Ce katkılı ZnO/Si heteroekleminin üretimi ve ara yüzeyde oluşan kusur seviyelerinin incelenmesi
Fabrication of Ce doped ZnO/Si heterojunction and investigation of the defects at the interface
Yazar: HALİM ONUR ÖZTEL
Danışman: DOÇ. DR. NAMIK AKÇAY
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında, Ce katkılı ZnO/p-Si heteroekleminin arayüzeydeki kusur seviyeleri ve bu kusur seviyelerine Ce katkı konsantrasyonunun etkisi DLTS yöntemi ile incelenmiştir. Katkısız ZnO ve farklı mol oranlarında Ce katkılı ZnO nanoyapılarını sol-jel yöntemi ile sentezlenmiştir. Üretilen n-Ce:ZnO/p-Si heteroeklemleri, p-Si üzerinde döndürme kaplama yoluyla üretilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntülerinden, yüzeyin düzgün küresel taneler içerdiği gözlemlenmiştir. Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) verilerine göre, sentezlenen nanoparçacıklarda Ce, O ve Zn atomları dışında yabancı atom bulunmamaktadır. EDS verilerine göre, yapıdaki oksijen içeriği Ce katkılanması ile artmıştır. X-ışını kırınımı (XRD) analizi ile tüm nanoyapıların hekzagonal wurtzite yapıya sahip olduğu ve Ce katkısının yapıdaki stresi azalttığı belirlenmiştir. I-V ölçümleri, yapıların iyi bir diyot yapısına sahip olduğunu ve en iyi diyot karakterini gösteren yapının 3,36' lık idealite faktörü ile %2 mol Ce katkısı içeren Ce:ZnO/p-Si hetero yapısı olduğunu belirlenmiştir. Derin seviye geçiş spektroskopisi (DLTS) sonuçları, arayüzde oluşan tuzakların çoğunluk taşıyıcılarından kaynaklı elektron tuzakları olduğunu göstermiştir. Tuzakların aktivasyon enerjileri %0, %1, %2 ve %5 mol Ce için sırasıyla, E0(0.079), E1(0.311), E2(0.290) ve E5(0.386) eV' dir. Bu tuzakların iletkenlik bandı kenarına yakın ve altında yer aldığı bulunmuştur. Tuzak konsantrasyonu, ZnO kristal örgüsüne Ce eklenmesiyle azaldığı hesaplanmıştır.
Bu doktora tez çalışması, Ce katkılaması yoluyla ZnO/p-Si heteroeklemlerin elektriksel özelliklerinin ayarlanabilirliğini ve verimliliklerinin optimize edilebilirliğini ortaya koyması açısından önemlidir. Ayrıca, veriler n-Ce:ZnO/p-Si heteroeklemlerin optik veya elektriksel cihazlarda var olabilecek potansiyel uygulamaları için iyi bir aday olabileceğine ışık tutmaktadır.

Abstract:
In this doctoral dissertation, the defect levels at the interface of Ce-doped ZnO/p-Si heterojunctions and the effect of Ce doping concentration on these defect levels were investigated using the DLTS method. Undoped ZnO and Ce-doped ZnO nanostructures with different molar ratios were synthesized via the sol-gel method. The produced n-Ce:ZnO/p-Si heterojunctions were fabricated on p-Si substrates through spin coating. Scanning electron microscope (SEM) images revealed that the surface contained uniform spherical grains. According to energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) data, any foreign atoms out of Ce, Zn and O were found in the synthesized nanoparticles. A notable observation from the EDS data is that the oxygen content increased with Ce doping. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed that all nanostructures exhibited a hexagonal wurtzite structure, and Ce doping reduced the stress in the structure. I-V measurements demonstrated that the structures possessed good diode characteristics, with the best diode performance observed in the structure containing 2% mol Ce, which had an ideality factor of 3.36. Deep level transient spectroscopy (DLTS) results showed that the traps at the interface were electron traps originating from the majority carriers. The activation energies of the traps were determined as E0(0.079), E1(0.311), E2(0.290), and E5(0.386) eV for 0%, 1%, 2%, and 5% mol Ce, respectively, and these traps were found to be located near and below the conduction band edge. The trap concentration was calculated to decrease with the addition of Ce to the ZnO crystal lattice.
This doctoral dissertation is significant as it demonstrates the tunability of the electrical properties and the optimization of the efficiency of ZnO/p-Si heterojunctions through Ce doping. Furthermore, the data shed light on the potential applications of n-Ce:ZnO/p-Si heterojunctions in optical or electronic devices.