GaN schottky güneş gözelerinin iki boyutlu modellenmesi
Two-dimensional modeling of GaN schottky solar cells
Yazar: BENGÜL METİN
Danışman: DOÇ. DR. NEŞE KAVASOĞLU
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Diyotların teknolojik gelişiminin hızlandırılması ve üretim maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla geliştirilen modelleme çalışmaları gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Diyotların elektriksel karakterizasyonunda genellikle tek diyot modeli kullanılmaktadır. En gelişmiş büyütme yöntemleri ile üretilen diyotların bile homojen yapıda olamadığının ortaya konulmasıyla, diyot karakterizasyonunda kullanılan tek diyot modelinin yetersizliği anlaşılmıştır. Bu sebeple, homojen olmayan yapıların elektriksel özelliklerinin anlaşılmasında 2B (iki boyutlu) modellemeler kullanılmaya başlanmıştır.
Homojen olmayan yapılar, yapı içerisindeki grainlerin farklı yönelimleri, bunun sonucunda oluşan grain sınırları, arayüzeydeki örgü kusurları, yarıiletken içerisindeki katkı atomlarının rastgele dağılımları gibi sebeplerle ortaya çıkmaktadır. Yapısal homojensizlikler ideal olmayan diyot parametrelerine neden olmaktadır. Metal ve yarıiletken arasında düzgün olmayan arayüzey, metalin yarıiletken içine sızması gibi durumlar metal ve yarıiletken arasında paralel kontakların oluşmasına sebep olmaktadır. Homojen olmayan yapıdaki diyot,  birbirine paralel bağlı dilimlere (alt diyot) ayrılarak modellenmektedir. 
Bu doktora tez çalışmasında, ilk defa GaN tabanlı Schottky güneş gözelerinin 2B modellenmesini sağlayan bir yazılım geliştirilerek diyot modelleme çalışmalarına katkıda  bulunulmuştur. Çalışma kapsamında geliştirilen 2B modelleme yazılımında; 0.64x0.46 〖cm〗^2'lik yüzey alanına sahip olan GaN tabanlı Schottky güneş gözesi, grain boyutlarıyla orantılı olarak dilimlere ayrılarak, her dilim için bir diyot tanımlanmıştır. Literatürde, farklı diyotlarla ilgili yapılan çalışmalarda, diyot parametrelerinin homojensizliğinin Gaussian dağılıma uyduğu ve dilimlerin yüzey alanlarının eşdeğer  kareler olduğu varsayılmıştır. Bu tez çalışmasında ise, diyot parametrelerindeki homojensizlik rastgeledir. Diyotların yüzey alanı iki durum için incelenmiştir. İlk durumda diyotların yüzey alanı kare, ikinci durumda ise, tanımlı bir aralıkta rastgele değişen daireler olarak kabul edilmiştir. Bu iki durum için de,  geliştirilen 2B aygıt modelleme yazılımı ile Au/n-GaN (MS) ve Au/〖Ga〗_2 O_3/n-GaN (MIS) yapılarının sıfır gerilimlendirme engel yüksekliğindeki, karakteristik tünelleme enerjisindeki ve şönt dirençdeki homojensizliğinin aydınlık ve karanlık I-V karakteristiklerine etkisi incelenmiştir. 
Yüzey alanı kare olan diyotlardan oluşan MS için, sıfır gerilimlendirme engel yüksekliğinin ve karakteristik tünelleme enerjisinin homojen durumu (Γ=0.0) ile homojensizliğin en yüksek olduğu durum (Γ=0.2) arasında V_oc değerinin sırasıyla %34  ve %18 azaldığı belirlenmiştir. Şönt direncin homojen durumu ile homojensizliğin en yüksek olduğu durum için ise  V_oc değerinde değişim olmamıştır. Yüzey alanı kare olan diyotlardan oluşan MIS, yüzey alanı daire olan dilimlerden oluşan MS ve MIS için de benzer sonuçlar elde edilmiştir. Böylece, aydınlık I-V karakteristiğine sıfır gerilimlendirme engel yüksekliğindeki homojensizliğin etkisinin en fazla olduğu ortaya konulmuştur. Bundan başka, yüzey alanı kare olan diyotlardan oluşan MIS ile yüzey alanı daire olan diyotlardan oluşan MS'nin aydınlık I-V karakteristikleri benzerlik göstermektedir. Bu durum, diyotların yüzey alanı daire seçildiğinde arada kalan boşlukların oksit tabaka gibi davrandığını göstermektedir. 
