klavye, 31/2 inç disket sürücüsü, GBIP ve USB arayüzleri bulunmaktadır.
Analiz sistemi üç değişik biçimde çalışabilmektedir:
Ön paneldeki kontrol düğmeleri ve klavye ile doğrudan ölçme modu,
Entegre disket sürücüsüne yüklenen “hp-teknik basic” dili ile yazılmış
programlarla yapılan ölçüm modu,
126
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Üçüncü parti otomasyon yazılımları ve bilgisayar kontrolü ile ölçüm modu.
Şekil. 3.31. hp4156C yarıiletken parametrik analizör görüntüsü
Bu deneyde
yapılan ölçümlerde Metrics yazılım şirketi tarafından
geliştirilmiş otomasyon yazılımı ICS ve cihaz üreticisi firmanın (hpAgilent) sağladığı
I-CV LITE kullanılmıştır. Bu yazılımlarda önce bağlanacak ölçüm sistemi
seçilmekte, daha sonra ölçülecek diyot, kapasitör ya da özel tasarlanmış test edilecek
aygıt sistemdeki hazır reçetelerden seçilmektedir. Aygıt reçete grafiğindeki test
noktalarına sembolik olarak ölçüm üniteleri bağlanmaktadır. Daha sonra bu
HRSMU’ nin çalışma parametreleri operatör tarafından belirlenmekte ve ölçümdeki
hangi parametrelerin kaydedilmesinin istendiğini gösteren liste doldurulmaktadır.
Ölç komutu verildiğinde deneyin ilerlemesi gerçek zamanlı olarak hem
4156C’ nin ekranından hem de bilgisayar ekranından görüntülenmektedir. Ölçme
127
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
işlemi ilerlerken olası kısa devre, açık devre, diyot kapasitesi ölçümü sırasındaki ters
polarite, limit aşımı sistem tarafından otomatik algılanmakta ve aygıt ekranının üst
bilgi satırına görüntülenmektedir. Grafik sonuç gerçek zamanlı gösterildikten sonra
ölçüm biter bitmez yeniden ölçeklendirme işlemi yapılarak optimum halde aygıt
ekranından
görüntülenmektedir.
Bilgisayar
yazılımının
yönettiği
bilgisayar
ekranındaki ölçüm görüntüsünün eksen ve gerekirse uygulanacak fonksiyonların
seçimi operatör tarafından yapılmaktadır (Kavak, 2009).
3.8. Deneysel Düzenek ve Süreçler
3.8.1. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama Sistemi
Atmalı filtreli katodik vakum ark depolama sistemi (Pulsed Filtered Cathodic
Vacuum Arc Deposition-PFCVAD) Plazma Destekli Üretim Labaratuarında dizayn
ve inşa edilmiştir. Daha önce katkısız ZnO ne ZnN üretiminde kullanılmış olup
şimdiki araştırmada ZnN ve ZnO:N çalışmak için kullanılmıştır. Bu depolama
yöntemi ince film depolama yöntemleri içinde, plazma yardımlı işlemlerden oluşan,
eşsiz bir fiziksel buhar depolama (PVD) tekniğidir. PFCVAD yöntemiyle katot
materyali 100 % iyonize edilebilir ve onların enerji jeti daha fazla arkaplan gazın
iyonize olmasını sağlar. Bu özellik, bu sistemi metal oksit ve nitrür üretiminde ideal
bir kaynak yapar.
3.8.2. PFCVAD Sisteminin Yapısı
Şekil 3.32’ de PFCVAD sisteminin temel bileşenleri şematik olarak
gösterilmektedir. Bu bileşenler; Vakum odası, atmalı plazma ark kaynağı, turbo
moleküler pompa, birincil pompa, makro parçacık kontrolü için filtre, katot, anot,
tetikleyici ve alt tabandan oluşmaktadır. Ayrıca, azot jenaratörü ve oksijen tübü çıkışı
da gaz akış-basınç kontrol sistemi denetiminde vakum odasına bağlanmıştır.
Sistemimizde depolamadan önceki taban basınçları genellikle ~ 10
− 10
civarındadır. Sistemdeki bazı elemanların özellikleri aşağıda verilmektedir:
128
Torr
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.32. PFCVAD sisteminin şematik gösterimi (Şenadım, 2007)
3.8.2.1. Reaksiyon Odası
Bölümümüzde mevcut olan PFCVAD sisteminin Şekil 3.33’ de gösterilen
silindirik reaksiyon odası manyetik alan girişine izin veren 304 paslanmaz çelikten
yapılmıştır. Reaksiyon odasının çapı 486 mm ve yüksekliği 385 mm dir. 2 ion gauge,
1 gözlem penceresi, gaz akış kontrol sistemi bulunmaktadır.
129
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.33. Reaksiyon odasının dıştan görünüşü
3.8.2.2. Birincil ve Turbomoleküler Pompa Sistemi
Birincil ve turbomoleküler pompa sayesinde taban basıncı ~ 10
Torr’ a
kadar düşürülebilmektedir. Turbo moleküler pompanın özellikleri aşağıda verilmiştir.
Dönme hızı: dakikada 42.000 devir
Taban basıncı: <1x 10 -10 Torr
Pompalama Hızı: N2=550 L/s, He=600 L/s, H2 = 510 L/s
Sıkıştırma Oranı: N2 : >1x10 9, He: 1x 107, H2 : 1x106
130
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.34. Birincil ve turbomoleküler pompa görüntüsü
3.8.2.3. Atmalı Plazma Ark Kaynağı
Atmalı plazma ark kaynağı katot, anot ve odaklama bobininden oluşan vakum
mini tabancaya bağlıdır (RHK Arc-20). Yalıtkan bir seramik ark kaynağının pozitif
kutbunun filtre bobini yoluyla bağlandığı katot ve anodu birbirinden ayırır. Bu mini
plazma tabancasında 90 derece eğimli solenoid bir filtre kullanılmaktadır. ZnO ince
film depolamada kullanılan Şekil 3.35’ de görüntüsü verilen ark kaynağı ve Şekil
3.36’ da şematik olarak ve Şekil 3.37’ de de görüntüsü gösterilen mini tabancanın
özellikleri aşağıda açıklanmıştır.
1) Katot çıkışı: Çıkış gerilimi plazma tabancasının katoduyla bağlantılıdır.
Çıkış kablosu 15 kV’ ta sınırlıdır. Kaynak materyalde atma deşarjı 750 volt, 650 A
ve 600 µs’dir.
131
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
2) Tetikleyici çıkışı: Plazma tabancasının tetikleyicisiyle bağlantılıdır. Çıkış
kablosu 25 kV’ ta sınırlıdır. Tetikleyici devrede atma deşarjı 24 kV, 150 mA ve 70
µs’dir.
3) Anot çıkışı: Çıkış gerilimi plazma tabancasının anoduyla bağlantılıdır.
Şekil 3.35. Plazma ark kaynağı
Şekil 3.36. Mini tabanca şematik gösterimi
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.37. Mini tabanca görüntüsü
3.8.2.4. Gaz Akış-Basınç Kontrol Sistemi
Şekil 3.38’ de görüntüsü verilen gaz akış-basınç kontrol sistemi bize, Şekil
3.39’ da gösterilen oksijen tübünden ve azot jenaratöründen üretilip vakum odasına
giden gaz akışını bizim istediğimiz sccm cinsinden hassas bir şekilde ayarlayabilme
imkanını tanımaktadır. 4 akış ve 1 basınç kanalı bulunmaktadır.
133
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.38. Gaz akış basınç kontrol sisteminin görüntüsü
134
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 3.39. Azot jenaratörü ve oksijen tüpünün görüntüsü
3.8.3. Katot
Sistemimizde katot olarak çapı 1 mm ve saflığı % 99,999 olan Zn (çinko) tel
kullanılmıştır.
3.8.4. Alt Tabanlar
ZnN filmleri cam alt tabanlar (Corning 2947) üzerine depolanmışlardır ve
heteroeklem elde etmek için ise n-tipi (100) yönelimli tek kristal silisyum alt
tabakası kullanılmıştır. Bu çalışmada alt tabanlar oda sıcaklığında tutulmuşlardır.
Cam ve silisyum
alt tabanlar ilk olarak, oda sıcaklığında 20 dakika süreyle
135
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
ultrasonik banyoda aseton ile temizlenmişlerdir. Daha sonra saf su ile temizlendikten
sonra, azot ile kurutulmuşlardır.
3.8.5. PFCVAD Sistemi İle Plazma Üretimi ve Taşınması
Katodik ark işlemi sırasında, ark spot oluşturulur, katot aşındırılır ve yüksek
iyonizasyona sahip plazma üretilir. Bu işlem sırasında, iç içe koaksiyel olarak
yapılan ve bir yalıtkan ile ayrılan tetikleyici elektrot ve katot olarak kullanılan1 mm
ve saflığı % 99,999 olan Zn (çinko) tel arasında mikro saniye için 24 kilovolt
civarında bir gerilim uygulanmıştır. Bu düzenek ark deşarjın tetiklenmesi ve istenen
başlangıç plazmayı oluşturmak için ayarlanmıştır. Ayrıca, daha düşük tetikleme
voltajlarında da ark deşarjı tetiklenebilmektedir. Ark, katot ve anot arasında elektron
akışı ile sürdürüldüğü için anodun elektron toplayıcı yeteneği ark tasarımı için
önemli bir unsurdur. Literatürde pek çok anot türleri vardır. Bizim sistemde anot
katot yarıçapından daha büyüktür ve katodun çevresine koaksiyel olarak
yerleştirilmiştir. Ayrıca makro parçacık eliminasyonu için 90° derece eğimli solenoid
bir filtre kullanılmaktadır. Anot tarafından toplanan akım sayesinde solenoidden
akım geçirilerek solenoidin ekseni boyunca bir manyetik alan üretilmekte ve plazma
bu manyetik alan yönünde hareket ederek alt tabana yönelmektedir.
3.9. Sistem Karakterizasyonunda Kullanılan Cihazlar
3.9.1. Optiksel Geçirgenlik
Elde edilen filmlerin optik geçirgenlik eğrileri, oda sıcaklığında bir çift demet
bilgisayar kontrollü (Perkin Elmer UV/VIS Lamda 2S) spektrometre ile elde
edilmiştir. Spektrometrenin dalga boyu aralığı λ= 190-1100 nm’dir. Sistemin önce
zemin düzeltmesi yapılarak camdan geçen ışınım % 100 olarak normalize edilmiştir.
Böylece, örnek üzerinden okunacak oda sıcaklığındaki optik geçirgenlik değerleri alt
taban (cam) soğurmasından bağımsız olacaktır. Optik geçirgenlik değerleri 300-1100
nm arasında 1 nm aralıklarla kaydedilmiştir.
136
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.9.2. Film Yapısı
Filmlerin yapısal özellikleri, 1.54059 Ǻ dalga boylu Cu-Kα ışımasına sahip
bir Rigaku Miniflex X-ışınımı kırınım sistemi kullanılarak X-ışını kırınım metoduyla
araştırılmıştır.
3.9.3. Elektriksel Özellikler
Filmlerin
elektriksel
özellikleri
(direnç,
iletkenlik
tipi,
taşıyıcı
konsantrasyonu ve mobilite) dört prob Van der Pauw tekniği kullanılarak Hall Etkisi
Ölçüm Sistemi HMS-3000 ile belirlenmiştir. HMS-3000 sistemi aynı zamanda
kontakların lineer olup olmadığını kontrol etmek için de kullanılmıştır.
3.9.4. Fotolüminasens Özellikler
Örneklerin lüminesans özelliklerini araştırmak için, uyarılma kaynağı olarak
bir He-Cd lazeri (325nm, 30mW) kullanılarak oda sıcaklığında fotolüminesans (PL)
ölçümleri gerçekleştirilmiştir.
3.9.5. Elementel Analiz
Filmlerin bileşimi Enerji Dağınımlı X-ışını spektrometresi (energy dispersive
X-Ray spectrometer EDX) ile analiz edilmiştir.
