Yeni nesil Si3N4:ZnO fotodiyotların üretimi ve elektro-optik karakterizasyonu
Manufacturing of novel Si3N4:ZnO photodiodes and their electro-optical characterisation
Yazar: ERHAN İBRAHİMOĞLU
Danışman: PROF. DR. ZAFER TATLI ; PROF. DR. FATİH ÇALIŞKAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Diyotlar, güneş pilleri, transistörler, fotodiyotlar ve LED'ler gibi elektronik cihazlar, teknolojinin ilerlemesiyle birlikte çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Fotodiyotlar ise, optik sinyalleri elektrik enerjisine dönüştüren ve ışığa hızlı tepki verebilen devre elemanlarıdır. Fotodiyotlar, metal-yarı iletken (MY) eklemlerinden veya ikisi arasında bir arayüzey tabakasının büyütüldüğü yapılardan oluşmaktadır. MY yapıların elektriksel parametreleri, tabakalar arasındaki arayüzeyin kalitesi tarafından doğrudan etkilenmektedir. Arayüzeyin kalitesini belirleyen unsurlar ise; homojenlik, kalınlık, tane boyutu ve dağılımı gibi cihaz performansını etkileyen arayüzey durumlarını meydana getiren mikroyapısal faktörlerdir. Bunun yanında arayüzey tabakasının bant aralığı, dielektrik sabiti vb. temel parametreler de performansı etkileyen diğer faktör arasında yer almaktadır. MY arasına yalıtkan bir tabaka veya oksit tabaka biriktirilerek oluşturulan fotodiyotlar yaygın olarak kullanılmaktadır. ZnO, geniş bant aralığı (3,37 eV) ve yüksek bağlanma enerjisi (60 meV) nedeniyle fotodiyot uygulamalarında tercih edilen oksit esaslı arayüzeylerdendir. Ancak, katkısız ZnO'nun hızlı elektron-deşik rekombinasyonu nedeniyle sınırlı fotokatalitik verimliliğe sahip olduğu bilinmektedir. Si3N4; yüksek oksidasyon direnci, termal kararlılık, düşük yoğunluk gibi özellikleri ile fotoelektrik performansı artırmakta ve ZnO ile kullanılabilecek bir malzeme olarak göze çarpmaktadır. Ayrıca ZnO ile kristal yapı uyumu nedeniyle ZnO'nun çekirdeklenmesini teşvik etmektedir. Bu özellikten faydalanmak için, çalışmada ZnO'ya Si3N4 katkısı yapılmış arayüzeyin mikroyapısının kontrol edilmesiyle performansın iyileştirilmesi sağlanmıştır. Bunlara ek olarak; ZnO'nun aktif iletkenliği arttırılarak pratik uygulamalarda daha verimli hale getirilmektedir. Bu amaçla; Ru, Mo ve Y gibi elementlerin Si3N4:ZnO yapısına katkılanması ile elektriksel ve optik özelliklerin kontrol edilmesi ve performansın iyileştirilmesi üzerinde durulmuştur. Tüm bu nedenlerle çalışma, üçlü bileşenden oluşan arayüzeylerin araştırılmasında da önemli bir rapor oluşturacaktır. Kısaca çalışmada, modern elektronik cihazların performansını artırmak amacıyla Si3N4 katkılı ZnO fotodiyotların elektriksel ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır ve Mo, Ru ve Y katkılarıyla oluşturulacak üçlü sistemlerin performansı değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın bir diğer özgün yanı ise, ZnO nanopartiküllerinin yeşil sentez yöntemi ile üretilmesi ve fotodiyot uygulamalarında kullanılmasıdır. Ihlamur (Tilia Cortada) bitkisi kullanılarak ZnO nanopartikülleri sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Daha sonra Si3N4 tozları ZnO içerisine katkılanmış ve elde edilen çözelti p-Si altlığının yüzeyine kaplanmıştır. Farklı döndürme hızları ve tavlama sıcaklıklarında üretilen ince film kaplamaların elektriksel karakterizasyonu yapılmış ve Si3N4:ZnO yapısı optimize edilmiştir. Elde edilen ince filmlere sırasıyla Mo, Ru ve Y katkısı yapılmış ve katkılı Si3N4:ZnO üçlü sistemine sahip inorganik ince film kaplı fotodiyotlarının kimyasal, morfolojik, elektriksel ve dielektrik özellikleri detaylı olarak incelenmiştir. Bu çalışma, nadir toprak elementleri ve diğer iletkenlerle katkılanmış oksit + nitrür yapılı inorganik ince filmlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu üzerine yapılan sınırlı sayıdaki araştırmalardan biri olması nedeniyle bu alanda önemli bir katkı sunmayı hedeflemektedir.

Abstract:
Electronic devices such as diodes, solar cells, transistors, photodiodes, and LEDs are widely used in various applications. Photodiodes, which convert optical signals into electrical energy and respond quickly to light, are crucial in these devices. Metal-semiconductor (MS) junctions are vital for electro-optic devices such as solar cells, radio frequency detectors, and transistors. The quality of the interface between the layers directly influences the electrical parameters of MS structures. ZnO is also widely used in the optoelectronic industry due to its wide bandgap (3.37 eV) and high exciton binding energy (60 meV). However, undoped ZnO is known to have limited photocatalytic efficiency due to the rapid recombination of electrons and holes. Therefore, it aims to improve the photocatalytic properties by addition of Si3N4. This study aims to investigate the electrical and dielectric properties of Si3N4-reinforced ZnO photodiodes to enhance the performance of modern electronic devices, and the performance of ternary systems formed with Mo, Ru, and Y dopants has been evaluated. Si3N4 possesses high oxidation resistance, thermal stability, and low density, which improve photovoltaic performance. Additionally, it aims to control and improve the electrical and optical properties of ZnO by doping it with elements such as Ru, Mo, and Y. These dopants are to enhance the active conductivity of ZnO, making it more efficient for practical applications. Particularly, metal silicon nitride and oxynitride-based materials activated with rare earth elements are used in white LEDs and solid-state lighting. The other novel aspects of this study are the synthesis of ZnO nanoparticles using green synthesis method and their application in photodiodes. ZnO nanoparticles were synthesised and characterised using the Tilia plant extract. Then, Si3N4 powders were reinforced into ZnO, and then, the obtained solution was coated on the surface of p-Si substrate. The electrical characterisation of thin film coatings was carried out at different spinning speeds and annealing temperatures, and thus the Si3N4:ZnO structure was optimised. The study also presents a thorough examination of the chemical, morphological, electrical, and dielectric properties of inorganic thin-film photodiodes coated with a ternary system of Mo, Ru, and Y-doped Si3N4:ZnO. The obtained photodiodes are to provide innovative and low-cost solutions both nationally and internationally, offering significant advantages in various applications. The objective of this research is to make a substantial contribution to the field, as it is one of the few research efforts focused on the development and characterization of inorganic thin films structured with oxides and nitrides, doped with rare earth elements and other conductive materials.