Galyum katkılı çinko-oksit ince filmlerin özelliklerine sıçratma gücünün ve kaplama sonrası uygulanan ısıl işlemin etkileri
Effect of sputtering power and post annealing process on properties of gallium-doped zinc oxide thin films
Yazar: BİRSEN HANDEM ERGÜNHAN
Danışman: PROF. DR. AHMET KARAASLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films

Özet:
Saydam iletken oksit filmler (SİO) günümüzde birçok farklı teknolojik çalışmada kullanım alanı bulunan malzemelerdir. Gösterdikleri özelliklere göre düzlemsel güneş pillerinde, düşük emisyonlu pencere camlarında, saydam ısı yansıtıcılarda, elektriksel perde uygulamalarında ve dokunmatik ekran teknolojilerinde kullanılabilirler. Ticari olarak günümüze kadar sıklıkla kullanılmış olan kalay oksit (SnO2) ve  indiyum-kalay oksit (ITO) gibi ince filmlere alternatif oluşturan Çinko oksit (ZnO) fimler yakın zamanda kullanılmaya başlanmıştır. ZnO filmlere alüminyum, galyum, magnezyum ve indiyum gibi katkı elementleri ilave edilebilmektedir. Katkı elementlerinin etkisiyle ZnO filmlerin taşıyıcı yoğunlukları arttırılarak filmin elektriksel özellikleri iyileştirilmektedir. SİO filmlerin büyütülmesi aşamasında film özelliklerine etki eden belli başlı parametreler vardır. Bu parametrelerden sıçratma gücü, gaz basıncı, hedef-altlık mesafesi ve kaplama sıcaklığı başlıcalarıdır. 
Kullanım alanına uygun olarak istenen özelliklerin iyileştirilmesi adına saydam iletken oksit filmlere büyütme işlemi sonrasında bazı ek işlemler uygulanabilmektedir. Isıl işlem ve yüzey pürüzlendirme işlemi bu işlemlerin başlıcalarıdır. Isıl işlem uygulamasında ince filmin yapısı sıcaklık etkisiyle değişim göstermektedir ve uygun sıcaklık, süre ve ortam koşullarında elektriksel, optik ve özellikler iyileşme göstermektedir.
Bu çalışmada öncelikle sıçratma gücünün ZnO:Ga ince filmin elektriksel, optik ve yapısal özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirilip uygun sıçratma gücü belirlendikten sonra bu sıçratma gücünde büyütülen  ZnO:Ga  ince filmlerin optik, elektriksel ve yapısal özelliklerine  büyütme işlemi sonrasında uygulanan ısıl işlemin etkisi incelenmiştir. Uygulanan ısıl işlemin ZnO:Ga ince filmin elektriksel, optik ve yapısal özelliklerine etkisinin incelenmesine yönelik gerçekleştirilen deneyler farklı sıcaklık ve sürelerde vakum ortamında yapılmıştır.
5 farklı sıçratma gücünde büyütülen ZnO:Ga ince filmler içerisinden elde edilen özellikler bakımından en uygun olan sıçratma gücü seçilmiştir. Daha sonra seçilen sıçratma gücünde büyütülen filmlere 150-250-350-450oC'de her sıcaklık değeri için 2 saat vakum ortamında ısıl işlem uygulanmıştır. Farklı sıcaklıklarda uygulanan ısıl işlemler sonucunda özellikler bakımından uygun olarak seçilen sıcaklıkta (2500C) 1 saat ve 3 saat olmak üzere ısıl işlem uygulanmıştır. Yapılan tüm işlemlerden sonra elde edilen en uygun sıçratma gücü 1,2kW ısıl işlem sıcaklığı 250oC ısıl işlem süresi de 2 saat olarak belirlenmiştir. Seçilen ısıl işlemin seçilen sıçratma gücünde en iyi sonucu verdiğini teyit etmek amacıyla sıçratma yapılan 5 farklı güce 250oC 2 saat vakum ortamında ısıl işlem yapılmıştır. 
Büyütülen ZnO:Ga ince filmlerin karakterizasyonunda birçok farklı teknik kullanılmıştır. Film kalınlıkları yüzey profilometresi ile ölçülürken ilk aşamadaki özdirenç değerleri 4 uçlu ölçüm probu ile ölçülmüştür. Optik geçirgenlik değerleri spektrofotometre ile ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülükleri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile belirlenmiştir. Yapısal özellikleri taramalı elektron mikroskobu ile görüntülenmiştir. Filmlerin elektriksel özellikleri Hall etkisi ölçüm cihazı ile ölçülmüştür. SİO filmlerde verimliliği değerlendirmek için "figure of merit" olarak adlandırılan Ortalama optik geçirgenliğin özdirenç değerine oranıyla hesaplanmıştır.
