Amorf silisyum ve alaşımları heteroeklemlerin elektronik ve optik özelliklerinin incelenmesi
Electronic and optical properties of heterostructures fabricated by using a-Si:H and its alloys
Yazar: İLKER AY
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN TOLUNAY
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, plazma biriktirme yöntemiyle hazırlanan hidrojenlendirilmiş amorfsilisyum (a-Si:H) ve hidrojenlendirilmiş amorf silisyum-azot alaşımlı (a-SiNx:H)amorf yarıiletken deneklerle; Al, Cr, Mg, Sb ve Au gibi metaller kullanılarak MSM(Metal/ Yarıiletken/ Metal) hetero-eklemler oluşturulmuştur. Hazırlanan MSMhetero-eklemlerin elektronik ve optik özellikleri, I-T (sıcaklığa bağlı karanlıkiletkenlik), optik geçirgenlik, geniş bir sıcaklık aralığında alınan I-V (Akım-Gerilim)ve C-V (Kapasitans -Gerilim) gibi deneysel yöntemlerle incelenmiştir.Optik geçirgenlik deneyleri için dalga boyu 400 nm'den 1100 nm'ye değişenmonokromatik kaynak kullanılmıştır. Bu deney sonucundan elde edilen geçirgenlikspektrumundan a-Si:H ve a-SiNx:H deneklerin, soğurma katsayısının ve kırmaindisinin, dalga boyuna göre değişimi bulunmuştur. Bu veriler sonucundadeneklerin kalınlığı, optik bant aralığı, E04 enerjisi ve B parametresi elde edilmiştirBu tez çalışmasında ilk olarak farklı metallerle (Al, Au, Cr, Mg) oluşturduğumuzmetal/ a-Si:H/ metal yapıların 420 K - 145 K sıcaklık aralığında Schottky diyotözellikleri ve metal/ a-Si:H arasına konulan antimon'nun (Sb) Schottky diyotözelliklerine etkisi incelenmiştir. Bunun sonucunda elimizdeki metallerdenhangisinin has a-Si:H denek ile daha iyi omik eklem yaptığı ve tekrarlanıptekrarlanmadığı incelenmiştir.Farklı metallerle oluşturduğumuz metal/ a-Si:H/ metal deneklerin Schottky diyotözellikleri karanlıkta geniş bir sıcaklık aralığında (420 K - 145 K) alınan I-Völçümleri ile incelenmiştir. Alınan bu ölçümlerden deneklerin engel yüksekliği (ÏB),ideallik katsayıları (Î·), etkin Richardson katsayısı (A*) ve bu katsayının engelyüksekliği hesaplarına etkisi, ileri ve geri besleme akım oranları (Ii/Ig),seri dirençleri(Rs) sıcaklığın fonksiyonu olarak bulunmuştur. Bu sonuçlardan en iyi omik kontakve diyot kontak özelliği gösteren metaller seçilerek farklı azot oranına sahip a-SiNx:H denekler ile metal/ a-SiNx:H/ metal yapılar hazırlanmıştır. Hazırlanan budeneklerle, Schottky diyot özelliklerinin azot oranı ile nasıl değiştiği incelenmiştir.1Oda sıcaklığında deneklerin ışık şiddetine olan duyarlılıkları 630 nm dalga boyunasahip bir led grubu kullanılarak, 1014-1017 foton/cm2s foton akısı aralığında alınanI-V ölçümleri ile incelenmiştir. Bu ölçümlerden farklı metallerle oluşturduğumuzmetal/ a-Si:H/ metal ve farklı azot oranına sahip metal/ a-SiNx:H / metal deneklerinileri ve geri besleme akımlarının ışık şiddeti ile nasıl değiştiği araştırılmıştır.Her bir denek grubu için sandviç yapılı deneklerde ve paralel yapılı denekte sabitgerilim altında karanlık öziletkenliğin sıcaklıkla değişimine (I-T eğrileri) bakılmış vesandviç yapıda, ileri ve geri besleme durumlarında sabit gerilim altında alınan I-Teğrileri ile paralel yapıdan alınan I-T eğrileri karşılaştırılmıştır. Farklı metallerleoluşturduğumuz metal/ a-Si:H/ metal ve farklı azot oranına sahip metal/ a-SiNx:H/metal deneklerin sıfır beslemede sabit bir ışık şiddeti altında açık devre gerilimininsıcaklıkla değişimi incelenmiştir.Hazırlanan tüm deneklerde oda sıcaklığında farklı frekanslarda kapasitansıngerilim (C-V) ile nasıl değiştiğine bakılmış, bu ölçümler sonucunda deneklerin yapıpotansiyeli ve dielektrik katsayısının hesaplanıp hesaplanamayacağı tartışılmıştır.Son olarak seri direncinin diğer deneklere göre daha düşük olduğunu