Morötesi optoelektronik uygulamalara aday yarıiletken çinkooksitte olası tip dönüşümü ve bantaralığı değişiminin incelenmesi: Oksijen boşlukları ve kalay kusurlarının etkisi
An investigation of type convertibility and band-gap variation in zincoxide towards ultraviolet optoelectronic application: The effects of oxygen vacancies and tin defects
Yazar: TACETTİN YILDIRIM
Danışman: PROF.DR. SEBAHATTİN TÜZEMEN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2004
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Reactive sputtering metoduyla safir (AI2O3) ve silisyum (Si) üzerine 02/Ar oranı değiştirilerek büyütülen ZnO ince film kristallerinde elektriksel ve optik karakterizasyon; soğurma, fotoiletkenlik ve foto-Hall metotları kullanılarak gerçekleştirildi. Spraypyrolysis metoduyla mikroskop camlan üzerine Sn katkı oranı değiştirilerek büyütülen Znı.xSnxO ince film kristallerinde yapısal ve optik karakterizasyon da x-ışım ve optik soğurma metotlarıyla yapıldı. Oksijence fakir (O2/Ar=0,41), oksijence zengin (02/Ar=l,41) ve (O2/Ar=0,5-0,6) olan ortamda safir üzerine büyütülen ZnO ince filmlerde optik soğurma ölçümleri alındı. Oksijence fakir ortamda büyütülen numunedeki soğurma pikleri oksijen boşluklarına atfedildi. Oksijence zengin ortamda büyütülen numune, vakum tavlama yapılarak aynı pikler elde edildi. Pik şiddetleri ve pik enerjilerinin vakum tavlama süresiyle değişimi incelendi. Pik enerjilerinin sıcaklık artarken 19 meV azaldığı bulundu. Bu azalma, fermi enerjisi yukarıya doğru kayarken, akseptör seviyelerinden oksijen boşluklarına elektronik geçişlerden kaynaklanmaktaydı. Si üzerine büyütülen numunelerde alman fotoakım ölçümlerinden elde edilen ve yeşil ışığa karşılık gelen soğurma piki, valans bandından oksijen boşluklarına olan soğurma olarak yorumlandı. Fotoakımın aydınlatma zamanının fonksiyonu olarak azalması tip dönüşümüyle birlikte düşünüldüğünde -U davranışına sahip kusurun V0 olduğu görülür. X-ışını kınnırmndan numunelerin yapısal tercihli yönlenimleri ve örgü sabitleri elde edildi. Hegzagonal yapıdaki ZnO 'nun (002) doğrultusunda tercihli yönlenime sahip olduğu ve örgü sabitlerinin literatürdeki değerler ile uyumlu olduğu görüldü. Sn oram artarken; örgü sabitleri a ve b artmakta, c değeri azalmaktaydı. X=l olduğunda hegzagonal yapı tetragonal yapıya dönüştü ve Sn02'nin hesaplanan örgü parametrelerinin de literatür ile uyumlu olduğu görüldü. Optik soğurma ölçümleri alınan numunelerde ekstrapolasyon yöntemi ile yasak enerji aralıkları hesaplandı. Yasak enerji aralığı, katkılanan Sn oranı arttıkça maksimum 170 meV arttı. Bu artış miktarı, kuantum çukuru (Quantum wells) yapılarda elektron tuzaklamak için yeterli büyüklüktedir. Yasak enerji aralığındaki değişim Van Vechten eşitliği ile fit edilerek fiziksel ve kimyasal kusurların yasak enerji aralığına etkisini gösteren bowing parametresi 0,76 eV olarak bulundu. 2004, 126 sayfa Anahtar Kelimeler: Geniş yasak enerji aralıklı yarıiletkenler, ZnO, soğurma, vakum tavlama, fotoiletkenlik ve foto-Hall olayı.

Abstract:
Reactive sputtering method were used to grow ZnO thin film crystals on sapphire (A1:03) and silicon (Si) as a function of oxygen franction 02/Ar and then electrical and optical properties of these thin film crystals of ZnO were measured by three different methods: optical absorption, photoconductivity and photo-Hall. X-ray diffraction and optical absorption methods were employed to characterize optical and structural properties of thin Zni.xSnxO film crystals growth with various Sn compositions by Spry pyrolysis method on microscop glasses. In the environments with low (O2/Ar=0.41), high (02/Ar=1.41), and moderate oxygen contents (O2/Ar=0.5-0,6), optical absorption measurements were taken on thin film ZnO grown on sapphire. Peaks observed in the samples grown in low oxygen environment were explained that they are more likely to be the oxygen vacancies. Similar peaks were obtained after vacuum annealing of samples grown in high oxygen environment. Peak intensities and energies of these samples over vacuum annealing time were investigated. It was calculated that peak energies decreased as 19 meV as temperature increases. Such decrease is due to excited electrons from acceptor levels to oxygen vacancies as fermi energy level increase. Absorption peak that corresponds to green light observed on photocurrent measurements in samples grown on Si were interpreted as absorption from valance band to oxygen vacancies. Decrase in photo-current as a function of illumination time together with type convertibility when the samples are subject to light indicates that the defect we deal with has negative -U behaviour and that V0 is the only one with such activity. Lattice parameters and preferred orientations of samples were determined from x-ray diffractions. It was seen that hexagonal structured ZnO favors (002) direction and corresponding lattice parameters are consistent with the literature values. And, increases in composition Sn result in increases in a and b but decrease in c values. When x=l, it was observed hexogonal structure of ZnO converted into tetragonal structure of Sn02 and its lattice parameters were also in agreement with published values.Extrapolation method used to calculated bandgap energy for these samples. It was observed that such bandgap energy increased up to 170 meV as amount of Sn doped increases. Such increase is enough to be able to trap electrons in quantum well structures. Bowing parameter which represents effects of physical and chemical defects on bandgap was estimated fitting experimental data set to Van Vechten equation by least square method an found as 0,76 eV. 2004, 126 pages Keywords: Wide bandgap semiconductors, ZnO, absorption, vacuum annealing, photoconductivity and photo-Hall effect.