Nano yapılı Cuo ve Cu2O geçiş metal oksitlerin görünür bölgede fotodedektör uygulamaları
Photodetector application of nanostructured CuO and Cu2O transitional metal oxides in the visible region
Yazar: FEVKANİ YILDIZ
Danışman: PROF. DR. MUTLU KUNDAKÇİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada ilk amacımız, cam ve n-tipi silisyum altlık üzerine nano parçacıklı CuO ve Cu2O ince filmleri büyütmek, büyütülen ince filmlerin bazılarını sülfürlemek ve sülfürlemenin ince filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özellikleri üzerine etkisini belirlemektir. Daha sonra, büyütülen CuO ve Cu2O ince filmleri kullanarak Al/CuO/Al ve Al/Cu2O/Al yapılı metal-yarıiletken-metal (MSM) fotodedektörlerin fabrikasyonunu yapmak, elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinde opto-elektronik özelliklerini incelemek ve CuO ve Cu2O katmanlarının MSM fotodedektörlerin opto-elektronik özellikleri üzerine etkisini belirlemektir. Son olarak ise, sülfürlenmiş CuO ve Cu2O ince filmleri kullanarak Al/CuO/Al ve Al/Cu2O/Al yapılı metal-yarıiletken-metal (MSM) fotodedektör fabrikasyonu yapmak ve sülfürlemenin MSM fotodedektörlerin opto-elektronik özellikleri üzerine etkisini belirlemektir. Bu çalışmada, ince filmlerin büyütüleceği cam ve n-tipi silisyum altlıklar temiz odada bir dizi temizlik işleminden geçirildi. Temizlenen cam ve n-tipi silisyum altlık yüzeyine nano parçacıklı CuO ve Cu2O ince filmlerin biriktirilmesinde, ince film biriktirme tekniklerinden fiziksel buhar biriktirme (PVD) yöntemi olan, DC magnetron saçtırma (DC Sputter) yöntemi kullanılmıştır. Cam ve n-tipi silisyum yüzeyine biriktirlen CuO ve Cu2O ince filmlerden bazılarına kimyasal buhar biriktirme yöntemiyle sülfürleme işlemi uygulanmıştır fabrikasyonu yapılan ince filmlerin yapısal analizi için XRD ölçüm tekniği, morfolojik özelliklerinin belirlenmesi için SEM ölçüm tekniği ve optik özelliklerinin belirlenmesi için soğurma ölçüm tekniği kullanılmıştır.  Al/CuO/Al ve Al/Cu2O/Al MSM yapılarının elde edilebilmesi için, sülfürlenmiş CuO ve Cu2O ince film yüzeyine, termal buharlaştırma tekniği kullanılarak bir maske yardımıyla tarak şeklinde alüminyum IDE kontaklar oluşturuldu. Fotodedektörlerin akım-gerilim ölçümleri Keithley 2400 Sourcemeter, foto akım-zaman ölçümleri Keithley 487 Picoammeter/Voltage Source, iki nokta prop istasyonu, ve 100 mW/cm2 ışık yoğunluğuna sahip AM 1,5 Class A solar simulator kullanılarak karanlıkta ve ışık altında yapılmıştır. Fotodedektörlerin dalga boyuna karşı spectral tepkisi ölçümü için ise PTS-2-QE IPCE/Kuantum Verimi Ölçüm Sistemi kullanılmıştır. CuO ve Cu2O ince filmlerin ve sülfürlenmiş CuO ve Cu2O ince filmlerin XRD verileri incelendiğinde, sülfürleme işleminin ince film kompozisyonunu değiştirdiği görülmüştür. Sülfürleme işlemiyle CuO ve Cu2O ya ait piklerin FWHM değeri ve tane sınırı azalırken kristal tanecik boyutunun arttığı görülmüştür. Sülfürlenmiş ve sülfürlenmemiş CuO ve Cu2O ince filmlerin SEM görüntüleri incelendiğinde, ince filmlerin altlık yüzeyine homojen bir şekilde büyüdüğü, sülfürleme işlemiyle film yüzeyinde yeni yapıların oluştuğu ve sülfürlenmiş ince filmlerin daha büyük kristal tanecik yapıya sahip olduğu görülmüştür. Aynı zamanda, SEM görümtülerinin XRD verileriyle uyumlu olduğu da görülmüştür. Sülfürlenmiş ve sülfürlenmemiş CuO ve Cu2O ince filmlerin optic soğurma ölçümleri incelendiğinde, sülfürleme işlemiyle daha büyük dalga boylarında soğrumanın başladığı ve dolayısıyla sülfürleme işlemiyle yasak enerji aralıklarının azaldığı görülmüştür. Sülfürlenmiş ve sülfürlenmemiş CuO ve Cu2O ince filmler kullanılarak fabrikasyonu yapılan Al/CuO/Al ve Al/Cu2O/Al yapılı metal-yarıiletken-metal (MSM) fotodedektörlerin elektriksel ve optik ölçümleri incelendiğinde, sülfürlenmiş CuO ve Cu2O ince filmler kullanılarak fabrikasyonu yapılan fotodedektörlerin elektriksel ve optik özelliklerinin daha iyi olduğu görülmüştür. Sülfürleme işlemiyle ince filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özellikleri değiştirilerek kristal kaliteleri arttırılabilir ve yasak enerji aralıkları değiştirilebilir. Ayrıca, sülfürleme zamanı değiştirilerek daha kaliteli bir kristal yapıya sahip olunabilir. Sülfürleme zamanına bağlı olarak yasak enerji aralığının değişiminin de incelenmesine ihtiyaç vardır. Bununla birlikte sülfürlemenin fotodedektörlerin elektriksel ve optik özellikleri üzerine de olumlu etkileri vardır. Fotodedektörlerin elektriksel ve optik özelliklerinin iyileştirilmesi için sülfürleme işleminin uygulanması yanında farklı kontak malzemeleri de kullanılabilir. Fabrikasyonunu yaptığımız fotodedektörlerin görünür ışık altında elde edilen elektriksel ve optik ölçüm sonuçları onları, optoelektronik cihaz uygulamaları için bir fotodiyot olarak elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinde kullanılabilirliğine dair iyi bir aday yapar.