3.9.6. Heteroeklem Analiz
Örneklerin doğrultucu özelikleri, hp4156C hassas yarıiletken parametrik
analizörü (Precision Semiconductor Parameter Analyzer) ile incelenmiştir.
137
3.MATERYAL VE METOD
Necdet Hakan ERDOĞAN
138
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
4. BULGULAR ve TARTIŞMA
4.1. Yapısal Özellikler
Sırasıyla, 20
ve 500
taban basıncı ve 9.2 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 3 × 10
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam
alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filminin ve bu filmin farklı tavlama
Şiddet (keyfi birim)
Intensity (a.u.)
ZnO (110)
ZnO (100)
ZnO (002)
ZnO (101)
sıcaklıklarındaki XRD desenleri Şekil 4.1 de gösterilmektedir.
ο
550 C
ο
500 C
ο
450 C
ο
400 C
ο
350 C
tavlanmamış
asdeposited
20
30
40
50
60
70
teta (derece)
(derece)
22 teta
Şekil 4.1. 9.2 × 10
basınç ve 500 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmi ve bu filmin farklı tavlama sıcaklıkları için XRD
desenleri.
139
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Elde edilen ZnxNy filminin ve 350 °C’ de tavlanan ZnxNy filminin XRD
desenlerinde herhangi bir pik gözlenmemiştir, bu da onların amorf yapıya sahip
olduklarını işaret etmektedir. Tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte, 2Ө=31.69°,
36.24°, 56.53° ve 34.45°’ de kırınım pikleri gözlenmektedir. Bu pikler sırasıyla
Hekzagonal ZnO’ nun (100), (101), (110) ve (002) düzlemlerine atfedilmektedir.
400-550 °C arasındaki tavlama sıcaklıklarında elde edilen ZnO:N filmlerinin XRD
desenlerinden, bu filmlerin karma yönelimle birlikte polikristal hekzagonal (würtzite)
yapıya sahip oldukları anlaşılmaktadır. Düşük tavlama sıcaklığında (400-450 °C),
ZnO (100) ve (110) kırınım piklerinin geniş olduğu ve tavlama sıcaklığının
artmasıyla birlikte bu piklerin daha keskin ve daha şiddetli olduğu görülmektedir.
Buradan da, tavlama sıcaklığının artmasıyla filmlerin kristalliğinin geliştirildiği
sonucu çıkarılmaktadır. Diğer bir taraftan, tavlama sıcaklığı 400’ den 450 °C’ ye
arttırıldığında ZnO (101) kırınım pikinin daha keskin ve daha şiddetli olduğu, fakat,
tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla birlikte, bu pikin şiddetinin belirgin bir
şekilde düştüğü gözlenmektedir. Benzer sonuçlar Wang ve arkadaşlarının XRD
desenlerinde de gözlenmektedir (Wang ve ark, 2003). Bu olgunun nedenini
açıklayabilmek daha detaylı bir araştırmayı gerektirmektedir. Bunun yanında,
tavlama sıcaklığı 550 °C olduğunda ZnO (002) kırınım piki belirmektedir, fakat, bu
film zayıf c-ekseni yönelimine sahiptir. Buna ek olarak, (101) kırınım deseninin,
(100) deseninden daima daha dar ve (100) desenin de (110) deseninden daha dar
olduğu ve bunun da kristal şeklindeki bir asimetriyi gösterdiği anlaşılmaktadır
(Ayadi ve ark, 2009). Bunun yanında, artan tavlama sıcaklığıyla birlikte her bir
yönelim için kırınım pik pozisyonlarının önemli ölçüde değişmediği gözlenmiştir.
Buradan da ZnO örgü sabitlerinin sıcaklığa bağlı olarak neredeyse değişmediği
anlaşılmaktadır.
Tanecik büyüklükleri Scherrer formülü kullanılarak hesaplanmıştır (Zhang ve
ark, 2006). Çeşitli tavlama sıcaklıklarında elde edilen örneklerin (100), (101) ve
(110) yönelimlerine ait tanecik büyüklükleri Tablo 4.1 de gösterilmektedir.
140
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Tablo 4.1 9.2 × 10
basınç ve 500 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı sıcaklıklarda tavlanmasıyla elde
edilen N katkılı ZnO filmlerinin farklı yönelimler için tanecik
büyüklükleri
Tavlama
sıcaklığı
(100) için tanecik
büyüklüğü
(101) için tanecik
büyüklüğü
(110) için tanecik
büyüklüğü
(nm)
(nm)
(nm)
(°C)
400
7.96
33.9
7.72
450
13.86
38.41
12.60
500
21.20
18.10
550
27.73
20.19
Tablo 4.1’ e bakıldığında tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte tanecik
büyüklüklerinin arttığı gözlenmektedir. 450 °C’ de elde edilen p-tipi ZnO:N filmi
için tanecik büyüklükleri, (100), (101) ve (110) için, sırasıyla, 13.86 nm, 38.41 nm
ve 12.60 nm olarak bulunmuştur. XRD datalarından, (100), (101) ve (110)
yönelimlerinin her biri için düzlemler arası uzaklık,
, sırasıyla, 0.28230 nm,
0.24784 nm ve 0.16276 nm olarak hesap edilmiştir. Bunları, (100), (101) ve (110)
için, sırasıyla, 0.282 nm, 0.248 nm ve 0.163 nm olan bulk değerleriyle (JCPDS card
No. 80 – 0075) (Kumbhakar ve ark, 2008) karşılaştırdığımızda bribirlerine çok yakın
oldukları görülmektedir.
Bu da filmlerdeki stresin çok küçük olduğunu
göstermektedir.
10
Sırasıyla, 20
ve 580
taban basıncı ve 8.5 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 2.6 ×
çalışma basıncında, oda sıcaklığında
tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filminin ve bu filmlerin farklı
tavlama sıcaklıklarındaki XRD desenleri Şekil 4.2 de gösterilmektedir.
141
Necdet Hakan ERDOĞAN
(100)
(101)
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
0
Şiddet
(keyfi birim)
Arbitrary
units
(002)
(110)
550 C
0
450 C
0
350 C
Asdeposited
tavlanmamış
20
30
40
50
60
22Theta
teta (derece)
(Degree)
Şekil 4.2. 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filminin ve bu filmlerin farklı tavlama için XRD
desenleri.
Elde edilen ZnxNy filminin ve 350 °C’ de tavlanan ZnxNy filminin XRD
desenlerinde herhangi iyi tanımlanmış bir pik görülmemektedir. Bu sonuç da onların
amorf yapıda olduklarını desteklemektedir.
Tavlama sıcaklığının 350’ den 550 °C’ ye arttırılmasıyla birlikte, 2Ө=32.49°,
35.08°, 36.91° ve 57.20°’ de kırınım pikleri gözlenmekte olup, bu pikler sırasıyla
Hekzagonal ZnO’ nun (100), (002), (101) ve (110) düzlemlerine atfedilmektedir. 450
ve 550 °C tavlama sıcaklıklarında elde edilen ZnO:N filmlerinin XRD desenlerinden,
bu filmlerin herhangi bir tercihli yönelim olmaksızın polikristal hekzagonal
(würtzite) yapıya sahip oldukları anlaşılmaktadır. Tavlama sıcaklığı 450’ den 550
°C’ ye arttırıldığında, ZnO (100) kırınım pikinin şiddetinde küçük bir düşüş
142
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
gözlenirken, ZnO (110) kırınım pikinin şiddeti artmaktadır. Diğer bir taraftan,
tavlama sıcaklığı 450 °C’ olduğunda ZnO (101) kırınım pikinin keskin ve şiddetli
olduğu, fakat, tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla (550 °C’ ye) birlikte, bu
pikin şiddetinin belirgin bir şekilde azaldığı ve ZnO (002) kırınım pikinin daha
keskin ve şiddetli olduğu gözlenmektedir.
Tanecik büyüklükleri Scherrer formülü kullanılarak hesaplanmıştır. Çeşitli
tavlama sıcaklıklarında elde edilen örneklerin tanecik büyüklükleri 9.75 nm ve 36.37
nm arasında değişmektedir. Çeşitli tavlama sıcaklıklarında elde edilen örneklerin
(100), (101), (110) ve (002) yönelimlerine ait tanecik büyüklükleri Tablo 4.2 de
gösterilmektedir.
Tablo 4.2 . 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı sıcaklıklarda tavlanmasıyla elde
edilen N katkılı ZnO filmlerinin farklı yönelimler için tanecik
büyüklükleri
Tavlama
(100) için
(101) için
(110)için
(002)için
sıcaklığı
tanecik
tanecik
tanecik
tanecik
(°C)
büyüklüğü
büyüklüğü
büyüklüğü
büyüklüğü
(nm)
(nm)
(nm)
(nm)
350
13.08
450
36.13
34.08
16.29
13.34
550
20.94
9.75
18.59
36.37
XRD datalarından, (100), (002), (101) ve (110) yönelimlerinin her biri için
düzlemler arası uzaklık,
, sırasıyla, 0.27553 nm, 0.25576 nm, 0.24349 nm ve
0.16102 nm olarak hesap edilmiştir. Bunları, (100), (002), (101) ve (110) için,
sırasıyla, 0.282 nm, 0.260 nm 0.248 nm ve 0.163 nm (JCPDS card No. 80–0075)
(Kumbhakar ve ark, 2008) olan bulk değerleriyle karşılaştırdığımızda daha küçük
oldukları görülmektedir. Örgü parametrelerinin değerleri teorik değerlerden daha
143
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
büyük filmler pozitif veya çekme gerilimine (ekstensive or tensile strain), aksi halde
sıkıştırma gerilimine (compressive strain) sahiptirler (Vinodkumarve ark, 2009).
Farklı tavlama sıcaklıklarında elde edilen bu filmlerdeki gözlenen düşük değerdeki
örgü paramatreleri filmlerde sıkıştırma geriliminin olduğuna işaret etmektedir. Buna
da ileride PL sonuçlarından da görülebileceği gibi, nokta kusurların oluşumunun
neden olabileceği düşünülmektedir (Zhu ve ark, 2009). Bunun yanında, artan tavlama
sıcaklığıyla birlikte, her bir yönelim için kırınım pik pozisyonlarının önemli ölçüde
değişmediği gözlenmiştir. Buradan da ZnO örgü sabitlerinin hemen hemen tavlama
sıcaklığından bağımsız olduğu anlaşılmaktadır.
4.2. Elementel Analiz
Polikristal ZnO filmleri içindeki azotun varlığını saptamak için, 20
500 , tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 3 × 10
10
ve
taban basıncı ve 9.2 ×
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filminden 450 °C’ de ki oksidasyodan sonra elde edilen örneğin,
ögesel elementel çözümlemesi EDX analiziyle araştırılmıştır. Elde edilen ZnO:N
filmi için EDX ölçümlerinin tipik sonuçları Şekil 4.3 de gösterilmektedir. Film
içerisindeki
atomların
yüzdesi
ise
Tablo
4.3
de
gösterilmektedir.
Azot
konsantrasyonu atomik olarak % 0.89 olarak bulunmuştur. Bu değer, alttabandan
gelenler ihmal edilmeden alınmış değerdir. Elementlerin yüzde olarak ne kadarının
alt tabandan geldiğini tahmin etmek zordur. Fakat yinede, EDX analizi bize azot
atomlarının ZnO içerisine yeteri kadar dahil edildiğini göstermektedir. Film
içerisinde, örneğin, Si, Ca gibi diğer elementlerin olması beklenmemektedir.
Dolayısıyla, oksijenin bir kısmı ve diğer elementler alt tabandan kaynaklanmaktaır.
144
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Tablo 4.3 9.2 × 10
basınç ve 500 ark voltajıyla cam alt taban üzerine
depolanan ZnxNy filminden 450℃’ de ki oksidasyodan sonra elde edilen
örneğin, EDX analiz sonuçları
Element
Atom
Element
%
%
NK
0.89
0.40
Zn K
28.01
58.36
OK
60.35
30.77
Si K
7.09
6.35
145
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Şekil 4.3 450℃ elde edilen ZnO:N filminin EDX spektrası
4.3. Optik Özellikler
Sırasıyla, 20
ve 500
taban basıncı ve 9.2 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 3 × 10
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam
alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filminin ve bu filmlerin farklı tavlama
sıcaklıklarındaki optik geçirgenlik eğrileri Şekil 4.4 de gösterilmektedir.
