Katkılı ve katkısız GaAs ince filmlerin üretilmesi ve bazı özelliklerinin incelenmesi
Preparation of doped and undoped GaAs thin films and investigation of their some properties
Yazar: VOLKAN ŞENAY
Danışman: DOÇ. DR. SUAT PAT
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Genel Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films

Özet:
Bu çalışmada katkısız GaAs ile Co, Al, In, C, Si ve Ge safsızlıkları katkılanmış GaAs ince filmler cam alttaşlar üzerine termiyonik vakum ark tekniği ile biriktirilmiştir. Üretilen filmlerin yapısal, optiksel, yüzeysel, bileşimsel ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. XRD sonuçları, filmlerin tümünün polikristal yapıda olduğunu ve kristal boyutlarının 25 ile 34 nm arasında değiştiğini göstermiştir. Spektroskopik yansıma ölçümü sonuçlarına göre film kalınlıkları 80 ile 1800 nm arasındadır. Filmlerin birikme hızları ise 1,33 ile 13,33 nm/s arasında değişmektedir. Bu hızlar diğer ince film biriktirme tekniklerine kıyasla yüksek olup bu durum TVA'nın oldukça hızlı bir teknik olduğunu ortaya koymaktadır. Yansıma değerleri incelendiğinde filmlerin kısa dalgaboylarında düşük yansımaya sahip oldukları ve uzun dalgaboylarına gidildikçe yani düşük foton enerjilerinde yansımanın arttığı gözlenmiştir. Bununla birlikte kırılma indislerinin artan dalgaboyu ile birlikte azaldığı görülmüştür. Ayrıca, Co ve Al katkılamanın kırılma indisini azalttığı, In, C, Si ve Ge katkılamanın ise kırılma indisini arttırdığı bulunmuştur. (αhν)2'nin hν'ye göre değişim grafiklerinden tüm filmlerin doğrudan bant geçişli oldukları ve yasak enerji aralıklarının 0,96 ile 1,62 eV arasında değiştiği bulunmuştur. In ve Si katkılamanın yasak enerji aralığını azalttığı, Co, Al, C ve Ge katkılamanın ise yasak enerji aralığını arttırdığı bulunmuştur. Katkısız GaAs ve Co, In, C, Si katkılanmış GaAs filmlerin n-tipi yarıiletkenler olduğu belirlenmiştir. Al ve Ge katkılanmış GaAs filmlerin ise p-tipi olduğu anlaşılmıştır. FESEM sonuçları, tüm alttaşların tamamen filmler ile kaplandığını göstermektedir. EDX sonuçları, beklenen galyum, arsenik ve eklenen safsızlık atomlarının filmlerdeki varlığını doğrulamıştır. AFM sonuçları, katkısız GaAs ile Al ve In katkılanmış GaAs film yüzeylerinin yuvarlak tanelerden oluştuğunu göstermektedir. Co, C ve Si katkılanmış film yüzeyleri ise tabandan yukarıya doğru sivrilerek büyüyen tanelerden oluşmaktadır. Ayrıca, Ge katkılanmış film yüzeyinin diğer filmlere kıyasla çok daha pürüzsüz olduğu görülmüştür. Bu gözlem, UV/VIS/NIR spektroskopi ve FESEM çalışmalarından elde edilen sonuçlarla da desteklenmektedir. Akım-voltaj ölçümlerinin sonuçlarına göre, üretilen filmlerin özdirençleri 1,32×10-1 ile 4,85×104 Ωcm arasındadır. Hall ölçümü sonuçlarına göre ise filmlerin taşıyıcı yoğunlukları 1,49×1015 ile 8,03×1017 cm-3 arasında olup mobiliteleri ise 6,21×102 ile 1,47×106 cm2/Vs arasındadır.

Abstract:
In this study, undoped GaAs and Co, Al, In, C, Si, Ge doped GaAs thin films were deposited on glass substrates by thermionic vacuum arc technique. Structural, optical, morphological, compositional and electrical properties of the produced films were examined. XRD results showed that the entirety of the films had a polycrystalline structure and their crystallite sizes varied between 25 nm and 34 nm. The film thicknesses varied between 80 and 1800 nm based on the spectroscopic reflectometry results. The deposition rates of the films varied between 1,33 to 13,33 nm/sec. These rates were higher in comparison to other thin film deposition techniques and this situation showed that TVA was a quite rapid technique. Considering the reflectance values, it was seen that the films had low reflectance at short wavelengths and at long wavelengths, namely at low photon energies, the reflectance increased. Nevertheless, it was seen that refractive indices decreased in parallel to increased wavelength. Moreover, it was found that Co and Al doping decreased the refractive index, and In, C, Si, Ge doping increased the refractive index. From the graph of (αhν)2 vs. hν, it was found based on the variation graphs that all films had direct band gaps and the band gaps varied between 0,96 to 1,62 eV. In and Si doping decreased the band gaps and Co, Al, C and Ge doping increased the band gaps. Undoped GaAs and Co, In, C, Si doped GaAs films were found to be n-type semiconductors. On the other hand, Al and Ge doped GaAs films were p-type. FESEM results showed that all substrates were deposited with the films completely. EDX results verified the presence of the expected gallium and arsenic and the added impurity atoms in the films. AFM results showed that undoped GaAs and Al and In doped GaAs film surfaces were composed of spherical grains. Co, C and Si doped film surfaces were composed of grains growing as sharpening from the base upwards. Moreover, it was seen that Ge doped film surface was much smoother in comparison to other films. This observation supported the results obtained by UV/VIS/NIR spectroscopy and FESEM studies as well. Based on the current-voltage measurements, the resistivity of the manufactured films ranged between 1,32×10-1 to 4,85×104 Ωcm. Based on Hall measurement results, the carrier concentrations of the films were between 1,49×1015 to 8,03×1017 cm-3 and their mobility were between 6,21×102 to 1,47×106 cm2/Vs.