Hidrojenlendirilmiş nanokristal silisyum (nc-Si:H) tek katman örneklerin üretimi ile elektronik ve optik özelliklerinin incelenmesi
Fabrication of hydrogenated nanocrystalline silicon single layer thin films and investigation of their electronic and optical properties
Yazar: TİMUÇİN EREN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AKIN BACIOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Hidrojenlendirilmiş nanokristal silisyum (nc-Si:H) ve mikrokristal silisyum (?c-Si:H) ince film örnekler, PECVD sisteminde, yüksek oranda hidrojen (H2) ile seyreltilmiş silan (SiH4) gazının 13,56 MHz RF plazması kullanılarak, cam ve kristal silisyum alttabanlar üzerine büyütülmüştür. İnce filmlerin üretilmesinde 200 ve 1900 mTorr kazan basınçlarında; 300 ve 150 ?C alttaban sıcaklıklarında iki seri örnek hazırlanmıştır. Örnek hazırlama koşulları, çoğunlukla RF gücü ve H2 seyreltme oranları ayarlanarak yapılmıştır. H2 seyreltmesi % 85 ? 99 aralığında yapılmış, RF gücü ise 10 ? 30 W aralığında uygulanmıştır. Seyreltme oranının ayarlanması için, H2 gazının akış hızı 100 sccm?de sabit tutulurken, SiH4 gazı akış hızı 1 ? 17 sccm aralığında değiştirilmiştir.
Örneklerin karakterizasyonunda Raman saçılması, optik geçirgenlik, sıcaklığa bağlı karanlık iletkenlik ve sabit fotoakım yöntemi, (CPM), ölçümleri kullanılmıştır. Raman saçılması deneylerinin sonucunda, amorf faza ilişkin ka = 480 cm-1 dalga sayısında gözlenen Raman kayması sinyaline ek olarak, oluşan kristal boyutlarının büyüklüğüne bağlı olarak, nanokristal faza ilişkin km = 510 cm-1 ve mikrokristal faza ait kc = 520 cm-1 dalgasayılarında karakteristik pikler gözlenmiştir. Kristal fazlara ilişkin 510 ve 520 cm-1 pikleri ile amorf faza ilişkin 480 cm-1 bandının şiddetleri kullanılarak kristalleşme oranları hesaplanmıştır. RF gücü 10 W ve daha küçük güçlerde hazırlanan örneklerde, hiç bir seyreltme oranı için kristalleşmeye rastlanmamıştır. RF gücü 20 W değerinde sabit tutularak, H2 seyreltmesi dH = % 85 - 99 aralığında tarandığında, kristalleşme XC = % 37 ? 21 aralığında değiştirilebilmiştir. H2 seyreltme oranı % 99?da sabit tutularak RF gücünün 15 - 30 W aralığında tarandığı örnek setinde ise, kristalleşme % 19 ? 58 aralığında değişmiştir.
Örneklerin Tauc optik aralığı, E_g^Taucun 1,77 ? 2,02 eV aralığında, Cody optik aralığı, E_g^Codynin ise 1,70 ? 1,96 eV aralığında, kristalleşmeye bağlı olarak, değiştiği gözlenmiştir. Karanlık iletkenlik aktivasyon enerjisinin de kristalleşme oranına bağlı olarak ~1.2 eV?tan ~0,9 eV?a azaldığı gözlenmiştir. Kristalleşme oranına bağlı yasak enerji aralığının artışı ve aktivasyon enerjilerinin değişimleri, amorf-mikrokristal fazlar ve nanokristal yapıların kuantum boyut etkisine dayandırılarak tartışılmıştır. 20 W?lık sabit RF gücü kullanılarak farklı seyreltme oranlarında büyütülen ve % 99?luk sabit seyreltme oranı kullanılarak farklı RF güçlerinde büyütülen örnekler için Urbach parametrelerinin değişimi kristalleşme oranına bağlı olarak tartışılmıştır.

Anahtar Kelimeler: nc-Si:H, c-Si:H, nanokristal silisyum, mikrokristal silisyum.

Abstract:
Hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H) and microcrystalline silicon (?c-Si:H) thin film samples have been produced on glass and crystalline silicon wafer substrates by using highly diluted silane gas (SiH4) with hydrogen (H2) in a RF-PECVD system operating at 13,56MHz. Two different set of samples have been prepared at vacuum chamber pressures of 200 and 1900 mTorr and at substrate temperatures of 300 and 150?C. Most of the samples were deposited at these conditions by varying RF power within the range of 10 - 30 W and H2 dilution rate between 85 - 90%. To adjust the H2 dilution rate, the flow rate of H2 was kept constant at 100 sccm and SiH4 flow rate were changed within the range of 1 and 17 sccm.
To characterize the thin film samples, we used the experimental techniques mainly Raman scattering, optical transmission, temperature dependent dark conductivity, constant photocurrent method. As a result of Raman scattering experiments, besides observing the Raman shift band, due to the amorphous phase ka = 480cm-1, we also observed two more peaks one at km = 510cm-1 which is related to nanocyrstalline phase and the other at kc = 520cm-1 which is attributed to microcrystalline. The crystallinity ratios were calculated by using the ratio of the integrated intensity of nanocyrstalline and microcrytsalline formation observed at the wavenumber of 510 and 520 cm-1 to that of amorphous phase observed around 480 cm-1. For none of the dilution rates for the samples prepared at RF power of 10 W or below, formation of crystallinity has been obtained. The set of samples prepared at constant RF power of 20 W and by changing hydrogen dilution from 85 to 99 %, was observed to have the crystallinity ratios ranging from XC = 37 to 21%. Finally the set of samples prepared at constant hydrogen dilution ratio of 99% and by varying RF power between 15 and 30 W, was calculate to have the crystallinity ratios changing from 19 to 58 %.
The Tauc gap E_g^Tauc of the samples were calculated as in the range of 1,77 ? 2,02 eV and Cody gap E_g^Cody at the range of 1,70 ? 1,96 eV, depending on the crystallization ratio. It has been also observed the dark conductivity activation energy changes from ~1.2 to ~0,9 eV by depending on the crystallization ratio. The change in activation energies and the increase of the band gap energies of the samples with respect to the crystallinity ratio has been discussed and concluded considering the quantum size effect of nanocrystalline formation and amorphous-microcrystalline phase seperation. Moreover the variation of Urbach parameters of the samples has been discussed by the depending on the crystallization ratio.

Keywords: nc-Si:H, c-Si:H, nanocrystalline silicon, microcrystalline silicon.