146
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
100
Geçirgenlik (%)
80
60
tavlanmamış
asdeposited
40
ο
350 C
ο
400 C
ο
450 C
ο
500 C
ο
550 C
20
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Dalgaboyu (nm)
Şekil 4.4. 9.2 × 10
basınç ve 500
ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmi ve bu filmlerin farklı tavlama sıcaklıkları için optik
geçirgenlik eğrileri.
Depolanan ZnxNy filminin optik geçirgenliğinin onların yapısındaki aşırı
çinkoya bağlı olarak çok düşük olduğu gözlenmektedir (Kambilafka ve ark, 2007).
Tavlamadan sonra bütün örnekler daha geçirgen olmuşlardır ve onların görünür
bölgedeki geçirgenlikleri % 80’ in üzerindedir. Buna ek olarak, 350-550 °C
arasındaki oksidasyondan sonra bütün örnekler için, 374.75 nm ve 378.16 nm
arasında çok keskin yakın UV soğurma kenarları gözlenmekte olup, bu da onların saf
ZnO fazına sahip olduklarını ve çok kuvvetli UV soğurma nitelikleri sergilediklerini
işaret etmektedir.
147
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
5
1.0x10
o
350 C
o
400 C
o
450 C
o
500 C
o
550 C
4
(soðurma kat.)
Soğurma katsayısı
8.0x10
4
6.0x10
4
4.0x10
4
2.0x10
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Foton
enerjisi (eV)
E(eV)
Şekil 4.5. 9.2 × 10
basınç ve 500
ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için soğurma
katsayısının enerjiye göre değişimi.
Direk bant aralığına sahip bir yarıiletken olarak, ZnO’ nun soğurma katsayısı
yüksek foton enerjilerinde eksiton etkilerinin ihmal edildiği şartlarda
ℎ = (ℎ −
)
⁄
,
ilişkisini sağlamaktadır. Burada,
, ince filmin optik bant aralığını göstermektedir
ve A ise bir sabittir. Yakın soğurma kenarında, , aşağıdaki ifade ile belirlenebilir;
148
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
=−
Necdet Hakan ERDOĞAN
( )⁄ ,
Burada, d, filmin kalınlığını belirtmektedir (Yan ve ark, 2005; Miao ve ark,
2006; Wang ve ark.). Örneklerin, soğurma bölgesindeki, ’ nın foton enerjisine(ℎ )
karşı grafiği Şekil 4.5 de ve ( ℎ ) ’ nin foton enerjisine(ℎ ) karşı grafiği de Şekil
4.6 da gösterilmektedir. Oda sıcaklığında elde edilen
’ nın foton enerjisine(ℎ )
karşı grafiğine bakılacak olursa belirgin bir eksitonik soğurma gözlenmemektedir. O
halde, elde edilen filmlerde oda sıcaklığında eksitonik etkiler ihmal edilebilir. Bu
durumda, optik bant aralığı,
, ( ℎ ) ’ nin foton enerjisine(ℎ ) karşı grafiğinde
lineer kısmın enerji eksenini kestiği yer dikkate alınarak tahmin edilebilir. 350, 400,
450, 500 ve 550 °C’ de elde edilen ZnO:N filmlerinin tahmin edilen optik bant
aralıkları, sırasıyla, 3.309 eV, 3.280 eV, 3.279 eV, 3.284 eV ve 3.284 eV olarak
belirlenmiştir. Tavlama sıcaklığının 350’ den 450 °C’ ye arttırılmasıyla, optik bant
aralığının düştüğü belirlenmiştir. ZnO’ nun bant aralığının değişken değerler
sergilemesi, büyütme stresinin varlığına, ısısal genleşme uyuşmazlık stresine ve
katkılayıcılara bağlanabilmektedir (Wang ve ark, 2009). İleride bahsedilecek olan
Hall ölçüm sonuçları, 350-450 °C arasında tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte
daha fazla azot alıcılarının aktif hale geldiğini göstermektedir. Dolayısıyla,
’ deki
bu düşüş iyoniklikteki düşüşe ve filmlerin içerisinde Zn-N bantlarının oluşumuna
bağlanmıştır. Pauling teorisine gore, basit bir bağda iyoniklik, basit bağı oluşturan iki
element arasındaki elektronegativite değerlerindeki farklılıkla birlikte artar. Zn’nin
elektronegativitesi 1.6 eV’ dir ve oksijenin elektronegativitesi (3.5), azotun
elektronegativitesinden (3.0) daha büyüktür, bundan dolayı, Zn-O bandı Zn-N
bandından daha büyük iyonikliğe sahiptir (Lu ve ark, 2003).
149
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
10
5x10
10
4x10
ο
350 C
ο
400 C
ο
450 C
ο
500 C
ο
550 C
(αhν)2(cm-2eV2)
10
3x10
10
2x10
10
1x10
0
3.1
3.2
3.3
3.4
Foton enerjisi (eV)
Şekil 4.6. 9.2 × 10
basınç ve 500
ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için , ( ℎ ) ’ in
ℎ ’e gore grafiği.
10
Sırasıyla, 20
ve 580
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 2.6 ×
taban basıncı ve 8.5 × 10
çalışma basıncında, oda sıcaklığında
tutulan cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filminin ve bu filmlerin farklı
tavlama sıcaklıklarındaki optik geçirgenlik eğrileri Şekil 4.7 de gösterilmektedir.
Depolanan ZnxNy filminin optik geçirgenliğinin onların yapısındaki aşırı çinkoya
bağlı olarak çok düşük olduğu gözlenmektedir. Tavlamadan sonra bütün örnekler
daha geçirgen olmuşlardır ve onların görünür bölgedeki geçirgenlikleri % 85’ in
üzerindedir. Tavlama sıcaklığı 350’ den 450 °C’ ye arttırıldığında, optik
geçirgenliğin düştüğü gözlenmektedir. Diğer taraftan da, tavlama sıcaklığının daha
150
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
fazla arttırılmasıyla birlikte (550 °C’ ye) optik geçirgenliğin yeniden arttığı
gözlenmektedir. Buna ek olarak, 350-550 °C arasındaki oksidasyondan sonra bütün
örnekler için, 374.28 nm, 379.90 nm ve 378.04 nm de çok keskin yakın UV soğurma
kenarları gözlenmekte ve bu da onların yine saf ZnO fazına sahip olduklarını ve çok
kuvvetli UV soğurma nitelikleri sergilediklerini işaret etmektedir.
100
80
tavlanmamış
asdeposited
Geçirgenlik (%)
o
350 C
o
450 C
o
550 C
60
40
20
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Dalga boyu (nm)
Şekil 4.7. 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filminin ve bu filmlerin farklı tavlama sıcaklıkları için
optik geçirgenlik eğrileri.
151
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Soğurma katsayısı
(Soðurma kat.)
1.5
2.0
4
5.0x10
0.0
1.5
Necdet Hakan ERDOĞAN
2.5
3.0
3.5
3.0
3.5
o
350 C
o
450 C
o
550 C
2.0
2.5
Foton enerjisi (eV)
E(eV)
Şekil 4.8. 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için soğurma
katsayısının enerjiye gore değişimi.
152
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
10
5x10
10
(αhν)2(cm-2eV2)
4x10
10
3x10
o
350 C
o
450 C
o
550 C
10
2x10
10
1x10
0
3.1
3.2
3.3
3.4
Foton enerjisi (eV)
Şekil 4.9. 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için ( ℎ ) ’ nin
ℎ ’e gore grafiği .
Örneklerin, soğurma bölgesindeki,
(ℎ )’ nın foton enerjisine(ℎ ) karşı
grafiği Şekil 4.8 de ve ( ℎ ) ’ nin foton enerjisine(ℎ ) karşı grafiği de Şekil 4.9 de
gösterilmektedir. Oda sıcaklığında elde edilen (ℎ )’ nın foton enerjisine(ℎ ) karşı
grafiğine bakılacak olursa belirgin bir eksitonik soğurma gözlenmemektedir. O
halde, elde filmlerde oda sıcaklığında eksitonik etkiler ihmal edilebilir. Bu durumda,
optik bant aralığı,
, yine ( ℎ ) ’ nin foton enerjisine(ℎ ) karşı grafiğinde lineer
kısmın enerji eksenini kestiği yer dikkate alınarak tahmin edilmiştir. Bu durumda,
350, 450 ve 550 °C’ de elde edilen ZnO:N filmlerinin tahmin edilen optik bant
153
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
aralıkları, sırasıyla, 3.313 eV, 3.280 eV ve 3.264 eV olarak belirlenmiştir. Tavlama
sıcaklığının 350’ den 550 °C’ ye arttırılmasıyla, optik bant aralığının düştüğü
belirlenmiştir. Biz ileride bahsedilecek olan Hall ölçüm sonuçlarından, 350-450 °C
arasında tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte daha fazla azot alıcılarının aktif hale
geldiğini bilmekteyiz. Dolayısıyla,
’ de ki bu düşüş yine iyoniklikteki düşüşe ve
filmlerin içinde Zn-N bantlarının oluşumuna bağlanmıştır (Lu ve ark, 2003). Diğer
taraftan, tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla birlikte (550 °C’ ye), ZnO
içinde azot konsantrasyonunun azaldığını bilmekteyiz, dolayısıyla, tavlama
sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla birlikte azot film içinden çıkarken boşlukların
ve kusurların oluşmasına neden olmaktadır. Bu da, optik bant aralığı,
’ nin bir
miktar daha düşmesine neden olmaktadır (Wang ve ark, 2009).
Tablo 4.4. Farklı N2/O2 oranlarında film üretim koşulları
O5Nx
Taban
Basıncı
(Torr)
Ark
Gerilimi
(V)
Tetikleme
Gerilimi
(kV)
Gaz
Basıncı
(Torr)
Akış Hızı
(sscm)
O2
Atım
Sayısı
N2
O5N1
6.5x10 -6
500
20
1.1x10-3
5.09 1.00
800
O5N2
8.0x10 -7
500
20
1.3x10-3
5.08 2.00
800
O5N3
4.4x10 -6
500
20
1.4x10-3
5.08 3.00
800
O5N4
7.7x10 -7
500
20
1.5x10-3
5.08 4.05
800
O5N5
1.5x10 -6
500
20
1.8x10-3
5.00 5.00
800
Üretim koşulları Tablo 4.4 verilen, farklı N2/ O2 oranlarında cam alttabanlar
üzerine depolanan filmlerin optik geçirgenlik eğrileri Şekil 4.10 de gösterilmektedir.
154
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
100
90
80
geçirgenlik %
70
O5N1
60
O5N2
50
O5N3
40
O5N4
30
O5N5
20
10
0
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Dalgaboyu (nm)
Şekil 4.10 Farklı ⁄ oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450 ℃’ de
tavlanan filmlerin optik geçirgenlik eğrileri.
Oksijen akış oranı 5 sscm de sabit tutularak azot oranı 1 sscm’ den 5 sscm’ ye
değiştirilerek cam
alt
tabanlar
üzerine
depolanan
bütün filmlerin
optik
geçirgenliklerinin çinko fazlalığına bağlı olarak çok düşük oldukları belirlenmiştir.
Fakat, tavlanan filmlerin görünür bölgedeki geçirgenliklerinin % 85’ in üzerinde
oldukları görülmektedir.