bildiğimizdüşük azot oranlı hidrojenlendirilmiş amorf silisyum deneği kullanarak,hidrojenlendirilmiş amorf silisyum deneklerin seri direncinin düşürülüpdüşürülemeyeceğine ve diyot parametrelerinin nasıl değişeceğine bakılmıştır.Bunun için Mg/ a-SiN0,015:H/ a-Si:H/Au ve Mg/ a-Si:H/ a-SiN0,015:H/ Au katmanlıyapıları oluşturulmuş ve hetero-eklemlerin elektronik ve optik özellikleri, I-T, optikgeçirgenlik, geniş bir sıcaklık aralığında I-V ve C-V gibi deneysel yöntemlerleincelenmiştir. Ancak bu aşamada denek hazırlama sisteminde kullanılan SiH4gazının bitmesiyle sisteme yeni bir SiH4 gaz tüpü bağlanmıştır. Bunun sonucundakatmanlı yapılarda Schottky diyot parametrelerinin nasıl değiştiğine bakılmasınınyanı sıra eski ve yeni SiH4 gaz ile hazırlanan denekler arasında nasıl bir farkolduğunu da inceleme fırsatımız doğmuştur.İlk hazırlanan deneklerden farklı olarak yeni SiH4 gazı ile hazırlanan deneklerinkapasitans gerilim (C-V) ölçümlerinde farklı davranışlar gözlenmiştir. Bu yüzdenkapasitans gerilim (C-V) ölçümleri, 400 K-300 K sıcaklık aralığında farklı frekansve uygulanan AC sinyalin farklı genlikleri için incelenmiştir. Bu ölçümler sonucunda2deneklerin ara bölge durum yoğunluğunun (Nss), yapı potansiyelinin (Vbi) ve tuzakyoğunluğunun (Nt) sıcaklıkla, frekansla ve uygulanan AC sinyalin genliği ile nasıldeğiştiğine bakılmıştır.Anahtar Kelimeler: Schottky Diyot, Engel Yüksekliği, Seri Direnç, İdeallikKatsayısı, Etkin Richardson Katsayısı, a-Si:H, a-SiNx:HDanışman: Prof. Dr. Hüseyin TOLUNAY, Hacettepe Üniversitesi, FizikMühendisliği Bölümü, Fizik Anabilim Dalı3

Abstract:
Metal-semiconductor-metal (MSM) hetero structures were prepared by using a-Si:H or a-SiNx:H as the semiconductor with using different metals as the ohmicand Schottky barrier contacts (Mg, Al, Cr, Au) and their electrical and opticalproperties were investigated by using temperature dependent current-voltage (I-V)and dark conductivity (I-T), temperature and frequency dependent capacitance-voltage (C-V) and optical transmission measurements.Optical transmission measurements were carried out in the wavelength range of400 nm -1100 nm using a homemade spectrometer. Film thicknesses andrefractive indices and optical absorption coefficients as a function of wavelengthwere determined from the optical transmission measurements using theSwanepoel method.Current-Voltage (I-V) characteristics of Cr (or Au) / a-Si:H Schottky structuresusing different back metal ohmic contacts (Al, Cr, Mg or combination of Al/Sb orMg/Sb) were measured in a wide temperature range (from 145-425 K) to find outthe temperature dependence of the ideality factor (Î·), barrier height (ÏB) and seriesresistance (Rs) for the different metal contacts used. The modified Richardsonconstant (A*) and barrier height were also determined by ploting thermionicemission saturation current as a function of temperature. It was found that whichmetals are the best for making ohmic and rectifying contact to intrinsic a-Si:H. TheI-V measurements were also repeated under illumination with different lightintensities (1014-1017 foton/cm2s). The ratio of forward to reverse currents werealso investigated as a function of light intensity.As the last part of this thesis, we were aimed to obtain MSM structure with thelowest serial resistance. For this purpose Mg/ a-SiN0,015:H/ a-Si:H/Au andMg/ a-Si:H/ a-SiN0,015:H/ Au hetero structures were prepared and characterized.Keywords: Schottky Diode, Barrier Height, İdeality Factor Series Resistance,Modified Richardson Constant, a-Si:H, a-SiNx:H1Advisor: Prof. Dr. Hüseyin TOLUNAY, Hacettepe University, Department ofPhysics Engineering, Physics Section2