Amorf silisyum katkılı schottky diyotların optik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Investigation optical and electrical properties of amorphous silicon doped schottky diodes
Yazar: GİZEM ÇELİKOK
Danışman: PROF. DR. KUBİLAY KUTLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Amorf silisyum = Amorphous silicon ; Yarı iletken kristaller = Semiconductor crystals ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
Çağdaş iletişim teknolojisi, iki temel bölümle tanımlanabilir: bir yanda mikroişleyiciler (microprocessors), öteyandan da çevre birimleri (insan-makina ara yüzünü oluşturan giriş ve çıkış birimleri). Mikroişlemcilerin gelişmesi tek kristal silisyum üzerinde gitgide minyatürleşen tümdevrelerle sürerken, giriş-çıkış birimleri büyük boyutlu kalarak geliştiriliyorlar. Klavye, yazıcı, belge okuyucu ve kopyalayıcı, elektronik gösterim gibi birimlerden oluşan çevre birimlerinin gerektirdiği teknoloji, geniş yüzeyli mikroelektronik teknolojisi diye adlandırılmaktadır. Bunun için gerekli 20-25cm boyutlarında elektronik malzeme, ancak ince film biçiminde elde edilebilir ve giderek ucuz taban üzerinde elde edilebildiği ölçüde de kabuledilebilir maliyette üretilebilirler.Bilindiği gibi, yarıiletkenleri, aygıt üretiminin temeli yapan özelliklerinin başında, iletimi sağlayan serbest elektrik yükü taşıyıcılarının, hem türlerinin (n yada p) hem de miktarlarının denetimli biçimde ayarlanabiliyor olması yatmaktadır. Oysa amorf silisyum (a-Si) filmler, önlenemez sarkık bağlı yapılarından dolayı, yasak enerji aralığı ortalarına doğru 1020 cm-3eV-1 gibi yüksek yoğunlukta yerelleşmiş derin durum yoğunluğu dağılımı içerirler; böylece olası katkı atomlarının sağlayabileceği fazlalık serbest elektronlar bu derin tuzaklar tarafından yakalanarak etkin katkılanma önlenmiş olur. Dolayısıyla iletkenliğinin türü ve miktarı denetlenemiyen bir yarıiletkenin teknolojik öneminin sınırlı olduğu açıktır. Amorf silisyum filmlerinin bu tıkanıklığı, sarkık bağların hidrojenle doyurulmasıyla aşılmıştır. Yaklaşık %10 hidrojenle alaşımlaştırılan a-Si filmlerde, sarkık bağların hidrojenle doyurulmalarından dolayı derin yerel durum yoğunluğu yaklaşık 105 kez azalmaktadır, başka bir deyişle neredeyse bambaşka bir film oluşmaktadır. Bu hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) filmlerde her tür ve miktarda katkılama yapılabildiğinden elektronik aygıt üretiminde önü açılmaktadır. Öteyandan, kristal silisyuma göre, yasak enerji aralığı yaklaşık %60, optik soğurma katsayısı ise 10-20 kez büyüdüğünden, hem ışık duyarlılığı insan gözünün etkili olduğu görünür bölgeye taşınmakta, hem de belli bir foton miktarı soğurmak için çok daha ince malzeme yeterli olmaktadır. Düşük taşıyıcı hareketliliği ve optik yıpranma sorunlarına karşın a-Si:H filmler, optik özellikleri zayıf olan kristal silisyumun bu açığını büyük ölçüde kapatmaktadır. Ayrıca germanyum, karbon, azot... gibi elementlerle alaşım yapabilen hidrojenlenmiş amorf silisyum filmlerin yasak enerji aralığı kızıl altından mor ötesine kadar ayarlanabilmekte ve geniş yüzeyli optoelektronik uygulamalara yol açmaktadır. Bunlarla birlikte son zamanlarda yapılan çalışmalar incelendiğinde, a-Si:H filmler HIT türü güneş pili çalışmalarında temel yarı-iletken olduğu görülmektedir.Böylece, a-Si:H filmler, ilginç özelliklerinin yanında, mevcut mikro/nano-elektronik malzemelerle (tek kristal Si, SiO2 , Si 3N4...) uyumlu olması, düşük sıcaklıklarda çok katlı yapılara girebiliyor olması, günümüzde "amorf silisyum teknolojisi" diye adlandırabilecek bir teknolojinin temel malzemesini oluşturmaktadır.Hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) filmlerin hazırlığında kullanılan teknikler ve parametreler malzemenin istenilen özelliklerde oluşması için önemli bir rol oynamaktadır. a-Si:H filmlerin oluşturulması için plazma destekli kimyasal buhar biriktirme sistemi (PECVD) kullanılacaktır. Bu sistem plazma reaktörü ve gazların bulunduğu kabinlerden oluşmaktadır. Bu sistemde, a-Si:H film üretimi için başlıca gaz silan (SiH4) gazıdır. Sistemin çalışması basınç, sıcaklık, güç ve kaynak gazların akış oranı gibi büyütme parametrelerinin itinalı ve dikkatli bir biçimde kontrolü zorunludur. Bu parametreler büyütülen filmin yapısal, elektronik ve optik özelliklerini tamamıyla etkilemektedir. Yöntemler kısmında, filmlerin üretimi ve inceleme araçları hakkında daha detaylı bilgiler verilecektir.Bu çalışmada, PECVD yöntemiyle a-Si:H filmler, cam, metallenmiş cam ve silisyum altlıklar üzerine simultane olarak ilk önce katkısız daha sonra da fosfor (n türü) ve bor (p türü) katkılı olarak büyütüldü. Elde edilen numulerdeki optik sabitler (film indisi, yasak enerji aralığı, soğurma katsayısı vb.) UV-Visible yansıma-geçirme spektroskopisiyle elde edilerek, yapısal özellikler ise IR spektrumlarıyla açığa çıkarıldı. Çeşitli altlıklar üzerine büyütülen a-Si:H filmlerin metallenmesi sonucu kontaklar üretilerek, ilk önce bu kontakların türü, yani ?ohmik? yada ?Schottky? belirlendi, daha sonrada elde edilen aygıtın akım iletim mekanizmaları akım gerilim (I-V) deneylerince ortaya konuldu. Bunların yanısıra, filmlerin yük tutma kabiliyetleride admittans tekniğiyle belirlendi.