Örneklerin,
soğurma
bölgesindeki,
’
nın
foton
enerjisine(ℎ ) karşı grafiği Şekil 4.11’ de ve ( ℎ ) ’ nin foton enerjisine(ℎ ) karşı
grafiği de Şekil 4.12’ de gösterilmektedir. Oda sıcaklığında elde edilen (ℎ )’ nın
foton enerjisine(ℎ ) karşı grafiğine bakılacak olursa belirgin bir eksitonik soğurma
gözlenmemektedir. O halde, elde edilen filmlerde oda sıcaklığında eksitonik etkiler
ihmal edilebilir. Bu durumda, optik bant aralığı,
155
, yine ( ℎ ) ’ nin foton
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
enerjisine(ℎ ) karşı grafiğinde lineer kısmın enerji eksenini kestiği yer dikkate
alınarak tahmin edilmiştir. Bu durumda, 450 °C’ de elde edilen ZnO:N filmlerinin
tahmin edilen optik bant aralıkları, O5N1, O5N2, O5N3, O5N4 ve O5N5 için sırasıyla,
3.263 eV, 3.258 eV, 3.258 eV, 3.258 eV ve 3.258 eV olarak belirlenmiştir. Artan
azot oranıyla birlikte optik bant aralığında önemli bir değişiklik gözlenmemektedir.
Azot oranındaki bu değişime rağmen, muhtemelen, filmlerin içerisindeki toplam azot
miktarında önemli bir fark olmadığı, bu nedenle de tavlamayla birlikte ZnO:N içinde
aktif hale gelen azot sayısında belirgin bir değişiklik olmadığı, anlaşılmaktadır.
5
1.0x10
4
8.0x10
Soğurma katsayısı
Soðurma kat.
O5N1
O5N2
4
6.0x10
O5N3
O5N4
4
O5N5
4.0x10
4
2.0x10
0.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Foton
E(eV)enerjisi (eV)
Şekil 4.11 Farklı ⁄ oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450℃ da
tavlanan filmlerin soğurma katsayısının enerejiye göre değişimi.
156
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
10
5x10
10
4x10
O5N1
(αhν)2(cm-2eV 2)
O5N2
O5N3
10
3x10
O5N4
O5N5
10
2x10
10
1x10
0
3.1
3.2
3.3
3.4
Foton enerjisi(eV)
Şekil 4.12. Farklı ⁄ oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450℃ da
tavlanan filmler için ( ℎ ) ’ nin ℎ ’e gore grafiği.
4.4.Elektriksel Özellikler
Sırasıyla, 20
ve 500
taban basıncı ve 9.2 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 3 × 10
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam
alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin ve farklı sıcaklıklarda tavlanan bu
filmlerin hall ölçümleri yapılmış ve ince filmler ve metal kontaklar arasındaki I-V
eğrileri elde edilmiştir. Omik kontaklar kare şeklinde kesilmiş örneklerin dört
köşesine indiyum metali lehimlenerek elde edilmişlerdir. Film üzerindeki dört
kontağı saatin tersi yönünde 1, 2, 3, 4 olarak numaralandırdığımızı düşünürsek,
157
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
ZnxNy filminin 450 °C’ de tavlanmasıyla elde edilen p-tipi ZnO:N üzerindeki
kontaklar için −
eğrileri Şekil 4.13 de gösterilmektedir.
-6
Akım (A)
Akım
(A)
1.0x10
I12-V12
I23-V23
I34-V34
-7
5.0x10
I41-V41
Gerilim (V)
Gerilim (V)
0.0
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-7
-5.0x10
-6
-1.0x10
Şekil 4.13. 9.2 × 10
basınç ve 500 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanarak 450 ℃ de tavlanan ZnxNy filminin yüzey
−
karakteristikleri.
Şekil 4.13 de görüldüğü gibi her bir kontak çifti arasında önemli bir sapma
gözlenmemektedir. Bu da ZnO:N filmi ve In elektrodu arasındaki omik kontağın
kurallara uygun bir biçimde yapıldığını desteklemektedir. Örrnekler üzerindeki
kontaklar
için,
−
eğrilerine
bakılacak
olursa,
mükemmel
lineerlik
gözlenmektedir, bu da ZnO:N ve In arasında iyi omik kontak yapıldığını
göstermektedir. Diğer örneklerdeki kontaklar için de,
158
−
eğrilerinde benzer
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
lineerlik gözlenmiştir. Hall ölçümleri için manyetik alan değeri 0.54
Tipik akım değerleri, depolanan ZnxNy için 1
edilen ZnO:N filmi için 0.05
’ dır.
, 350 °C tavlama sıcaklığında elde
ve diğer ZnO:N filmleri için ise 1
olarak
seçilmiştir. Hall ölçümleri her bir örnek için ölçüm güvenliğini sağlama almak üzere
bir kaç kere tekrarlanmıştır. Hall etkisi ölçüm sonuçları Tablo 4.5 de özetlenmiştir.
Tablo 4.5 9.2 × 10
basınç ve 500
ark voltajıyla oda sıcaklığında tutulan
cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin ve bu filmlerin
farklı tavlama sıcaklıklarındaki hall etkisi ölçümleri
1.85×10-1
4.36×10-3
n
350
2.17×1014
1.16×102
2.46×102
P
400
2.37×1016
4.47×100
5.87×101
P
450
2.08×1017
6.73×10-1
4.45×101
P
500
8.66×1015
8.25×100
8.72×101
P
550
6.60×1016
3.93×100
2.39×101
n
Tavlanmamış
ZnxNy
Mobilite
(cm2/Vs)
Direnç
(Ω cm)
İletkenlik
tipi
Taşıyıcı
konsantrasyonu
(cm-3)
7.70×1021
Tavlama sıcaklığı
(°C)
Depolanan ZnxNy filminin n-tipi olduğu ve onun direncininde yapısındaki
fazla çinkoya bağlı olarak çok düşük olduğu belirlenmiştir. Hemen hemen aynı
sonuçlar magnetron söktürme yöntemiyle Ar plazmada depolanan ZnxNy filmleri için
rapor edilmiştir.(V. Kambilafka ve ark.)
159
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Burada elde edilen hall ölçüm sonuçları temelde Wang tarafından elde edilen
sonuçlarla benzerlik göstermektedir (Wang ve ark, 2003). Genel olarak bakılacak
olursa, ZnxNy filmi içindeki N atomları hava ortamında ısısal tavlamayla birlikte O
atomları ile yer değiştirmektedirler. Yeni oluşan ZnO:N filmleri içerisideki dirençli
N atomları tavlama işlemleriyle kontrol edilebilen alıcılar olarak rol oynamaktadırlar.
Depolanan ZnxNy filmleri 350 ve 500 °C arasında 1 saat süreyle tavlandıklarında ptipi ZnO:N filmleri elde edilmiştir. Tablo 4.5’ de görüldüğü gibi tavlama sıcaklığının
350’ den 450 °C’ ye artmasıyla birlikte ZnO:N içinde N alıcıları gitgide aktif hale
gelecekler, dolayısıyla bunlarda ZnO:N içindeki özden kusurlar tarafından üretilen
elektronları gitgide kompanse edecekler ve sonuçta deşik konsantrasyonu artacaktır.
(Li ve ark, 2003). Buna rağmen, tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla
birlikte (500 °C’ ye), Zn-N bağlarının bir kısmı kırılacak ve N iyonları ZnO:N
filminin içerisine difüzyon edeceklerdir. Daha sonra azotun bir miktarı, özellikle de
ara yer sitelerinden olmak üzere filmden kaçacaktır. Bu süreç, vericiler olarak rol
oynayan özden kusurların artmasına neden olacaktır. Bu nedenden dolayı, deşik
konsantrasyonu 500 °C’ de düşecektir. Tavlama sıcaklığı 550 °C’ ye yükseldiğinde,
daha fazla azot filmden kaçacaktır (ilk olarak arayer sitelerinden, daha sonra oksijen
ile yerdeğiştirdiği siteden), dolayısıyla deşik konsantrasyonu oldukça azalacaktır.
Sonunda, özden kusurların yoğunluğu baskın olacak ve iletkenlik tipi p-tipinden ntipine dönecektir (Yuan ve ark, 2007; Wang ve ark, 2005). En iyi sonuçlar,
44.50 Ω
lik bir direnç, sırasıyla, 2.08 × 10
ve 0.673
⁄
lik bir
deşik konsantrasyonu ve Hall mobilitesiyle birlikte 450 °C’ de elde edilen film için
gerçekleştirilmiştir. Dokuz ay sonra, 450 °C’ de elde edilen ZnO:N filmi,
49.58 Ω
1.29
’
⁄
lik
bir
direnç,
9.71 × 10
deşik
konsantrasyonu
ve
Hall mobilitesi sergilemiştir. Dolayısıyla, 450 °C’ de 1 saat süreyle
tavlanarak elde edilen p-tipi ZnO:N filmlerinin kararlılığı kanıtlanmış olmaktadır.
Düşük sıcaklıklarda, iyonize olmuş safsızlıklar gibi kristal kusurlardan
saçılma baskın mekanizma olarak karşımıza çıkar. Tablo 4.5’ den de görüldüğü gibi,
deşik konsantrasyonunun artmasıyla birlikte mobilitede bir düşüş gözlenmektedir.
Bundan dolayı, artan taşıyıcı konsantrasyonu ile birlikte mobilitedeki bu düşüş için,
deşiklerin iyonize olmuş N alıcılarından şaçılması sorumludur diyebiliriz.
160
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Katkı mekanizmasını anlamak ve tavlama sıcaklığının N-katkılı ZnO
filmlerin elektriksel özellikleri üzerindeki etkisini incelemek için, sırasıyla, 20
580
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 2.6 × 10
8.5 × 10
ve
taban basıncı ve
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar
üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıklarından sonraki Hall
ölçüm sonuçları elde edilmiştir. Omik kontaklar kare şeklinde kesilmiş örneklerin
dört köşesine indiyum metali lehimlenerek elde edilmişlerdir. Örrnekler üzerindeki
kontaklar için, −
eğrilerinden gözlenen mükemmel lineerlik, N katkılı ZnO ve In
arasında iyi omik kontak yapıldığını göstermektedir. Hall ölçümleri için manyetik
alan değeri 0.54
1
dır. Tipik akım değerleri, 350 °C’ de depolanan ZnxNy için
ve 450-550 °C arasında ZnxNy filmlerinin oksitlenmesiyle elde edilen filmler
için 0.5
olarak seçilmiştir. Hall ölçümleri her bir örnek için ölçüm güvenliğini
sağlama almak üzere bir kaç kere tekrarlanmıştır. Oda sıcaklığında elde edilen Hall
etkisi ölçüm sonuçları Tablo 4.6 de özetlenmiştir.
161
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Tablo 4.6 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla oda sıcaklığında tutulan
cam alt tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin ve bu filmlerin
farklı tavlama sıcaklıklarındaki hall etkisi ölçümleri
Tavlama
sıcaklığı
(oC)
İletkenlik
tipi
350
Taşıyıcı
konsantrasyonu
(cm-3)
4.61×1012
1.34×102
1.01×104
n or p
450
2.03×1016
1.90×101
1.61×101
P
550
6.47×1016
1.67×100
5.74×101
n
Mobilite
(cm2/Vs)
Direnç
(Ω cm)
350 °C’ de elde edilen film belirsiz bir iletkenlik tipi göstermektedir. Buna
rağmen tavlama sıcaklığının 350’ den 450 °C’ ye artmasıyla birlikte, N alıcıları
gitgide aktif hale gelmekte ve dolayısıyla gitgide daha fazla deşik üretilmekte olup,
bu da deşik konsantrasyonunun artmasına neden olmaktadır. Bu nedenle, 450 °C’ de
elde edilen film kuşkusuz p-tipi iletkenlik göstermektedir (Li ve ark, 2003; Wang ve
ark, 2003). Buna rağmen, tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla birlikte (550
°C’ ye), iletkenlik tipi p-tipinden n-tipine değişmektedir. Bu sonuç, daha önce rapor
edildiği gibi, tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte, N katkılı ZnO içinde N
konsantrasyonunun azalmasına bağlanmaktadır (Li ve ark, 2003; Zheng ve ark,
2007). En iyi sonuçlar, 16.1 Ω
0.19
⁄
’ lik bir direnç, sırasıyla, 2.03 × 10
ve
’ lik bir deşik konsantrasyonu ve Hall mobilitesiyle birlikte 450 °C’ de
elde edilen film için gerçekleştirilmiştir.
