AMORF SİLİSYUM VE ALAŞIMLARI HETEROEKLEMLERİN ELEKTRONİK VE OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Tez Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik Mühendisliği A.B.D., Türkiye

Tez Danışmanı: Prof. Dr. Hüseyin Tolunay

Tezin Onay Tarihi: 2006

Tezin Dili: Türkçe

Desteklendiği Program: TÜBİTAK 2244 Programı

Özet:

Bu çalışmada, plazma biriktirme yöntemiyle hazırlanan hidrojenlendirilmiş amorf silisyum (a-Si:H) ve hidrojenlendirilmiş amorf silisyum-azot alaşımlı (a-SiN_x:H) amorf yarıiletken deneklerle; Al, Cr, Mg, Sb ve Au gibi metaller kullanılarak MSM (Metal/ Yarıiletken/ Metal) hetero-eklemler oluşturulmuştur. Hazırlanan MSM hetero-eklemlerin elektronik ve optik özellikleri, I-T (sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik), optik geçirgenlik, geniş bir sıcaklık aralığında alınan I-V (Akım-Gerilim) ve C-V (Kapasitans -Gerilim) gibi deneysel yöntemlerle incelenmiştir.

Optik geçirgenlik deneyleri için dalga boyu 400 nm’den 1100 nm’ye değişen monokromatik kaynak kullanılmıştır. Bu deney sonucundan elde edilen geçirgenlik spektrumundan a-Si:H ve a-SiN_x:H deneklerin, soğurma katsayısının ve kırma indisinin, dalga boyuna göre değişimi bulunmuştur. Bu veriler sonucunda deneklerin kalınlığı, optik bant aralığı, E₀₄ enerjisi ve B parametresi elde edilmiştir

Bu tez çalışmasında ilk olarak farklı metallerle (Al, Au, Cr, Mg) oluşturduğumuz metal/ a-Si:H/ metal yapıların 420 K - 145 K sıcaklık aralığında Schottky diyot özellikleri ve metal/ a-Si:H arasına konulan antimon’nun (Sb) Schottky diyot özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bunun sonucunda elimizdeki metallerden hangisinin has a-Si:H denek ile daha iyi omik eklem yaptığı ve tekrarlanıp tekrarlanmadığı incelenmiştir.

Farklı metallerle oluşturduğumuz metal/ a-Si:H/ metal deneklerin Schottky diyot özellikleri karanlıkta geniş bir sıcaklık aralığında (420 K - 145 K) alınan I-V ölçümleri ile incelenmiştir. Alınan bu ölçümlerden deneklerin engel yüksekliği (f_B), ideallik katsayıları (h), etkin Richardson katsayısı (A^*) ve bu katsayının engel yüksekliği hesaplarına etkisi, ileri ve geri besleme akım oranları (I_i/I_g),seri dirençleri (R_s) sıcaklığın fonksiyonu olarak bulunmuştur. Bu sonuçlardan en iyi omik kontak ve diyot kontak özelliği gösteren metaller seçilerek farklı azot oranına sahip a-SiN_x:H denekler ile metal/ a-SiN_x:H/ metal yapılar hazırlanmıştır. Hazırlanan bu deneklerle, Schottky diyot özelliklerinin azot oranı ile nasıl değiştiği incelenmiştir.

Oda sıcaklığında deneklerin ışık şiddetine olan duyarlılıkları 630 nm dalga boyuna sahip bir led grubu kullanılarak, 10¹⁴-10¹⁷ foton/cm²s foton akısı aralığında alınan I-V ölçümleri ile incelenmiştir. Bu ölçümlerden farklı metallerle oluşturduğumuz metal/ a-Si:H/ metal ve farklı azot oranına sahip metal/ a-SiN_x:H / metal deneklerin ileri ve geri besleme akımlarının ışık şiddeti ile nasıl değiştiği araştırılmıştır.

Her bir denek grubu için sandviç yapılı deneklerde ve paralel yapılı denekte sabit gerilim altında karanlık öziletkenliğin sıcaklıkla değişimine (I-T eğrileri) bakılmış ve sandviç yapıda, ileri ve geri besleme durumlarında sabit gerilim altında alınan I-T eğrileri ile paralel yapıdan alınan I-T eğrileri karşılaştırılmıştır. Farklı metallerle oluşturduğumuz metal/ a-Si:H/ metal ve farklı azot oranına sahip metal/ a-SiN_x:H/ metal deneklerin sıfır beslemede sabit bir ışık şiddeti altında açık devre geriliminin sıcaklıkla değişimi incelenmiştir.

Hazırlanan tüm deneklerde oda sıcaklığında farklı frekanslarda kapasitansın gerilim (C-V) ile nasıl değiştiğine bakılmış, bu ölçümler sonucunda deneklerin yapı potansiyeli ve dielektrik katsayısının hesaplanıp hesaplanamayacağı tartışılmıştır.

Son olarak seri direncinin diğer deneklere göre daha düşük olduğunu bildiğimiz düşük azot oranlı hidrojenlendirilmiş amorf silisyum deneği kullanarak, hidrojenlendirilmiş amorf silisyum deneklerin seri direncinin düşürülüp düşürülemeyeceğine ve diyot parametrelerinin nasıl değişeceğine bakılmıştır. Bunun için Mg/ a-SiN_0,015:H/ a-Si:H/Au ve Mg/ a-Si:H/ a-SiN_0,015:H/ Au katmanlı yapıları oluşturulmuş ve hetero-eklemlerin elektronik ve optik özellikleri, I-T, optik geçirgenlik, geniş bir sıcaklık aralığında I-V ve C-V gibi deneysel yöntemlerle incelenmiştir. Ancak bu aşamada denek hazırlama sisteminde kullanılan SiH₄ gazının bitmesiyle sisteme yeni bir SiH₄ gaz tüpü bağlanmıştır. Bunun sonucunda katmanlı yapılarda Schottky diyot parametrelerinin nasıl değiştiğine bakılmasının yanı sıra eski ve yeni SiH₄ gaz ile hazırlanan denekler arasında nasıl bir fark olduğunu da inceleme fırsatımız doğmuştur.

İlk hazırlanan deneklerden farklı olarak yeni SiH₄ gazı ile hazırlanan deneklerin kapasitans gerilim (C-V) ölçümlerinde farklı davranışlar gözlenmiştir. Bu yüzden kapasitans gerilim (C-V) ölçümleri, 400 K – 300 K sıcaklık aralığında farklı frekans ve uygulanan AC sinyalin farklı genlikleri için incelenmiştir. Bu ölçümler sonucunda deneklerin ara bölge durum yoğunluğunun (N_ss), yapı potansiyelinin (V_bi) ve tuzak yoğunluğunun (N_t) sıcaklıkla, frekansla ve uygulanan AC sinyalin genliği ile nasıl değiştiğine bakılmıştır.