RF saçtırma yöntemi ile InXGa1-XN üçlü bileşiğinin ince film olarak büyütülmesi ve karakterisitik özelliklerinin deneysel olarak incelenmesi
Growth of InXGa1-XN ternary compound as thin film by RF magnetron sputtering technique and investigation of characteristic properties with experimental analysis
Yazar: ERMAN ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. MUTLU KUNDAKÇİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanomalzeme  Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasında radyo frekanslı magnetron saçtırma (sputtering) tekniği kullanılarak indiyum galyum nitrür üçlü bileşiği farklı büyütme parametreleri altında büyütülmüştür. InGaN bileşiğinin yapısal, optik ve morfolojik özellikleri ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Yapısal analiz için XRD, XPS, Raman; optik özellikleri için soğurma ölçüm tekniği; morfolojik özellikleri için SEM ve AFM ölçüm teknikleri kullanılmıştır. Saçtırma tekniğiyle yapılan büyütmelerde optimum şartlar sağlamak için altlık, altlık sıcaklığı, RF güç değişimi, çalışma basıncı ve azot gazı akış oranı gibi birçok parametre dikkate alınmıştır. Büyütülen filmlerin XRD analizinde birçok film hekzagonal kristal yapı sergilemiştir. Farklı çalışma parametreleri altında büyütülen filmlerin XRD piklerinin yönelimi ve şiddeti değişmiştir. Bazı parametreler altında ise film yapısının dentritik yapıda olduğu gözlemlenmiştir. XPS sonuçlarında spektrumdan Ga, N, In ve O da dâhil olmak üzere dört çeşit element, hem yüzeyde hem de InGaN filmi içerisinde gözlemlenmektedir. Ayrıca büyütülen InGaN filmlerin kimyasal durumları da XPS ile incelenmiştir. Bu analiz için O (1s), In (3d5/2), Ga (2p3/2) ve N (1s) fotoelektron pikleri seçilmiştir. Göreceli olarak yüksek yoğunluklu O-ilişkili XPS O (1s) özelliği ile belirtildiği gibi, büyütülen InGaN filmlerin yüzeyi önemli derecede oksitlenmiştir. Raman analizinde InGaN bileşiğine ait optik fonon modları A1(LO) ve E2(high) olmaktadır. Raman analizi sonucunda InGaN filmine ait Raman değişimlerini gösteren piklerden silisyum altlığa ait olan pik 520 cm-1 değerinde çok güçlü olduğundan E2(high) moduna ait pik (430 cm-1 – 490 cm-1) çok zayıf olmaktadır. Diğer taraftan A1(LO) moduna ait pik ise çok yayvan bir şekilde görülmekte olup (616 cm-1 - 720 cm-1) aralığında oluşmuştur. Filmlere ait karakteristik Raman değişimi pikleri strenching modunda bulunmaktadır. SEM analizinde filme ait kristal yapısı ve tanecik sınırları belirgin bir şekilde görülmekte olup hem kristal oluşumu hem de dentritik yapı oluşumu desteklenmektedir. AFM sonuçlarında yapılarda yer yer tepeler ve çukurlar mevcut olup kısmen homojendirler ve topaklanmaya benzer daire şeklinde yumrular dağınık bir şekilde yerleşmiştirler. Ayrıca farklı parametreler altında büyütülen tüm filmler 0.48 nm-85.48 nm arasında çizgisel pürüzlülüğe sahiptirler. Optik özelliklere bakıldığında soğurma ölçümlerinde elde edilen yasak enerji aralığı değerlerinin tüm büyütme parametreleri dikkate alındığında en düşük 2.34 eV ve en yüksek 3.26 eV olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen geniş yasak enerji aralığı, InGaN filmlerini çok sayıda bilinen PV aygıtı konfigürasyonunu ve tandem yapılarını mümkün kılan çok yönlü bir potansiyel PV malzemesi yapmaktadır. Morfolojik özelikleri nedeniyle optoelektronik ve mühendislikte sürtünme uygulamaları için uygun birer yapı olduklarını söyleyebiliriz. Ayrıca hekzagonal kristal yapıya sahip filmlerin de LED, lazer diyot ve güç elektroniği gibi aygıt uygulamalarında kullanılabileceğini söyleyebiliriz.

Abstract:
In this thesis study, indium gallium nitride triple compound was grown under different deposition parameters by using radio frequency magnetron sputtering technique. The structural, optical and morphological characteristics of the InGaN compound have been studied in detail. XRD, XPS, Raman for structural analysis; absorption measurement technique for optical properties; SEM and AFM measurement techniques were used for their morphological characteristics. In order to obtain optimum conditions for the growth of the scattering technique, many parameters such as substrate, substrate temperature, RF power variation, working pressure and nitrogen gas flow rate are taken into consideration. In the XRD analysis of the deposited films, many films exhibited hexagonal crystal structure. The orientation and intensity of the XRD peaks of films grown under different operating parameters have changed. Under some parameters, it is observed that the film structure is dendritic. Four types of elements, including Ga, N, In and O, are observed both in the suRFace and in the InGaN film in the XPS results. The chemical states of the grown InGaN films were also investigated by XPS. O (1s), In (3d5/2), Ga (2p3/2) and N (1s)  photoelectron peaks were selected for this analysis. As indicated by the relatively high density O-associated XPS O (1s) feature, the suRFace of grown InGaN films is significantly oxidized. In the Raman analysis, the optical phonon modes of the InGaN compound are A1(LO) and E2(high). As a result of the Raman analysis, the peak of the E2(high) mode (430 cm-1 – 490 cm-1) is very weak because the peak of the Si substrate is very strong at 520 cm-1 from the peak of the raman changes of the InGaN film. On the other hand, the peak of the A1(LO) mode is very broad (616 cm-1 - 720 cm-1). The characteristic Raman change peaks belonging to the films are in the strenching mode. In the SEM analysis, the crystal structure and grain boundaries of the structure are clearly visible and both crystal formation and dendritic structure formation are supported. In the results of the AFM, there are locally peaks and valleys, and partially homogeneous and circular-like clusters are arranged. In addition, all deposited films under different parameters have linear roughness between 0.48 nm and 85.48 nm. When the optical properties are taken into consideration under various growth parameters, it is determined that the band gap values obtained in the absorption measurements are the lowest 2.34 eV and the highest 3.26 eV. The resulting wide band gap makes InGaN films a versatile potential PV material that makes possible the configuration of many known PV devices and tandem structures. Due to their morphological properties, we can say that they are suitable structures for optoelectronic applications and friction applications in engineering. We can also say that films with hexagonal crystal structure can be used in device applications such as LED, laser diode and power electronics.