Farklı N2/O2 oranlarında ince filmler üretilmiş olup bu filmler 450 °C’ de
tavlanarak Hall etkisi ölçümleri yapılmıştır. Omik kontaklar yine kare şeklinde
kesilmiş örneklerin dört köşesine indiyum metali lehimlenerek elde edilmişlerdir.
Örrnekler üzerindeki kontaklar için,
−
eğrilerinden gözlenen mükemmel
lineerlik, ZnO:N ve In arasında iyi omik kontak yapıldığını göstermektedir. Hall
ölçümleri için manyetik alan değeri 0.54
162
dır. Tipik akım değerleri bütün
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
filmler için 1
Necdet Hakan ERDOĞAN
olarak seçilmiştir. Hall ölçümleri her bir örnek için ölçüm
güvenliğini sağlama almak üzere bir kaç kere tekrarlanmıştır. Üretim koşulları daha
önce Tablo 4.4 de verilen, oksijen akış oranı 5 sscm’ de sabit tutularak azot oranı 1
sscm’ den 5 sscm’ ye değiştirilerek cam alt tabanlar üzerine depolanan ve daha sonra
450 °C’ de tavlanan filmlerin Hall etkisi ölçüm sonuçları Tablo 4.7 de verilmektedir.
Hall etkisi ölçüm sonuçları oda sıcaklığında elde edilmiştir.
Tablo 4.7. Farklı ⁄ oranlarında cam alttabanlar üzerine depolanarak 450℃ de
tavlanan N katkılı ZnO filmleri için Hall etkisi ölçümleri
Örnek
Kalınlık
Hall
Taşıyıcı
Özdirenç
Taşıyıcı
Mobilitesi
Yoğunluğu
Tipi
(Ωcm)
(nm)
(cm2/Vs)
(1/cm3)
O5N1
187
112
+2.83x1015
19.67
p
O5N2
192
23.14
+8.06x1015
33.47
p
O5N3
184
14.83
+2.09x1016
20.10
p
O5N4
188
19.97
+1.04x1016
29.82
p
O5N5
186
19.79
+1.27x1016
25.72
p
İlk olarak, oksijen akış oranı 5 sscm’ de sabit tutularak azot oranı 1 sscm’ den
5 sscm’ ye değiştirilerek cam alt tabanlar üzerine depolanan bütün filmlerin taşıyıcı
konsantrasyonlarının (~ 10
10
Ω
) yüksek ve dirençlerinin (10
− 10
−
) düşük oldukları belirlenmiştir ve iletkenlik tipleri kararsızdır.
Dolayısıyla bu filmlerinde çinko zengini oldukları anlaşılmaktadır.
Tablodan 4.7’ den de görüldüğü gibi O2/N2 oranı 5/1’ de başlayarak 5/3’ e
ulaşana kadar filmdeki taşıyıcı konsantrasyonunun bir miktar arttığı görülmektedir.
163
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Dolayısıyla, film içindeki N oranı arttıkça tavlamayla birlikte azot alıcılarının biraz
daha fazla aktif hale geldikleri görülmektedir. Buna rağmen, O2/N2 oranın 5/5’ e
kadar arttırılmasına rağmen taşıyıcı konsantrasyonunun artmadığı, aksine çok küçük
bir miktarda olsa azaldığı gözlenmektedir. Buradan da daha önce bahsedildiği gibi,
film üretirken ortamdaki N2 oranını arttırmanın film içerisindeki azot miktarını yeteri
kadar arttırmadığı tahmin edilebilir. Bunun nedeni de oksijenin azottan daha aktif
olmasına ve dolayısıyla çinko ile bağ yaparken oksijeni daha çok tercih etmesine
bağlanabilir.
4.5. Fotolüminesans Özellikler
20
ve 580
basıncı ve 8.5 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 2.6 × 10
taban
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt
tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıklarından sonraki
fotolüminesans ölçümleri elde edilmiştir. Farklı tavlama sıcaklıklarında elde edilen
filmlerin oda sıcaklığı fotolüminesans ölçümleri Şekil 4.14 de gösterilmektedir.
Fotolüminesans spektrumuna bakılacak olursa, 350 °C’ de elde edilen ZnO:N için
3.327 eV’ de bir yayınım piki ve 450-550 °C arasında elde edilen ZnO:N filmleri
için de 3.294 eV’ de yayınım pikleri gözlenmektedir. 3.327 eV ve 3.294 eV’ de ki
yakın bant kenarı (NBE) morötesi (UV) yayınımların kaynağı serbest eksitonların
yeniden birleşmesidir (Erie ve ark, 2008; Zhu ve ark, 2009; Zheng ve ark, 2007). Bu
lüminesans, muhtemelen serbest eksiton ve bağ eksitonlarının üst üste binmesinden
kaynaklanabilir (Li ve ark, 2003). Bunu anlayabilmek için düşük sıcaklık
fotolüminesans çalışması yapmak gerekmektedir. Oda sıcaklığı fotolüminesans
çalışmasında, ısısal etkilerden dolayı, örneğin, verici-alıcı çifti geçişleri (
nötral alıcı bağ eksiton yayınımı (
) veya
) gibi azot ilişkili yayınımlar gözlenmemiştir
(Zheng ve ark, 2007). Aynı zamanda, 2.13-2.17 eV arasında geniş bir derin düzey
kusur ilişkili yayınım pikleri gözlenmektedir ve bunların kaynağı olarak da oksijen
boşlukları çinko ara yer atomları gibi kusurlar gösterilebilir (Wang ve ark, 2008).
Tavlama sıcaklığının 350’ den 550 °C’ ye artmasıyla birlikte, bu piklerin şiddetinin
164
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
arttığı gözlenmektedir ve bu da tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte nokta
kusurların arttığını işaret etmektedir.
0
Şiddet (keyfi birim)
Intensity (a.u.)
550 C
0
450 C
0
350 C
1.8
2.1
2.4
2.7
3.0
3.3
3.6
Enerji
(eV)
Energy
(eV)
Şekil 4.14. 8.5 × 10
basınç ve 580 ark voltajıyla cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıkları için oda sıcaklığı
fotolüminesans spektrası
4.6. Farklı Eklem (Hetero-Junction) Yapılar
Alttabaka materyali olarak 1 − 20 Ω
direnciyle birlikte n-tipi (100)
yönelimli tek kristal silisyum seçilmiştir. Bu silisyum tabakası aseton ile ultrasonik
olarak 10 dakika temizlenmiştir. Daha sonra saf su ile temizlenerek Azot ile
kurutulmuştur. Bu tabaka üzerine n-tipi ZnxNy ince filmi üretilmiştir. Üretilen bu
165
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
film 450 °C’ de 1 saat tavlandıktan sonra aşağıda çizilen yapı oluşturulacak şekilde,
maskeleme yapılarak, örnek termal vakum buharlaştırıcıya transfer edilmiştir.
Zn(%80)-Al(%20) alaşımı kullanılarak metal elektrotlar buharlaştırılmıştır.
Aşağıda kesiti verilen yapıyı oluşturmak için üretilen tipik bir örnek için
üretim koşulları verilmiştir.
n tipi silisyum üzerine ZnxNy üretildi
Taban Basıncı: 7x10-6 Torr
Ark Gerilimi: 500 V
Zn(Al)
Tetikleme Gerilimi: 20 kV
p-tipi ZnO
Zn(Al)
Gaz Basıncı: 9.5x10 -4 Torr
n-tipi Si
Akış Hızı: 3.52 sscm
Atım Sayısı: 800
n-tipi silisyum/p-tipi ZnO heteroekleminin oda sıcaklığında ölçülen
−
karakteristiği Şekil 4.15 de gösterilmektedir. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero
ekleminin
−
karakteristiği belirgin diyot
sergilemektedir.
166
benzeri
doğrultucu davranış
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
10
Akım (nA)
Akύm(nA)
8
6
4
2
0
-2
-1
0
1
Gerilim
(V)
Gerilim(V)
2
-2
Şekil 4.15. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero ekleminin oda sıcaklığında ölçülen
− karakteristiği.
Ters öngerilim voltajı altında sızıntı akımının oldukça küçük olduğu
belirlenmiştir. Bir diyodun tipik −
karakteristiği aşağıdaki bilinen diyot denklemi
ile tanımlanabilir.
=
−1 ,
167
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Burada,
Necdet Hakan ERDOĞAN
, ters doyma akımı,
Boltzmann sabiti ve
, elektronun yükü,
, ideallik faktörü,
,
mutlak sıcaklıktır ( Zhang ve ark, 2006). İdeallik katsayısı da
aşağıdaki eşitlik ile hesaplanabilir (Chaabouni, 2006);
=
(
)
Şekil 4.16 de gösterilen ln( ) −
grafiğinin eğiminden, 1 <
arasında uygulanan öngerilim için, diyot ideallik katsayısı,
< 1.7
, oda sıcaklığında
yaklaşık ~6 olarak bulunmuştur. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero eklemi için
1<
< 1.7
aralığında ideallik katsayısının birim değerden sapması tünelleme
yeniden birleşmesine bağlanabilir( Zhang ve ark, 2006) .
3
2
1
lnI
0
-1
-2
-3
-4
-5
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Gerilim(V)
Şekil 4.16. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO hetero eklemi için ileri öngerilim voltajı altında
− karakteristiği.
168
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
Yine, alttabaka materyali olarak 1 − 20 Ω
direnciyle birlikte n-tipi (100)
yönelimli tek kristal silisyum seçilerek, bu tabaka üzerine aşağıda üretim koşulu
verilen film yapılarak 450 °C’ de tavlanmıştır. Daha sonra ısısal buharlaştırma
yöntemiyle maskeleme yapılarak şekilde görüldüğü gibi alt tabaka ve film üzerine Al
kontaklar yapılmıştır. Elde edilen n-tipi silisyum/p-tipi ZnO:N heteroekleminin oda
sıcaklığında ölçülen −
karakteristiği Şekil 4.17 de gösterilmektedir
Taban Basıncı: 5x10-6 Torr
Ark Gerilimi: 500 V
Tetikleme Gerilimi: 20kV
(Al)
p-tipi ZnO
(Al)
Gaz Basıncı: 1.4x10 -3 Torr
n-tipi Si
Akış Hızı: O2=5 sscm N2=3 sscm
Atım Sayısı: 800
169
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
3.5
Akım (nA)
Akım(µA)
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-2
0 Gerilim
(V)1
Gerilim(V)
-1
2
-0.5
-1.0
Şekil 4.17. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO:N heteroekleminin oda sıcaklığında ölçülen
−
karakteristiği.
n-tipi silisyum/p-tipi ZnO heteroekleminin
−
karakteristiği Şekil 4.17’
den de görüldüğü gibi yine belirgin diyot benzeri doğrultucu davranış
sergilemektedir. Ters öngerilim voltajı altında sızıntı akımının bu durumda da
oldukça küçük olduğu belirlenmiştir. Şekil 4.18’ de gösterilen ln( ) −
eğiminden, 0.8 <
< 1.5
grafiğinin
arasında uygulanan öngerilim için, diyot ideallik
katsayısı, , oda sıcaklığında yaklaşık ~6 olarak bulunmuştur. n-tipi silisyum/p-tipi
ZnO:N hetero eklemi için 0.8 <
< 1.5
aralığında ideallik katsayısının birim
değerden sapması yine tünelleme yeniden birleşmesine bağlanabilir( Zhang ve ark,
2006).
170
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
1
0
lnI
-1
-2
-3
-4
-5
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
Gerilim(V)
Şekil 4.18. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO:N hetero eklemi için ileri öngerilim voltajı
altında
− karakteristiği.
171
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Necdet Hakan ERDOĞAN
172
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
5.1 Filmlerin Yapısal Özellikleri
Elde edilen bütün ZnxNy filmlerinin ve 350 °C’ de tavlanan bütün ZnxNy
filmlerinin XRD desenlerinde herhangi bir pik gözlenmemiştir, buradan da onların
amorf yapıya sahip olduklarını anlamaktayız. Bu filmlerin amorf yapıda olmasına
neden olan, yüksek depolama oranı, düşük alttaban sıcaklığı gibi, bir kaç faktör
olabilir. Fakat tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla birlikte, bütün filmlerin
karma yönelimle birlikte polikristal hekzagonal (würtzite) yapıya sahip saf ZnO
filmlerine dönüştükleri XRD desenlerinden anlaşılmaktadır.