Farklı sıçratma güçlerinde büyütülen filmlerde değişen güç ile beraber elektriksel ve optik özellikler de değişmiştir. En yüksek optik geçirgenlik değeri 1,2kW sıçratma gücünde yapılan kaplamada %67 olarak ölçülmüştür. Yine aynı sıçratma gücünde en düşük özdirenç değeri ve en düşük yüzey pürüzlülüğü elde edilmiştir. Isıl işlem deneyleri sonucunda ise  ZnO:Ga filmlerin özdirenç değerleri 3x10-4 ohm.cm değerlerine kadar ulaşırken %optik geçirgenlik değerleri >%77 değerlerinde ölçülmüştür. Bant aralığı değerleri 3,77eV'dan 3,92'ye çıkmıştır. En düşük özdirenç, en yüksek geçirgenlik, uygun yüzey pürüzlülüğü, yüksek taşıyıcı hareketliliği ve yüksek taşıyıcı yoğunluğu değerleri 1,2kW sıçratma gücünde büyütülen ve 250oC'de 2 saat boyunca vakum ortamında ısıl işlem uygulanan ZnO:Ga ince filmde elde edilmiştir.

Abstract:
Transparent conductive oxide films are materials used in many different technological works today. They can be used in planar solar cells, low emission window glasses, transparent heat reflectors, electrical curtain applications and touch screen technologies. Zinc oxide (ZnO) films, which are an alternative to thin films such as tin oxide (SnO2) and indium-tin oxide (ITO), which have been used commercially so frequently, have recently started to be used. Additive elements such as aluminum, gallium, magnesium and indium can be added to ZnO films. By the influence of additive elements, the carrier concentration of ZnO films are increased and the electrical properties of thin film are improved. In the course of the growth of thin films, there are certain parameters that influence film properties. These parameters are the sputtering power, gas pressure, target-substrate distance and substrate temperature.
In order to improve the desired properties in accordance with the application area, some additional operations can be performed after the coating of the transparent conductive oxide films. Heat treatment and etching are the mainstays of these processes. In heat treatment, the thin film structure changes with temperature effect and electrical, optical and properties show improvement at appropriate temperature, time and ambient conditions.
In this study, the effect of sputtering power on the electrical, optical and structural properties of  ZnO:Ga thin film was investigated. After evaluating the obtained results and determining the appropriate sputtering power, the effect of the post annealing process applied to the optical, electrical and structural properties of ZnO: Ga thin films grown in this sputtering power was investigated. Experiments to investigate the effect of applied post annealing on the electrical, optical and structural properties of ZnO: Ga thin filmin were carried out under vacuum at different temperatures and durations.
The most suitable sputtering power was selected for the properties obtained from ZnO:Ga thin films grown at 5 different sputtering powers. Then, the films grown at the selected sputtering power were subjected to heat treatment at 150-250-350-450oC for 2 hours for each temperature value in a vacuum environment. As a result of heat treatments applied at different temperatures, heat treatment was applied for 1 hour and 3 hours at the selected temperature (2500C) according to their properties. The most suitable sputtering power obtained after all the operations was determined as 1.2kW heat treatment temperature  250oC and heat treatment time as 2 hours. In order to confirm that the selected heat treatment gives the best result at the selected sputtering power, 5 different glazes were heat treated in a vacuum environment of 250oC for 2 hours.
Many different techniques have been used to characterize the enlarged ZnO: Ga thin films. Film thicknesses are measured by surface profilometry, while initial resistivity values are measured by a 4-point measuring probe. Optical transmittance values were measured by spectrophotometer. Surface roughness was determined by atomic force microscopy (AFM). Structural properties were visualized by scanning electron microscopy. The electrical properties of the films were measured by Hall effect measuring device. The the ratio of the average optical transmittance and resistivity, referred to as "figure of merit  for evaluating the efficiency in ZnO:Ga thin films.
The electrical and optical properties of ZnO:Ga thin films are change with sputtering power. The highest optical transmittance value was measured as 67% in the 1.2kW sputtering power. Again, the lowest resistivity value and the lowest surface roughness were obtained at the same sputtering power. As a result of the post annealing experiments, the resistivity values of ZnO: Ga films reached 3x10-4 ohm.cm and the optical transmittance values were measured at 77%. Bandgap values increased from 3.77eV to 3.92eV. The lowest resistivity, highest transmittance, suitable surface roughness, high hall mobility and high carrier concentration values were obtained in ZnO: Ga thin film grown at 1.2kW sputtering power and annealed in vacuum at 250oC for 2 hours.