Karanlık I-V karakteristiklerinden, kare ve daire yüzey alanlı diyotlardan oluşan MS ve MIS yapıların sıfır gerilimlendirme engel yüksekliğindeki, karakteristik tünelleme enerjisindeki ve şönt dirençdeki homojensizliğinin, doğrultma ve diyot faktörü ve iki boyutlu arayüzey durum yoğunluklarının (N_ss) enerjice dağılımına etkisi incelenmiştir. Diyotların yüzey alanının kare ve daire olması durumunda, MIS yapının arayüzey durum yoğunluğu 〖(10〗^13  〖eV〗^(-1) 〖cm〗^(-2)) değerinin MS yapıya 〖(10〗^14  〖eV〗^(-1) 〖cm〗^(-2)) göre bir mertebe daha küçük olduğu görülmüştür.
Yapılan çalışmalar sonucu, sıfır gerilimlendirme engel yüksekliğindeki homojensizliğin aydınlık ve karanlık akım-gerilim karakteristiklerini etkileyen en önemli parametrelerden biri olduğu ortaya konulmuştur. 
Anahtar kelimeler: Modelleme, Homojensizlik, GaN Schottky güneş gözesi

Abstract:
Modeling and simulation provides deep insight into the operation of solar cell devices and DC circuits and dramatically reduces the fabrication costs. "One diode model" is generally used for electrical characterization of the diodes. It is concluded that "one diode model" is inadequate because fabricated diodes generally have inhomogeneous structure even if they were manufactured by using excellent fabrication methods. Therefore, 2D (two-dimensional) modeling has been recognized for understanding the electrical properties of inhomogeneous diodes.
Randomly distributed dopant atoms within the semiconductor, atomic steps and lattice defects at the interface, the relative orientation of semiconductor and metal atoms, grain boundaries in the metal, interface roughness bring on spatially varying structures and hence electronic parameters. The structural differences cause non-ideal parameters of the electronic device. Nonuniform interface, penetration of metal through semiconductor leads localized contacts between metal and semiconductor. Inhomogeneous diode modeled with separated slices (sub-diode) connected in parallel to each other. 
In this PhD thesis, for the first time, 2D modeling software has been developed for GaN-based Schottky solar cells. Surface area of the investigated device is 0.64x0.46 〖cm〗^2. Device is divided microcells owing to these grains. Each microcell is considered as an elementary diode. Inhomogeneity in device parameters is generally assumed to conform Gaussian distribution in the studies conducted on different diodes in the literature. Also, surface area of the microcells is taken into account as equivalent squares in the previous studies. In this study, inhomogeneity in device parameters has been adopted to obey random distribution and surface area of the microcells examined for two cases. The first is equivalent square surface area and the second case is surface areas of the microcells are considered to be circles exhibiting a random distribution within a defined range. Zero barrier height, characteristic tunneling energy and shunt resistance inhomogeneity effect on dark and light current-voltage characteristics were examined for Au/n-GaN (MS) and Au/〖Ga〗_2 O_3/n-GaN (MIS) device structure. 
For MS formed by square surface area of the microcells, while the inhomogeneity of the zero barrier height and characteristic tunneling energy increases, Voc values are decreased by 34% and 18%, respectively. Voc value is not affected by shunt resistance inhomogeneity in the diode. Similar results were obtained for MIS formed by square surface area of the microcells, MS and MIS formed by circle surface area of the microcells. Further, light I-V characteristics of the MIS consisting of square surfaced microcells and MS consisting of circle surfaced microcells are similar. Further, light I-V characteristics of the MIS formed by square surface area of the microcells and MS formed by circle surface area of the microcells are similar. This situation shows that the holes between grains behave as oxide layer.
Zero barrier height, characteristic tunneling energy and shunt resistance inhomogeneity effect on rectification and diode factor and two dimensional interface state density (N_ss) the distribution were examined for MS and MIS structures. It has been seen that two dimensional interface state density value  〖(10〗^13  〖eV〗^(-1) 〖cm〗^(-2)) of   MIS structure is smaller than two dimensional interface state density value of MS structure 〖(10〗^14  〖eV〗^(-1) 〖cm〗^(-2)).
Consequently, it has been observed that zero barrier height inhomogeneity in the diode is one of the most important effects on the light and dark I-V characteristics of solar cells.
Keywords: Modeling, inhomogeneity, GaN Schottky solar cell