Özellikle elektriksel özellikleri incelenmek üzere, sırasıyla, 20
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 3 × 10
10
ve 500
taban basıncı ve 9.2 ×
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filmlerinin XRD desenlerinde, 400-550 °C arasındaki tavlandıktan
sonra, 2Ө=31.69°, 36.24°, 56.53° ve 34.45°’ de kırınım pikleri gözlenmektedir ve bu
piklerin sırasıyla Hekzagonal ZnO’ nun (100), (101), (110) ve (002) düzlemlerine ait
oldukları anlaşılmaktadır. Daha sonra, Scherrer formülü kullanılarak tanecik
büyüklükleri hesaplanmıştır. Tanecik büyüklüklerinin 7.96 nm ve 38.41 nm arasında
olduğu belirlenmiştir. Ayrıca tavlama sıcaklığının artmasıyla beraber tanecik
büyüklüğünün arttığı gözlenmekte ve bu sonuçla birlikte tavlama sıcaklığının
artmasıyla kristalliğin daha iyiye gittiği söylenebilmektedir. XRD datalarından,
(100), (101) ve (110) yönelimlerinin her biri için düzlemler arası uzaklık,
,
sırasıyla, 0.28230 nm, 0.24784 nm ve 0.16276 nm olarak hesap edilmiştir. Bunlar,
(100), (101) ve (110) için, sırasıyla, 0.282 nm, 0.248 nm ve 0.163 nm olan bulk
değerleriyle
(JCPDS
card
No.
80–0075)
(Kumbhakar
ve
ark,
2008)
karşılaştırdığımızda bribirlerine çok yakın oldukları görülmektedir. Bu da filmlerdeki
stresin çok küçük olduğunu göstermektedir.
580
Özellikle fotolüminesans özellikleri incelemek üzere, sırasıyla, 20
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 2.6 × 10
8.5 × 10
ve
taban basıncı ve
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar
173
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
üzerine depolanan ZnxNy filmleri 450 ve 550 °C’ de tavlandıktan sonra, 2Ө=32.49°,
35.08°, 36.91° ve 57.20°’ de kırınım pikleri gözlenmektedir. Bu piklerin de sırasıyla
Hekzagonal ZnO’ nun (100), (002), (101) ve (110) düzlemlerine ait oldukları
anlaşılmıştır. Daha sonra, Scherrer formülü kullanılarak tanecik büyüklükleri
hesaplanmıştır. Tanecik büyüklüklerinin 9.75 nm ve 36.37 nm arasında olduğu
belirlenmiştir. XRD datalarından, (100), (002), (101) ve (110) yönelimlerinin her biri
için düzlemler arası uzaklık, , sırasıyla, 0.27553 nm, 0.25576 nm, 0.24349 nm ve
0.16102 nm olarak hesap edilmiştir. Bunları bulk değerleriyle karşılaştırdığımızda
daha küçük oldukları görülmektedir. Bu da filmlerde sıkıştırıcı stresin olduğuna
işaret etmektedir. Bu durumun oluşmasında nokta kusurların oluşumunun etkin
olduğu düşünülmektedir (Zhu ve ark, 2009). Bunun yanında, artan tavlama
sıcaklığıyla birlikte, her bir yönelim için kırınım pik pozisyonlarının önemli ölçüde
değişmediği gözlenmiştir ve buradan da ZnO örgü sabitlerinin hemen hemen tavlama
sıcaklığından bağımsız oldukları anlaşılmaktadır.
5.2. Elementel analiz
500
10
Polikristal ZnO filmlerin içindeki azotun varlığını saptamak için, 20
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 3 × 10
ve
taban basıncı ve 9.2 ×
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar üzerine
depolanan ZnxNy filminden 450 °C’ de ki oksidasyodan sonra elde edilen örneğin
EDX ölçüm sonuçlarından, N, Zn, O ve Si konsantrasyonu atomik olarak, sırasıyla
0.89 %, 28.01 %, 60.35 % and 7.09 % olarak bulunmuştur. Bu sonuçlardan sonra,
azot atomlarının ZnO içerisine yeteri kadar dahil edildiğini söyleyebiliriz.. Film
içerisinde, örneğin, Si, Ca gibi diğer elementlerin olması beklenmemektedir.
Dolayısıyla, oksijenin bir kısmı ve diğer elementler alttabandan kaynaklanmış
olabilir.
5.3. Filmlerin Optiksel Özellikleri
174
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
Elde edilen bütün ZnxNy filmlerinin optik geçirgenlik değerlerinin oldukça
düşük oldukları gözlenmektedir. Bu durumun, Hall analizinden de anlaşıldığı gibi,
aşırı çinko fazlalığından kaynaklandığı belirlenmiştir. Fakat, tavlamadan sonra bütün
örneklerin geçirgenliğinin oldukça yüksek oldukları gözlenmiş olup, onların görünür
bölgedeki geçirgenliklerinin % 80’ lerden başlayarak % 90’ lara varan oranlarda
oldukları belirlenmiştir. Buna ek olarak, 350 ve 550 °C arasındaki oksidasyondan
sonra bütün örnekler için 374 nm ve 378 nm arasındaki civarlarda çok keskin yakın
UV soğurma kenarları gözlenmekte olup, bu da onların saf ZnO fazına sahip
olduklarını ve çok kuvvetli UV soğurma nitelikleri sergilediklerini işaret etmektedir.
350 ve 550 °C arasında elde edilen ZnO:N filmlerinin tahmin edilen optik bant
aralıkları 3.313 ile 3.264 eV arasında belirlenmiştir. Tavlama sıcaklığının 350’ den
ve 450 °C’ ye arttırılmasıyla, optik bant aralığının düştüğü belirlenmiştir. Hall ölçüm
sonuçlarından, 350 ve 550 °C arasında tavlama sıcaklığının artmasıyla birlikte azot
alıcılarının gitgide aktif hale geldiğini bilmekteyiz. Bu durum, filmlerin içinde Zn-N
bantlarının oluşumuna yol açmakta ve oksijenin elektronegativitesi, azotun
elektronegativitesinden daha büyük olduğundan dolayı bu da iyoniklikte düşüşe
neden olmakta ve sonuç olarak optik bant aralığı düşmektedir.
5.4 Filmlerin Elektriksel Özellikleri
Filmlerin elektriksel özelliklerini belirlemek üzere Hall ölçümleri yapılmıştır.
Omik kontaklar kare şeklinde kesilmiş örneklerin dört köşesine indiyum metali
lehimlenerek elde edilmişlerdir. Bütün örrnekler üzerindeki kontaklar için,
−
eğrilerine bakılmıştır ve mükemmel lineerlik gözlenmiştir. Buradan da örnekler ve In
arasında iyi omik kontak yapıldığı anlaşılmıştır. Depolanan bütün ZnxNy filmlerinin
n-tipi olduğu ve onların dirençlerinin, yapılarındaki fazla çinkoya bağlı olarak çok
düşük oldukları belirlenmiştir. Bu filmler için, genelde, taşıyıcı konsantrasyonu
~ 10
10
ve direnç 10
10
Ω
civarlarında bulunmuştur.
Hemen hemen aynı sonuçlar magnetron söktürme yöntemiyle Ar plazmada
depolanan ZnxNy filmleri için rapor edilmiştir (V. Kambilafka ve ark.). Depolanan
ZnxNy filmlerinin 350 ve 550 °C arasında 1 saat süreyle hava ortamında
175
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
tavlanmasıyla birlikte p-tipi ZnO:N filmleri elde edilmiştir. Hall analizlerinden, 350
°C’ de elde edilen filmlerin taşıyıcı konsantrasyonunun düşük ve direncinin yüksek
olduğu ve iletkenlik tipinin belirsiz olabildiği belirlenmiştir. Bununla birlikte,
tavlama sıcaklığının 350’ den 450 °C’ ye artmasıyla birlikte N alıcılarının gitgide
daha fazla sayıda aktif hale gelmesine bağlı olarak deşik konsantrasyonunun arttığı
belirlenmiştir. Buna rağmen, tavlama sıcaklığının daha fazla arttırılmasıyla birlikte
(500 °C’ ye), film içerisinden bir miktar azotun kaçmasına bağlı olarak deşik
konsantrasyonunun
düştüğü
gözlenmiştir.
Tavlama
sıcaklığı
550
°C’
ye
yükseldiğinde ise film içerisinde elektronları kompanse edecek yeterli miktarda azot
kalmadığından dolayı, iletkenlik tipinin p-tipinden n-tipine değiştiği belirlenmiştir.
En iyi sonuçlar, 44.50 Ω
⁄
0.673
’ lik bir direnç, sırasıyla, 2.08 × 10
ve
’ lik bir deşik konsantrasyonu ve Hall mobilitesiyle birlikte 450 °C’
de elde edilen film için gerçekleştirilmiştir. Dokuz ay sonra, 450 °C’ de elde edilen
ZnO:N filmi, 49.58 Ω
1.29
⁄
’ lik bir direnç, 9.71 × 10
deşik konsantrasyonu ve
Hall mobilitesi sergilemiştir. Dolayısıyla, 450 °C’ de 1 saat süreyle
tavlanarak elde edilen p-tipi ZnO:N filmlerinin kararlılığı kanıtlanmış olmaktadır.
Düşük sıcaklıklarda, örneğin, iyonize olmuş safsızlıklar gibi kristal kusurlardan
saçılma baskın mekanizma olarak karşımıza çıkar. Elde edilen sonuçlardan, deşik
konsantrasyonunun artmasıyla birlikte mobilitede bir düşüş gözlenmektedir. Bundan
dolayı, artan taşıyıcı konsantrasyonu ile birlikte mobilitedeki bu düşüş için,
deşiklerin iyonize olmuş N azot alıcılarından şaçılması sorumludur diyebiliriz.
Oksijen akış oranı 5 sscm de sabit tutularak azot oranı 1 sscm den 5 sscm ye
değiştirilerek cam
alt
tabanlar
üzerine
depolanan
bütün filmlerin
geçirgenliklerinin çok düşük ve taşıyıcı konsantrasyonlarının (~ 10
yüksek ve dirençlerinin (10
10
Ω
− 10
optik
)
) düşük oldukları belirlenmiştir ve
iletkenlik tipleri kararsızdır. Dolayısıyla bu filmlerinde çinko zengini oldukları
anlaşılmaktadır. Bu durumda, ortama aynı anda oksijen ve azot verilmesiyle direkt
olarak p-tipi örnekler elde edilememektedir. Fakat bu filmler 450 °C’ de tavlandıktan
sonra kararlı p-tipi iletkenlik sergilemişlerdir. N2 oranının 1 sccm’ den 3 sccm’ ye
artmasıyla azot alıcılarının biraz daha fazla aktif hale gelmesine bağlı olarak taşıyıcı
konsantrasyonunun bir miktar arttığının gözlenmesine rağmen, N2 oranının daha
176
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
fazla artmasıyla (5 sccm’ ye) taşıyıcı konsantrasyonunun daha fazla artmadığı
belirlenmiştir.
