Pürüzlü cam üzerine büyütülmüş N-tipi mikrokristal silisyum malzemelerde saf su ve ışık ile yaratılan metastabilite etkilerinin foto iletkenlik yöntemleri ile incelenmesi
Investigation of metastability effects due to de-ionised water and white light in N-type microcrystalline silicon films deposited on rough glass substrate by using photoconductivity methods
Yazar: HÜSEYİN MUZAFFER ŞAĞBAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET GÜNEŞ
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında pürüzlü cam taban malzemesi üzerine VHF-PECVD tekniği ile büyütülmüş yüksek ve düşük kristalli n-tipi iletkenliğe sahip  mikrokristal silisyum (c-Si:H) ince film malzemelerin ve sıfır kristalli amorf silisyum (a-Si:H) referans melzemenin karanlık iletkenlik ve fotoiletkenlik özelliklerinin uzun süreli atmosfer gazlarına,kısa süreli saf su ve  beyaz ışık şiddetine maruz kalması sonucu oluşan metastabilite etkilerinin yarattığı değişimler incelenmiştir. Ayrıca, fotoiletkenlik değişimlerine neden olabilecek malzeme içindeki elektronik kusur dağılımlarındaki değişimler iki demetli fotoiletkenlik (DBP) yöntemi ile de incelenerek relatif optik soğurma katsayısı spektrumdaki değişimlerle ilişkilendirilmiştir.   300 K oda sıcaklığında gerçekleştirilen karanlık iletkenlik ve fotoiletkenlik ölçümleri yüksek vakumlu kriostat içinde gerçekleştirilmiştir. 
Elde edilen bulgular doğrultusunda yüksek ve düşük kristal hacim oranına sahip mikrokristal malzemelerde hava ortamında bekleme ve saf su içinde bekleme sonucunda karanlık ve fotoiletkenlik değerlerinde 1-2 mertebe azalma görülmüştür. Bu azalmaya karşın relatif optik soğurma katsayısı spektrumlarında herhangi bir değişimin olmadığı yani yasak enerji aralığındaki karanlık Fermi seviyesi altındaki enerjilerde yerelleşmiş elektronik kusur dağılımlarında bir değişiklik olmadığı gösterilmiştir. Bu etki ısıl işlem uygulaması sonucunda ise tamamen ortadan kalkmaktadır. Amorf silisyum malzemenin hava ortamında ve saf su içinde bekletilmesi sonucu iletkenlik değerlerinde ve relatif optik soğurma katsayısı spektrumlarında herhangi bir kayda değer değişim olmadığı teyit edilmiştir. Oluşan bu metastabilite etkisinin bir yüzey etkisi olduğu, yani malzeme yüzeyi ve/veya kristal adacık yüzeylerine fiziksel olarak yapışan oksijen ve su buharı moleküllerinin yarattığı yüzey yüklenmesi sonucu iletkenlik bant ucunun Fermi seviyesinden uzaklaştığı, bu nedenle iletkenlik bulgularının azladığı fakat hacimsel kusur dağılımlarında bir değişimin olmadığı anlaşılmaktadır. Isıl işlem ile malzemeyi terk eden oksijen ve su buharı molekülleri tamamen geri dönüşümlü iletkenlik bulgularına neden olmaktadır. Işık altında bekletilen malzemelerden yüksek kristal hacim oranına sahip olan mikrokristal silisyum malzemede karanlık iletkenlik, fotoiletkenlik ve relatif optik soğurma katsayısı spektrumunda kayda değer bir değişim görülmezken, düşük kristal hacim oranına sahip malzemede ise Staebler-Wronski etkisi ortaya çıktığı gösterilmiştir. Karanlık ve foto iletkenlik bulguları birkaç kat azalırken, bunlara karşılık relatif optik soğurma katsayısı spektrumunun düşük enerji bölgesinde kayda değer bir artışın oluştuğu bulunmuştur. Amorf silisyum malzemede ise ışık altında bekletme sonucunda literatürdeki önceki çalışmalardaki gibi iletkenlik değerlerindeki hemen hemen bir mertebe azalma görülmüştür. Staebler-Wronski etkisi gösteren a-Si:H malzemenin relatif optik soğurma katsayısı spektrumunda ise 1-2 kat artış olduğu, ışık ile yeni elektronik kusurların, Staebler-Wronski kusurlarının. yaratıldığı teyit edilmiştir. Uygulanan ısıl işlem sonrasında Staebler-Wronski etkisinin ortadan kalktığı gösterilmiştir.

Abstract:
The purpose of this thesis is to investigate the metastability changes due to long term air exposure, short term de-ionised water (DI) and white light illumination on dark and photoconductivity properties of high and low crystalline n-type microcrystalline silicon( µc-Si:H) thin films as well as undoped amorphous silicon (a-Si:H) film as a reference sample deposited on the rough glass substrate by using VHF-PECVD technique. In addition, the dual beam photoconductivity (DBP) technique was also used to obtain relative optical absorption coefficient spectrum in order to make correlations between the changes in photoconductivity and the changes in the density of occupied defect states located in the bandgap of the materials. Dark conductivity measurement were carried out in high vacuum as a function of temperature and photoconductivity and DBP  measurements were performed at 300K under high vacuum.
It was found that dark and photoconductivity values of n-type µc-Si:H thin films decreased by one to two orders of magnitude after four years long term exposure to atmospheric air and four hours of DI water treatment. However, there was no significant change in the lower energy part of relative sub-bandgap absorption coefficient spectrum, indicating no change in the density of occupied defect states located below the dark Fermi level. This effect was completely reversible after heat treatment carried out at 440K in dark and in high vacuum. As it was recently reported in the literature, a-Si:H thin film was not affected by the long term exposure of atmospheric gases and short term DI water treatment as confirmed by the results of dark conductivity, photoconductivity and relative absorption coefficient spectrum measurements. It can be concluded that the metastability effect caused by atmospheric air and DI water treatment in n-type µc-Si:H thin films is more likely a surface effect, where  oxygen and  water vapor molecules physically stick to samples surface and on the surface of crystalline grain boundaries. Such molecules cause an induced surface charge, which finally result in a band bending of conduction band edge moving away from the Fermi level. Such effect results in a substantial conductivity decrease without affecting the density of electron occupied defect stated located below the dark Fermi level. After the heat treatment,  water vapor and oxygen desorbs from the sample surface and  conductivities are completely restored. For the light induced metastability so called Staebler-Wronski effect (SWE), highly crystalline n-type microcrystalline silicon film was found to be almost immune to the white light illumination. However, microcrystalline sample with low crystalline volume fraction showed significant SWE, where dark and photoconductivity values measured at 300 K decreased by a factor of 2-4 as well as a significant increase in the lower energy part of relative sub-bandgap absorption coefficient spectrum was observed. For the reference sample with zero crystalline volume fraction, a-Si.H thin film was strongly affected by the light soaking as commonly reported in the literature. Dark conductivity and photoconductivity values of 300K decreased almost one order of magnitude and lower energy part of sub-bandgap absorption coefficient spectrum increased by a factor of two, indicating an increase in the density of occupied defect states below the Fermi level after light soaking. Such changes due to SWE were found to be completely reversible after the heat treatment carried out in dark at 440K.