Abstract:
In this study, our first aim is to grow nanoparticles CuO and Cu2O thin films on glass and n-type silicon substrate, to sulphurization some of the grown thin films and to determine the effect of sulphurization on the structural, morphological and optical properties of thin films. Next, fabricating Al/CuO/Al and Al/Cu2O/Al metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors using grown CuO and Cu2O thin films, examining their opto-electronic properties in the visible region of the electromagnetic spectrum, and studying CuO and Cu2O layers on the opto-electronic properties of MSM photodetectors. Finally, fabrication of Al/CuO/Al and Al/Cu2O/Al metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors using sulphurized CuO and Cu2O thin films and determining the effect of sulphurization on the opto-electronic properties of MSM photodetectors. In this study, glass and n-type silicon substrates on which thin films will be grown were subjected to a series of cleaning processes in the clean room. In the deposition of nanoparticles CuO and Cu2O thin films on the cleaned glass and n-type silicon substrate surface, DC magnetron sputtering (DC Sputter) method, which is one of the thin film deposition techniques, which is the physical vapor deposition (PVD) method, was used. Some of the CuO and Cu2O thin films deposited on the glass and n-type silicon surface were sulphated by chemical vapor deposition method, XRD measurement technique for structural analysis of fabricated thin films, SEM measurement technique for determination of morphological properties and absorption for optical properties. measurement technique was used. In order to obtain Al/CuO/Al and Al/Cu2O/Al MSM structures, CuO and Cu2O thin film and sulphated CuO and Cu2O thin film surfaces are applied to the surface of the thin film in the form of a comb using a thermal evaporation technique aluminum IDE contacts were created. Current-voltage and photocurrent-time measurements of the photodetectors were made in the dark and under light using a two-point probe station, Keithley 2400 Sourcemeter, Keithley 487 Picoammeter/Voltage Source and AM 1.5 class A solar simulator with 100 mW/cm2 light intensity. PTS-2-QE IPCE/Quantum Efficiency Measurement System was used to measure the spectral response of photodetectors against wavelength. When XRD data of CuO and Cu2O thin films and sulphurized CuO and Cu2O thin films were examined, it was seen that the sulphurization process changed the thin film composition. It was observed that, while the FWHM value and grain boundary of the peaks of CuO and Cu2O decreased with the sulphurization process, the crystal grain size increased. When the SEM images of sulphured and unsulphured CuO and Cu2O thin films were examined, it was observed that the thin films grew homogeneously on the substrate surface. New structures were formed on the film surface and the sulphurized thin films had larger crystal grain structures by the sulphurization process. It was also seen that the SEM images were compatible with the XRD data. When the optical absorption measurements of the sulphated and unsulphurized CuO and Cu2O thin films were examined, it was observed that the absorption started at larger wavelengths and thus the bandgap energy were reduced by the sulphurization process. When the electrical and optical measurements of Al/CuO/Al and Al/Cu2O/Al metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors were examined, it eas seen that the photodetectors produced with sulphuric CuO and Cu2O thin films had better electrical and optical properties. By changing the structural, morphological, and optical properties of thin films, crystal qualities can be increased, and bandgap energy ranges can be changed by sulphation. In addition, a higher quality crystal structure can be obtained by changing the sulfurization time. Depending on the sulfurization time, the change of the bandgap energy also needs to be examined. However, sulphurization also has positive effects on the electrical and optical properties of photodetectors. In order to improve the electrical and optical properties of photodetectors, different contact materials can be used besides the application of the sulfurization process. The electrical and optical measurement results of the photodetectors, we fabricated under visible light, make them a good candidate for use in the visible region of the electromagnetic spectrum as a photodiode for optoelectronic device applications.