5.5 Filmlerin Fotolüminesans Özellikleri
20
ve 580
basıncı ve 8.5 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 2.6 × 10
taban
çalışma basıncında, oda sıcaklığında tutulan cam alt
tabanlar üzerine depolanan ZnxNy filmlerinin farklı tavlama sıcaklıklarından sonraki
fotolüminesans ölçümleri elde edilmiştir. Oda sıcaklığı fotolüminesans ölçümleri,
350 °C’ de elde edilen ZnO:N için 3.327 eV’ de ve 450-550 °C arasında elde edilen
ZnO:N filmleri için de 3.294 eV civarında(UV) yayınım pikleri açığa çıkarmıştır. Bu
yakın bant kenarı(NBE) morötesi(UV) yayınımların kaynağı serbest eksitonların
yeniden birleşmesidir. (Erie ve ark, 2008; Zhu ve ark, 2009; Zheng ve ark, 2007). Bu
pikler geniş olduğundan dolayı, bu lüminesansın serbest eksiton ve bağ eksitonlarının
üst üste binmesinden kaynaklanabileceği düşünülmüştür. (Li ve ark, 2003). Oda
sıcaklığı fotolüminesans çalışmasında, ısısal etkilerden dolayı, örneğin, verici-alıcı
çifti geçişleri (
) veya nötral alıcı bağ eksiton yayınımı (
) gibi azot ilişkili
yayınımlar gözlenmemiştir (Zheng ve ark, 2007). Aynı zamanda, 2.13-2.17 eV
arasında geniş bir derin düzey kusur ilişkili yayınım pikleri gözlenmektedir ve
bunların kaynağı olarak da oksijen boşlukları çinko ara yer atomları gibi kusurlar
gösterilebilir (Wang ve ark, 2008). Tavlama sıcaklığının 350’ den 550 °C’ ye
artmasıyla birlikte, bu piklerin şiddetinin arttığı gözlenmektedir ve bu da tavlama
sıcaklığının artmasıyla birlikte nokta kusurların arttığını işaret etmektedir.
5.6. Diyot Özellikleri
Diyot özelliklerini incelenmek üzere, n-tipi (100) yönelimli tek kristal
silisyum alt tabakası üzerine, sırasıyla, 20
birlikte, 7 × 10
ve 500
taban basıncı ve 9.5 × 10
tetikleyici ve ark voltajıyla
çalışma basıncında, ZnxNy
filmi depolanarak 450 °C’ de 1 saat tavlandıktan sonra Al elektrotlar yapılan, n-tipi
silisyum/p-tipi ZnO heteroekleminin oda sıcaklığında ölçülen
177
−
eğrisinden, bu
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
eklemin belirgin diyot benzeri doğrultucu davranış sergilediği belirlenmiştir. Ters
öngerilim voltajı altında sızıntı akımının oldukça küçük olduğu belirlenmiştir.
1<
< 1.7
arasında uygulanan öngerilim için, diyot ideallik katsayısı, n,
hesaplanarak, oda sıcaklığında yaklaşık ~6 olarak bulunmuştur. n-tipi silisyum/p-tipi
ZnO heteroeklemi için ideallik katsayısının birim değerden sapmasının nedeninin
tünelleme yeniden birleşmesine olabileceği düşünülmüştür. ( Zhang, 2005) .
Yine n-tipi (100) yönelimli tek kristal silisyum alt tabakası üzerine, sırasıyla,
20
ve 500
tetikleyici ve ark voltajıyla birlikte, 5 × 10
taban basıncı, 5
sccm O2 ve 3 sccm N2 akış oranıyla ZnxNy filmi depolanarak 450 °C’ de 1 saat
tavlandıktan
sonra
Al
elektrotlar
yapılan,
heteroekleminin oda sıcaklığında ölçülen
−
n-tipi
silisyum/p-tipi
ZnO:N
eğrisinden, bu eklemin de belirgin
diyot benzeri doğrultucu davranış sergilediği belirlenmiştir. Ters öngerilim voltajı
altında yine sızıntı akımının oldukça küçük olduğu belirlenmiştir. 0.8 <
< 1.5
arasında uygulanan öngerilim için, diyot ideallik katsayısı, n, hesaplanarak, oda
sıcaklığında yaklaşık ~6 olarak bulunmuştur. n-tipi silisyum/p-tipi ZnO:N
heteroeklemi için ideallik katsayısının birim değerden sapmasının nedeninin aynı
şekilde tünelleme yeniden birleşmesinden kaynaklanabileceği düşünülmüştür
(Zhang, 2005).
5.7. Öneriler
Filmler oda sıcaklığında tutulan cam alt tabanlar üzerine elde edildikten
sonar, filmlerdeki çinko oranının çok fazla olduğu ve depolanan bütün filmlerin
amorf yapıda oldukları bilinmektedir. Ancak tavlama işleminden sonra polikristal
filmler elde edilebilmektedir. Bu durumu düzeltmek için sistem optimize edilebilir.
Belirli bir basıncın üzerinde çalışamadığımız için ark voltajı değiştirilerek
sitokiyometrik yapı sağlanabilir. Ark voltajı düşürüldüğünde depolanan atomların alt
tabana varış enerjileri azalacağından dolayı, alt tabana bir öngerilim uygulayarak
veya aynı zamanda alt taban ısıtılarak daha iyi özellikli filmler elde edilebilir. Bu
çalışmada elde edilen filmler ile, silisyum alt tabakası kullanılarak hetero eklem elde
edilebilmektedir. Tübitak projesi kapsamında homoeklem ve schotky diyot
denemeleri
yapıldıysa
da,
sistem en iyi
hala
getirilerek bu
denemeler
sürdürülebilecektir. Ayrıca elde edilen filmler saf oksijen, azot ve vakum ortamında
178
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
tavlanarak sonuçlar diğerleriyle karşılaştırrılmalıdır. Ayrıca, daha iyi özellikli filmler
elde etmek için farklı alt tabanlar da denenmelidir. Sonuç olarak, en iyi şartlara
ulaştıktan sonra, LED, homoeklem, schottky diyot ve ince film transistor gibi aygıt
tasarımları yapılabilecektir.
179
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Necdet Hakan ERDOĞAN
180
KAYNAKLAR
AYADİ, Z. Ben., MİR, L. El., DJESSAS, K., ve ALAYA, S., 2009. Effect of the
annealing temperature on transparency and conductivity of ZnO:Al thin films.
Thin Solid Films, 517( 23): 6305-6309.
BASU, P. K., 1997. Theory of Optical Processes in Semiconductors Bulk and
Microstructures. Oxford University Press Inc., New York ,USA, 448s.
BOXMAN, R. L., SANDERS, D. M., ve MARTİN, P. J, 1995. Handbook of
Vacuum Ark Science andTechnology Fundamentals and Application. Noyes
Publications, Park Ridge, New Jersey ,USA, 742s.
CAO, P., ZHAO, D. X., ZHANG, J. Y., ZHEN, D. Z., LU, Y. M., YAO, B., Lİ, B.
H., BAİ, Y., ve FAN, X. W., 2008. Optical and electrical properties of p-type
ZnO fabricated by NH3 plasma post-treated ZnO thin films. Appl. Surf. Sci.,
254: 2900-2904.
CHAABOUNİ, F., ABAAB, M., ve REZİG, B., 2006. Characterization of n-ZnO/pSi films grown by magnetron sputtering. Superlattices and Microstructures,
39:171–178.
CHEN, L. L., HE, H. P., YE, Z. Z., ZENG, Y. J., LU, J. G., ZHAO, B. H., ve ZHU,
L. P., 2006. Influence of post-annealing temperature on properties of ZnO:Li
thin films. Chemical Physics Letters, 420: 358–361.
ÇETİNÖRGÜ, E, 2007. Investigation of structural, optical and electrical
characteritics of ZnO-SnO2 thin films deposited by filtered vacuum arc
deposition system. Ç.Ü.Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, 1-299.
ÇÖREKÇİ,
S.,
2008.
Grup
III-V
bileşik
yarıiletkenlerde
AFM
yüzey
karakterizasyonu. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Ensitüsü Doktora tezi, 187.
ERİE, J. M., Lİ, Y., IVİLL, M., KİM, H. S., PEARTON, S. J., GİLLA, B.,
NORTON D. P., ve REN, F., 2008. Properties of Zn3N2-doped ZnO films
deposited by pulsed laser deposition. Appl. Surf. Sci, 254: 5941-5945.
181
FUTSUHARA, M., YOSHİOAKA, K., TAKAİ, O., 1998. Structural, electrical and
optical properties of zinc nitride thin films prepared by reactive rf magnetron
sputtering. Thin Solid Films, 322: 274-281.
GANGİL, S., NAKAMURA, A., ICHİKAWA, Y., YAMAMOTO, K., ISHİHARA,
J., AOKİ, T., ve TEMMYO, J., 2007. P-type nitrogen-doped ZnO thin films
on sapphire (1120)_substrates by remote-plasma-enhanced metalorganic
chemical vapor deposition. Journal of Crystal Growth, 298: 486–490.
GHOSH, A., DESHPANDE, N. G. , GUDAGE, Y. G., JOSHİ, R. A., SAGADE, A.
A. , PHASE, D. M. , ve SHARMA, Ramphal, 2009. Effect of annealing on
structural and optical properties of zinc oxide thin film deposited by
successive ionic layer adsorption and reaction technique. Journal of Alloys
and Compounds, 469: 56–60.
JİAO, S. J., LU, Y. M., SHEN, D. Z., ZHANG, Z. Z., Lİ, B. H., ZHENG, Zh.H.,
YAO, B., ZHANG, J. Y., ZHAO, D. X., ve FAN, X. W., 2007. Donor–
acceptor pair luminescence of nitrogen doping p-type ZnO by plasma-assisted
molecular beam epitaxy. Journal of Luminescence, 122–123: 368–370.
KAMBİLAFKA, V. VOULGAROPOULOU, P., DOUNİS, S., ILİOPOULOS, E.,
ANDROULİDAKİ, M., SALY, V., RUZİNSKY, M., ve APERATHİTİS, E.,
2007. Thermal oxidation of n-type ZnN films made by rf-sputtering from a
zinc nitride target, and their conversion into p-type films. Superlattices
Microstruct., 42: 55-61.
KAMBİLAFKA, V. VOULGAROPOULOU, P., DOUNİS, S., ILİOPOULOS, E.,
ANDROULİDAKİ, M., TSAGARAKİ, K., SALY, V., RUZİNSKY, M.,
PROKEİN, P., ve APERATHİTİS, E., 2007. The effect of nitrogen on the
properties of zinc nitride thin films and their conversion into p-ZnO:N films.
Thin Solid Films, 515: 8573-8576.
KAMİNSKA, E, PİOTROWSKA, A., KOSSUT, J. , BARC, A., BUTKUTE, R.,
DOBROWOLSKİ, W., DYNOWSKA, E., JAKİELA, R., PRZEZDZİECKA,
E., LUKASİEWİCZ, R., ALESZKİEWİCZ, M., WOJNAR, P., ve
KOWALCZYK, E., 2005. Transparent p-type ZnO films obtained by
182
oxidation of sputter-deposited Zn3N2. Solid State Communications, 135: 11–
15.
KUMAR, M., ve LEE, B. T., 2008. Improvement of electrical and optical properties
of Ga and N co-doped p-type ZnO thin films with thermal treatment. Appl.
Surf. Sci., 254: 6446-6449.
KUMBHAKAR, P., SİNGH, D., TİWARY, S., ve MİTRA, A. K., 2008.
ChalcogenideLett. 5: 387.
KAVAK, H., ESEN, R., TÜZEMEN, E. Ş., ERDOĞAN, N. H., KARA, K., YANIŞ,
H., 2009. Atmalı Filtreli Katodik Vakum Ark Depolama (PFCVAD)
Sistemiyle n ve p Tipi ZnO Üretimi ve Aygıt Uygulamaları. 106t613 no lu
Tübitak projesi, 1-157.
LEE, C., PARK, S.Y., LİM, J, ve KİM, H. W., 2007. Growth of p-type ZnO thin
films by using an atomic layer epitaxy technique and NH3 as a doping source.
Materials Letters, 61: 2495–2498.
Lİ, B. S., LİU, Y. C., ZHİ, Z. Z., SHEN, D. Z., LU, Y. M., ZHANG, J. Y., ve FAN
X.W., 2003. Optical properties and electrical characterization of p-type ZnO
thin films prepared by thermally oxiding Zn3N2 thin films. J. Mater. Res., 18:
8-13.
LONG, R., DAİ, Y., YU, L., HUANG, B., HAN, S., 2008. Atomic Geometry and
Electronic Structure of Defect in Zn3N2. Thin Solid Films, 516: 1297-1301.
