NİO: ZNO
CDO kompozit fotodiyotların sol-jel yöntemi ile üretilmesi ve karakterizasyonu / Production and characterization of NİO: ZNO / CDO composite photodiodes by sol-jel method
Yazar: EZGİ GÜRGENÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYDIN DİKİCİ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ FEHMİ ASLAN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotodiyot = Photodiode ; Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Güneş ışınları = Sunbeams ; Metal-yarı iletken sistemler = Metal-semiconductor systems ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
Bu çalışmada, farklı molar oranlarda NiO:CdO ve NiO:ZnO ince filmler Alüminyum (Al) omik kontaklı p-Si üzerinde oluşturuldu. Kaplama yöntemi olarak sol-jel döndürerek kaplama yöntemi kullanıldı ve kaplama işlemi dinamik modda gerçekleştirildi. Fiziksel bir maske kullanılarak termal buharlaştırma yöntemi ile ince filmler üzerinde Al üst kontaklar meydana getirildi. Tüm bu işlemlerden sonra Al/NiO:CdO/p-Si/Al ve Al/NiO:ZnO/p-Si/Al kompozit esaslı fotodiyotlar üretilmiş oldu. Üretilen ince filmleri oluşturan fazların tayini için X-ışını kırınımı (XRD) analizi gerçekleştirildi. İnce filmleri oluşturan yapıların morfolojileri farklı büyütmelerde alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ile araştırıldı. İnce filmleri meydana getiren elementler enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDX) ile belirlendi. Üretilen fotodiyotların fotodiyot parametreleri akım-gerilim (I–V), kapasite-gerilim (C-V), iletkenlik-gerilim (G-V), geçici fotoakım-zaman (I–t) ve geçici fotokapasite-zaman (C–t) ölçümleri ile araştırıldı. I-V analizleri karanlık ve farklı ışık şiddetleri altında (20 - 100 mW/cm^2) ve I-t analizleri ise sadece 20 - 100 mW/cm^2 arasında değişen ışık şiddetlerinde gerçekleştirildi. C-V, G-V ve C-t ölçümleri farklı frekans değerlerinde (10 kHz - 1 MHz) gerçekleştirildi.
NiO:CdO ve NiO:ZnO ince filmler başarıyla üretildi ve tüm ince filmlerin nanoyapılardan meydana geldiği görüldü. Al/NiO:CdO/p-Si/Al ve Al/NiO:ZnO/p-Si/Al kompozit esaslı fotodiyotların doğrultma davranışı gösterdiği tespit edildi. Fotoakım değerlerinin ışıktan etkilendiği ve ışık yoğunluğu arttıkça yükseldiği belirlendi. Üretilen tüm fotodiyotların ışığa karşı hassas oldukları tespit edildi. En yüksek fototepki değeri NiO:ZnO oranı 3:1 olan Al/NiO:ZnO/p-Si/Al kompozit esaslı fotodiyotta 3.12 x 10^3 olarak elde edildi. Üretilen fotodiyotların elektriksel ve fototepki özelliklerinin NiO:CdO-ZnO oranları ile değiştirilebileceği ve kontrol edilebileceği görüldü. Al/NiO:CdO/p-Si/Al ve Al/NiO:ZnO/p-Si/Al kompozit esaslı fotodiyotların seri direnç ve arayüz durum yoğunluklarının frekanstan ve NiO:CdO-ZnO oranından etkilendiği belirlendi. Yapılan tüm karakterizasyonlar neticesinde, üretilen cihazların optoelektronik sistemlerde fotokapasitör ve fotodiyot olarak kullanım alanı bulabileceği sonucuna varıldı.

Abstract:
In this study, NiO:CdO and NiO:ZnO thin films with different molar ratios were formed on p-Si with aluminum (Al) ohmic contacts. Sol-gel spin coating method was used as coating method and coating process was performed in dynamic mode. Al top contacts were formed on thin films by thermal evaporation method using a physical mask. After all these processes, Al/NiO:CdO/p-Si/Al and Al/NiO:ZnO/p-Si/Al composite based photodiodes were produced. X-ray diffraction (XRD) analysis was performed to determine the phases forming the produced thin films. The morphologies of the structures forming the thin films were investigated by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) at different magnifications. The elements that compose the thin films were determined by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Photodiode parameters of produced photodiodes were investigated by current-voltage (I–V), capacitance-voltage (C-V), conductivity-voltage (G-V), transient photocurrent-time (I–t) and transient photocapacitance-time (C–t) measurements. I-V analyzes were performed in the dark and under different light intensities (20 - 100 mW/cm^2), and I–t analyzes were performed only at light intensities varying between 20 - 100 mW/cm^2. C-V, G-V and C-t measurements were performed at different frequency values (10 kHz - 1 MHz).
NiO:CdO and NiO:ZnO thin films were produced successfully and it was seen that all thin films were composed of nanostructures. It was determined that Al/NiO:CdO/p-Si/Al and Al/NiO:ZnO/p-Si/Al composite based photodiodes showed rectification behavior. Photocurrent values were affected by light and it was determined that they increased as the light intensity increased. It was determined that all produced photodiodes were sensitive to light. The highest photoresponse value was obtained as 3.12 x 10^3 in Al/NiO:ZnO/p-Si/Al composite based photodiode, which NiO:ZnO ratio of 3:1. It has been seen that the electrical and photoresponse properties of the produced photodiodes can be changed and controlled by the NiO:CdO-ZnO ratios. It was determined that the series resistance and interface state densities of Al/NiO:CdO/p-Si/Al and Al/NiO:ZnO/p-Si/Al composite based photodiodes were affected by frequency and NiO:CdO-ZnO ratio. As a result of all the characterizations, it was concluded that the produced devices can be used as photocapacitors and photodiodes in optoelectronic systems.