Abstract:
The hardware of modern information system can be divided into two categories: Electronic processors (microelectronics) and input/output devices. The improvement of processors has been associated with continuous miniaturization on crystalline silicon chips. Therefore integrated circuit technology develops as electronic processors with gradually reducing device dimensions (Submicron). On the other hand, input/output devices have to continue to be of large dimensions. Electronic displays, printers, keyboards or document scanners require electronics technology with large formats, which is called large area electronics. Each of these applications requires an electronic device, whose size matches the interface with human activity ? either a display screen or a sheet of paper- with typical dimensions of 25 cm or larger. Therefore economic fabrication of large area electronic devices requires homogeneous materials with larger size.Amorphous silicon and its alloys, apart from the fundamental importance in theoretical point of view, they are building stone of today?s large area opto-electronics in the relevant market. These large area devices have to stay large in dimensions as a necessity of man/machine interface such as image sensors, document scanners, electronic displays, printers etc. The crystalline silicon based conventional microelectronics could not satisfy the requirements of these large area opto-electronic devices due to both its poor optical properties and limited dimensions. The solutions developed on the semiconductors other than the crystalline silicon have created mismatching problems with the existing silicon based microelectronic structures.Amorphous silicon whose huge amount of dangling bond states around midgap energy region (1020 cm-1eV-1) are reduced to minute amount (1015 cm-1eV-1) by the hydrogen compensation process, becomes able to be selectively doped both n and p types leading to a large number of practically useful devices such as p-n, p-i-n, Schottky diodes etc. As device feasibility of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) has been achieved, the above mentioned two main drawbacks of crystalline silicon (c-Si), (namely poor optical properties and limited geometrical area or too high cost of material), are tried to be solved nowadays by this a-Si:H films. As for the optical weakness of c-Si the optical gap of a-Si:H is widened up to the visible region ( ? 1.75 eV) leading to the photoconductivity spectrum, shifted to shorter light wavelength compared with crystalline silicon. In other words, the a-Si:H spectrum coincides better with the sensitivity range of human eye (the alloying ability of a-Si:H with Ge, Sn, C, N and O creates a flexibility of adjusting the optical gap from IR to UV). Moreover, the optical absorption of a-Si:H is about 20 times larger than that of c-Si. On the other hand, a-Si:H seems to be a solution to the large area problem of crystalline silicon because it can be deposited at low temperature (<300 ? C) by the glow discharge method at reasonable cost as large area thin films on low cost substrate (such as glass and ordinary rude organic materials).Besides, the control of the electrical conductivity over 10 orders of magnitude [4] due to its dopability, the field effect allows the sheet conductance of a-Si:H layer to be switched over 6 orders of magnitude. As a result, the development of thin film transistors for addressing circuits on large area electronics is facilitated by the fact that the gate dielectric layer (mostly a-SiNx:H film), the channel layer of a-Si:H film and the ohmic source and drain n+ contact layers can all be deposited in the same plasma reactor (PECVD).Various techniques could be employed to deposit a-Si:H thin films. According to the applied techniques and deposition conditions, properties of a-Si:H films alter. Due to the requirement of large dimension with low processing temperature, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is suitable technique to grow a-Si:H films on various substrates. Main precursor gas for the system is SiH4. Pressure, substrate temperature, flow rate of gases that introduced into the chamber of plasma reactor, resident time of the gases, power are the parameters for the system. With the mentioned growth conditions, both structural and electrical properties of a-Si:H thin films can be tuned. Details of the film production stage will be given in subsequent section.Through this work, structural and electrical properties of PECVD grown films on various substrates were investigated by suitable tools. For the optical features such as refractive index, forbidden energy band gap, absorption properties, bond types in a-Si:H were studied via UV-Vis. transmission measurements and Infrared spectroscopy, respectively. As for the electrical properties, current-bias voltage (I-V) and admittance (capacitance together with conductance) analyses were used to find out transport and storage properties. First, selected metals like Aluminum, chromium and ITO metals were evaporated on to a-Si:H films with different geometries. After determining the type of chosen metals as either injecting (ohmic) or blocking type, the structure at hand were analyzed in MS or Schottky type structure.