LU, J., YE, Z., WANG, L., HUANG, J., ve ZHAO, B., 2003. Structural, electrical
and optical properties of N-doped ZnO films synthesized by SS-CVD. Mater.
Sci. Semicond. Process., 5: 491-496.
LU, J. G., ZHU, L. P., YE, Z. Z., ZHUGE, F., ZHAO, B. H., HUANG, J. Y.,
WANG, L., ve YUN, J.,2005. p-type ZnO films by codoping of nitrogen and
aluminum and ZnO-based p–n homojunctions. Journal of Crystal Growth,
283, 413–417.
MEYER, R. J., 1972. Introduction to Classical and Modern Optics. Prentice-Hall,
471- 478.
MİAO, Y., YE, Z., XU, W., CHEN, F., ZHOU, X., ZHAO, B., ZHU, L., ve LU,J.,
2006. p-Type conduction in phosphorus-doped ZnO thin films by MOCVD
183
and thermal activation of the dopant. Applied Surface Science, 252: 7953–
7956.
MOTT, N. F., ve DAVIS E. A., 1979, Electronic Process in Noncrystalline
Materials. Clarendon Press, Inc. Oxford, 273-274.
ÖZGÜR, Ü., ALİVOV, Ya. I., LİU, C., TEKE, A., RESHCHİKOV, M. A.,
DOĞAN, S., AVRUTİN, V., CHO, S. J.,ve MORKOÇ, H., 2005. A
comprehensive review of ZnO materials and devices Journal of applied
physics 98, 041301.
PANKOVE, J. I., 1971. Optical Process in Semiconductors. Dover Publications, Inc.
New York, 422s.
PARK, S. H., CHANG, J. H., MİNEGİSHİ, T., PARK, J. S., IM, I. H., ITO, M.,
TAİSHİ, T., HONG, S. K. H, OH, D. C, CHO, M. W., ve YAO, T., 2009.
Investigation on the ZnO:N films grown on (0001) and (0001) templates by
plasma-assisted molecular beam epitaxy. J. Cryst. Growth., 311: 2167-2171.
STREETMAN, Ben G. 2006. Solid State Electronic Devices (Nick Holonyak Jr.,
Editör) solid state electronic devices 6. baskı, pearson education Inc. Pearson
Prentice Hall, pearson Education Inc. Upper Saddle River, New Jersey
07458,s.1-3.
SUN, J. W., LU, Y. M., LİU, Y. C., SHEN, D. Z., ZHANG, Z. Z., Lİ, B. H.,
ZHANG, J. Y., ve YAO, B., D. X., 2006. The activation energy of nitrogen
acceptor in p-type ZnO film grown by plasma-assisted molecular beam
epitaxy. Solid State Commun., 140: 345-348.
SZE, S. M.2002. Semiconductors Devices Physics and Technology 2. Baskı, John
Willey & Sons, ınc. USA.S.48-54.
ŞENADIM, E, 2007. ZnO ince filmlerinin eldesi ve aygıt üretimi için
parametrelerinin optimizasyonu Ç.Ü.Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi, 1208.
TAY, B. K., ZHAO, Z. W., ve CHUA, D. H. C., 2006. Review of metal oxide films
deposited by filtered cathodic vacuum arc technique. Materials Science and
Engineering R 52: 1–48.
184
TOYOURA, K., TSUJİMURA, H., GOTO, T., HACHİYA, K., HAGİWARA, R.,
ITO, Y., 2005. Optical properties of zinc nitride formed by molten salt
electrovhemical process. Thin Solid Films, 492: 88-92.
VAİTHİANATHAN, V., HİSTİA, S., MOON, J. H., ve KİM, S. S., 2007.
Dependence of photoluminescence and electrical properties with rapid
thermal annealing in nitrogen-implanted ZnO films. Thin solid films, 515:
6927–6930.
VAİTHİANATHAN, V., LEE, Y. H., LEE, B. T., HİSTİA, ve S., KİM, S. S., 2006.
Doping of As, P and N in laser deposited ZnO films. Journal of Crystal
Growth, 287: 85–88.
VİNODKUMAR, R., LETHY, K. J., BEENA, D., SATYANARAYANA, M.,
JAYASREE, R. S., GANESAN, V., NAYAR, V. U., ve MAHADEVAN
PİLLAİ, V. P., 2009. Effect of thermal annealing on the structural and optical
properties of nanostructured zinc oxide thin films prepared by pulsed laser
ablation. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 93: 74-78.
VLASENFLİN, T. H., ve TANAKA, M., 2007. p-type conduction in ZnO dualacceptor-doped with nitrogen end phosphorus. Solid State Communications,
142: 292–294.
WANG, X. C., Bİ, W. M., DONG, S., CHEN, X. M., ve YANG, B. H., 2009.
Microstructure and optical properties of N-incorporated polycrystalline ZnO
films. J. Alloys Compd. 478: 507-512.
WANG, H, GAO, X., DUAN, Q., ve LU, J., 2005. Variation of surface properties of
ZnO films by the implantation of N+ ions. Thin Solid Films, 492: 236 – 239.
WANG, C., Jİ, Z., LİU, K., XİANG, Y., ve YE, Z., 2003. P-type ZnO thin films
prepared by oxidation of
Zn3N2 thin films deposited by DC magnetron
sputtering. Journal of Crystal Growth, 259: 279–281.
WANG, C., Jİ, Z., Xİ, J., DU, J., ve YE, Z, 2006. Fabrication and characteristics of
the low-resistive p-type ZnO thin films by DC reactive magnetron sputtering.
Materials Letters, 60: 912–914.
WANG, X. H., YAO, B., SHEN, D. Z., ZHANG, Z. Z., Lİ, B.H., WEİ, Z. P., LU, Y.
M., ZHAO, D. X., ZHANG, J. Y., FAN, X. W., GUAN, L. X., ve CONG,
185
C. X., 2007. Optical properties of p-type ZnO doped by lithium and nitrogen.
Solid State Communications, 141: 600–604.
WANG, D., ZHANG, J., PENG, Y., Bİ, Z., BİAN, X., ZHANG, X., ve HOU, X.,
2008. Plasma-activated nitrogen-doped p-type ZnO thin films with multibuffer-layers grown on sapphire (0001) by L-MBE. Journal of alloys and
compounds, 478: 325-329.
WİKİPEDİA encyclopedia
HTTP://WWW.nist.gov/eeel/semiconductor/hall_resistivity.cfm
HTTP://WWW.siliconfareast.com/edxwdx.htm
XİAO, B., YE, Z., ZHANG, Y., ZHENG, Y., ZHU, L., ve ZHAO, B., 2006.
Fabrication of p-type Li-doped ZnO films by pulsed laser deposition. Applied
Surface Science, 253: 895–897.
XİAODAN, Z., HONGBİNG, F., YİNG, Z., JİAN, S., CHANGCHUN, W., ve
CUNSHAN, Z., 2007. Fabrication of high hole-carrier density p-type ZnO
thin films by N–Al co-doping. Applied Surface Science, 253: 3825–3827.
XU, X. L., LAU, S. P., CHEN, J. S., CHEN, G. Y., ve TAY, B. K., 2001.
Polycrystalline ZnO thin films on Si (100) deposited by filtered cathodic
vacuum arc. J. Cryst. Growth 223: 201-205.
YAN, Z., SONG, Z. T., LİU, W. L., WAN, Q., ZHANG, F. M., ve FENG, S. L.,
2005. Optical and electrical properties of p-type zinc oxide thin films
synthesized by ion beam assisted deposition. Thin Solid Films, 492: 203 –
206.
YANG, T., BİAN, J., LİANG, H., SUN, J., WANG, X., LİU, W., CHANG, Y., ve
DU, G., 2008. High quality p-type ZnO films by low pressure plasma-assisted
MOCVD with N2O rf plasma doping source. J. Mater. Proc. Technol., 204:
481-485.
YAO, B., GUAN, L.X., XİNG, G. Z., ZHANG, Z. Z., Lİ, B.H., WEİ, Z. P., WANG,
X. H., CONG, C. X., XİE, Y. P., LU, Y. M., ve SHEN, D. Z., 2007. P-type
conductivity and stability of nitrogen-doped zinc oxide prepared by
magnetron sputtering. J. Lumin., 22-123: 191-194.
186
YE, Y.M., YE, Z.Z., CHEN, L. L., ZHAO, B. H., ve ZHU, L. P., 2006. Fabrication
of p-type ZnMgO codoped with Al and N using dc reactive magnetron
sputtering. Applied Surface Science, 253: 2345–2347.
YUAN, N., FAN, L., Lİ, J., ve WANG, X., 2007. Post-annealing influence on
properties of N-In codoped ZnO thin films by ion beam enhanced deposition
method. Applied Surface Science, 253: 4990–4993.
YUAN, N., Lİ, J., FAN, L., WANG, X., ve ZHOU, Y., 2006. Structure, electrical
and optical properties of N–In codoped ZnO thin films prepared by ion-beam
enhanced deposition method. Journal of Crystal Growth, 290: 156–16.
ZENG, Y. J., YE, Z. Z., XU, W. Z., CHEN, L. L., Lİ, D. Y., ZHU, L. P., ZHAO, B.
H., ve HU, Y. L., 2005. Realization of p-type ZnO films via monodoping of
Li acceptor. Journal of Crystal Growth, 283: 180–184.
ZHANG, Y., LİN, B., FU, Z., LİU, C., ve HAN, W., 2006. Strong ultraviolet
emission and recitifying behavior of nanocrystalline ZnO films. Opt. Mater.,
28: 1192-1196.
ZHANG, X. D., LİU, C. L., WANG, Z., LU, Y. Y., ve YİN, L. J., 2007.
Photoluminescence and electrical properties of N-implanted ZnO films.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 254: 83–86.
ZHANG, Z. Z., WEİ, Z. P., LU, Y.M., SHEN, D. Z., YAO, B., Lİ, B. H., ZHAO, D.
X., ZHANG, J. Y., FAN, X. W., ve TANG, Z. K., 2007. p-type ZnO on
sapphire by osing O2-N2 co-activaing and fabrication of ZnO LED. Journal of
Crystal Growth, 301–302: 362–365.
ZHENG, Y. J., YE, Z. Z., XU, W. Z., LİU, B., CHE, Y., ZHU, L. P., ve ZHAO, B.
H., 2007. Study on the Hall-effect and photoluminescence of N-doped p-type
ZnO thin films. Materials Letters, 61: 41–44.
ZHU, Y., LİN, S., ZHANG, Y., YE, Z., LU, Y., LU, J., ve ZHAO, B., 2009.
Temperature effect on the electrical, structral chemical vapor deposition.and
optical properties of N-doped ZnO films by plasma-free metal organic. Appl.
Surf. Sci., 255: 6201-6204.
ZHU, O. Y., YE, Z. Z., YUAN, G. D., HUANG, J. Y., ZHU, L. P., ZHAO, B. H., ve
LU, J. G., 2006. Synthesis and characterization of Al–N codoped p-type ZnO
187
epitaxial films using high-temperature homo-buffer layer. Applied Surface
Science, 253: 1903–1906.
ZHUGE, F., ZHU, L. P., YE, Z. Z., LU, J. G., HE, H. P., ve ZHAO, B. H., 2007. Al
concentration dependence of electrical and photoluminescent properties of
co-doped ZnO films. Chemical Physics Letters, 437: 203-206.
188
ÖZGEÇMİŞ
28 kasım 1971 yılında Niğde de doğdu. İlkokul, ortaokul ve lise eğitimimi
Tarsusta tamamladıktan sonra 1990 yılında Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi fizik
bölümüne girdi. 1996 yılının şubat döneminde buradaki lisans eğitimimi
tamamlayarak 1997 yılında Çukurova Üniversitesi Fen-Edebiyat fakültesi fizik
bölümünde yüksek lisansa başladı. 2001 yılında yüksek lisans eğitimimi tamamladı.
2004 yılında Çukurova Üniversitesi Fen-Edebiyat fakültesi fizik bölümünde doktora
eğitimime başladı. 2007-2008 yılları arasında tübitak bursiyeri olarak tübitak
projesinde yer aldı.
189