Hidrojenlendirilmiş amorf silisyum filmlerin SiH4-He karışımı kullanılarak büyütülmesi ve karakterizasyonu
Preperation and characterization of hydrogenated amorphous silicon films using SiH4-He gas mixture
Yazar: SERTAP KAVASOĞLU
Danışman: DOÇ.DR. ALP OSMAN KODOLBAŞ ; PROF.DR. ÖZCAN ÖKTÜ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bir PECVD sisteminin altaş sıcaklık kontrolcüsü ve RF güç kaynağı yenilenmiş vebu sistemde çeşitli oranlarda silan gazı helyum ile seyreltilerek herbiri 5-7 örnektenoluşan 6 set hidrojenlendirilmilş amorf silisyum (a-Si:H) cam ve tek kristal silisyumtabanlar üzerine büyütülmüştür. He/(He+SiH4) oranı dışında hasas bir şekildekontrol edilen ve sistematik olarak değiştirilen diğer film büyütme parametrelerialttaş sıcaklığı, toplam gaz basıncı ve plazmaya uygulanan RF gücüdür. Eldeedilen filmler, optik geçirgenlik, karanlık iletkenlik, fotoiletkenlik tepki zamanı,kırmızaltı spektroskopisi, sıcaklığın fonksiyonu olarak foton akısına bağımlıfotoiletkenlik ve CPM ölçümleri ile karakterize edilmiş ve en uygun a-Si:H büyütmeparametreleri belirlenmiştir.Helyumla seyreltilerek hazırladığımız a-Si:H filmlerin optik bant aralıkları hazırlamakoşullarına bağlı olarak 1,55-1,76 eV arasında değişmektedir. Optik bant aralığınınHelyum seyreltme oranına ve diğer film hazırlama koşullarına bağlı olarak,herhangi bir katkılama yada alaşım gazı kullanmaksızın değiştirilebilmesi,hazırlanan örneklerin heteroeklem aygıt yapımına uygun bir malzeme olarakkullanılabileceğini ortaya koymuştur.Set-5 örneklerinden % 85 seyreltme oranında elde edilen filmin büyüme hızı 9,5Ä/s kusur yoğunluğu ise1016 cm-3 düzeyindedir. Fakat Set-5 örnekleri içerisinde,kusur yoğunluğu açısından en düşük kusur yoğunluğu (2,6x1015 cm-3) ve Urbachenerjisi (43,5 meV) sergileyen örneğin, % 99 helyum seyreltme oranında, 1,8 Ä/sbüyüme hızı ile hazırlanabileceği gözlemlenmiştir. Bu örnek şu ana kadarliteratürde kaydedilmiş en düşük kusur seviyesine ve en küçük Urbach enerjisinesahip olan örnektir (Cabarrocas et. al., 1998, 2000, 2003, Matsuda et. al., 2003,i2004 ). Diğer bir önemli sonuç ise; Tauc bant aralığının helyum seyreltme oranıyla(% 85-% 99) artmasıdır.Optik ve elektriksel özellikleri tanımlanan örneklerden beş tanesi üzerinde, yarıkararlı, ışıl kusur yaratılma ve tavlanma deneyleri yapılmıştır. Yapılan deneyselölçümler, helyum ile seyreltilerek hazırlanan a-Si:H örneklerin, standart a-Si:H(SiH4, He ile seyreltilmeden büyütülmüş a-Si:H filmler ) örneklerden oldukça farklıözellikler sergilediğini ve bu örneklerde ışıl kusur yaratılma mekanizmasının şuana kadar literatürde rapor edilenlerden farklı olduğunu ortaya koyulmuştur.Helyumla seyreltilerek hazırlanan a-Si:H filmlerin fotoiletkenlikleri yüksek ışıkşiddetlerinde (â¤100mW/cm2) çok çabuk bir şekilde doyuma ulaşabilmekte bubakımdan daha kararlı oldukları fakat kusurların tavlama süreçlerinin tersinmez birsüreç sergileyebilecekleri görülmüştür.Anahtar Kelimeler: a-Si:H, Helyum ile seyreltme, PECVD, , StaeblerWronski etkisi.Danışman: Prof. Dr. Özcan ÖKTÜ,Hacettepe Üniversitesi, Fizik MühendisliğiBölümü, Fizik Anabilim Dalı.Eş Danışman: Doç. Dr. A. Osman KODOLBAŞ, Hacettepe Üniversitesi, FizikMühendisliği Bölümü, Fizik Anabilim Dalı (Yeni adresi: TÜBİTAK,Ulusal MetrolojiEnstitüsü, Gebze)ii

Abstract:
Helium diluted amorphous silicon films were deposited onto Corning-7059 andcrystalline silicon substrates in a homemade PECVD system operating at 13.56MHz by decomposing silane (SiH4), and helium gas mixture. Six set ofhydrogenated amorphous silicon films were prepared, each set consists of five orseven films. Helium dilution ratio was defined to be the ratio of helium partialpressure to the total chamber pressure. Helium dilution ratio (He/(He+SiH4)),substrate temperature, rf power and total chamber pressure were systematicallychanged to obtain optimum growth parameters for high quality hydrogenatedamorphous silicon films exhibiting low defect density and high photoconductivity.Samples prepared were characterized by optical transmission, dark conductivity,photoconductivity response time, FTIR, temperature and photon flux dependentphotoconductivity and CPM measurements.Our result indicate that the Tauc gap of our helium diluted films can be tunablebetween 1.55-1.76 eV by changing helium dilution ratio. Tunable Tauc gapwithout using any alloying gas mixtures may find use in device applications,especially for the manufacturing of heterojunction devices. While the samplegrown by 99% helium dilution exhibits the lowest defect density (2.6 x1015 cm-3 )and the smallest Urbach energy (43.5 meV), the highest deposition rate (9.5 Ã/s)was observed for the a-Si:H film prepared with %85 helium dilution. 2.6 x1015 cm-3and 43,5 meV are the lowest recorded values in the literature (Cabarrocas et. al.,1998, 2000, 2003, Matsuda et. al., 2003, 2004 ). These results indicate that theHe-dilution may become an alternative method to deposit device quality a-Si:Hfilms at high growth rates.In order to investigate Staebler Wronski effect on our He diluted a-Si:H samples,we have selected 5 samples from the 6 set of samples of which their electrical andiiioptical properties have already been determined. Light induced degradation andsubsequent annealing experiments indicate that He diluted a-Si:H films are morestable. Helium diluted a-Si:H films exhibit quiet different behavior for themetastable light induced defect creation and annealing when compared to thestandard a-Si:H samples. Therefore light induced metastable defect creation andrecovery processes could not be explained with the use of usual models. We havealso notice that saturation time of photoconductivity for he diluted a-Si:H are muchshorter than that of standard a-Si:H. Helium diluted a-Si:H films are more stablethan other type of a-Si:H and lifght induced defects is irreversible process inhelium diluted a-Si:H. These effects have not been observed before).Keywords:a-Si:H, Helium dilution , PECVD, Staebler Wronski effect.Advisor: Prof. Dr. Özcan ÖKTÜ, Hacettepe Üniversity, Faculty of Engineering,Physics Engineering Department.Co-advisor: Assoc. Prof. Dr. A. Osman KODOLBAŞ, Hacettepe Üniversity,Faculty of Engineering, Physics Engineering Department. (New address :TÜBİTAK National Metrology Institutes, Gebze)iv