Mikro işlenmiş kristal silisyum yüzeyinde gözenekli silisyum üretilmesi ve karakterizasyonu
Formation and characterization of porous silicon on a micro-machined monocrystalline silicon surface
Yazar: KUTAY APAYDIN
Danışman: DOÇ. DR. SÜREYYA AYDIN YÜKSEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Gözenekli Silisyum (GS); tek kristal Silisyum (cSi) üzerinde elektrokimyasal anodizasyon yöntemiyle üretilen, Si-O ve Si-H bağlarıyla çevrili gözenek ve boşluklarla sıralı silisyum iskeletten ibaret bir malzemedir. Özellikle Si-O, Si-H yüzey bağları sebepli dedektör ve yakıt pili uygulamalarında Silisyum tabanlı olması nedeniyle de MEMs uyumlu aygıt üretimine izin vermektedir. Gözenekliliği değişiminin bu aygıtların verimini değiştiriyor olması, bu tezin başlangıç fikri olmuştur ve önceden cSi yüzeyinde oluşturulan mikro kanalların bu yapının özelliklerini nasıl değiştirdiği incelenmiştir. Açılan hacimsel kanalların gözenekliliğe getirdiği sabit artış ile birlikte son ürünün aygıt performansına etkileri tartışılmıştır.
Farklı (HF:Metanol:H2O-1:x:y) içerikli elektrolit içinde sabit akım yoğunlu altında 20 dakika süreyle ve sabit elektrolit (HF:Metanol:H2O-1:3:1), farklı anodizasyon sürelerinde (20-240 dk) cSi ve mikro işlenmiş tek kristal silisyum (mm-cSi) yüzeylerinde üretilen GS yapının fiziksel karakterizasyonu yapılmış ve farklı metaller (Ag pasta ve Ag) kullanılarak sırasıyla oda ve vakum ortamında oluşturulan Metal/GS/nSi ve Metal/GS/mm-nSi yapıların elektriksel özellikleri akım gerilim karakteristikleri ile belirlenmiştir. 
Çalışmamızda, mm-nSi yüzey oluşumunda lazer sebepli değişim olduğundan nSi yapıya göre GS' nin farklı morfolojide geliştiği, bununla birlikte parlak cSi yüzeye kıyasla üretilen GS yapının morfolojisinin farklılaştığı, belirlenmiştir. Fourier dönüşümlü kızıl ötesi spektrumlarında da bu çözelti ile hazırlanan hem mikro işlenmiş hem nSi yapılarda yüzey Si-O ve Si-H bağları (1:3:1) elektrolitiyle hazırlanan GS yapılarda daha yoğun olduğu belirlenmiştir.
Oda ortamında alınan Ag pasta metal kontak ile hazırlanan (Ag Pasta/GS/nSi/In, Ag Pasta/GS/mm-nSi/In) ve vakum altında kaplanan Ag metali ile hazırlanan (Ag/GS/nSi/In, Ag/GS/mm-nSi/In) aygıtların Schottky diyot karakteristiği gösterdiği, mikro işlenmeyle diyot yapı varlığını parametreleri değiştirerek koruduğu belirlenmiştir.
Lazer ile açılan kanallar ile kontrollü arttırılan yüzey alanı etkilerinin hidrojen depolama ve Schottky diyot tabanlı gaz sensör uygulamalarında kullanımı önerilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Mikro işleme, Gözenekli Silisyum, Schottky Diyot

Abstract:
Porous Silicon (PS); is a material consisting of a silicon skeleton with pores and voids surrounded by Si-O and Si-H bonds, produced by electrochemical anodization on single crystal silicon (cSi). It allows the production of MEMs compatible devices, especially in detector and fuel cell applications due to Si-O,   Si-H surface bonds. The fact that the change in porosity changes the efficiency of these devices was the starting idea of this thesis and how the micro channels previously created on the cSi surface change the properties of this structure was examined. The effects of the opened volumetric channels on the device performance of the final product were discussed together with the constant increase in porosity. The physical characterization of the PS structure produced on cSi and micro-processed single crystal silicon (mm-cSi) surfaces under constant current density for 20 minutes in electrolyte with different (HF: Methanol: H2O-1:x:y) content and at different anodization times (20-240 min) with constant electrolyte (HF: Methanol: H2O-1:3:1) was performed and the electrical properties of the Metal/PS/nSi and Metal/PS/mm-nSi structures formed in room and vacuum environments, respectively, using different metals (Ag paste and Ag) were determined by current voltage characteristics.
In our study, it was determined that PS developed in a different morphology compared to the nSi structure due to the laser-induced change in the mm-nSi surface formation, and the morphology of the produced PS structure differed compared to the polished cSi surface. In Fourier transform infrared spectra, it was determined that surface Si-O and Si-H bonds were more intense in PS structures prepared with (1:3:1) electrolyte in both micro-machined and nSi structures prepared with this solution.
It was understood that devices prepared with Ag paste metal contact (Ag Paste/PS/nSi/In, Ag Paste/PS/mm-nSi/In) taken in room environment and prepared with Ag metal coated under vacuum (Ag/PS/nSi/In, Ag/PS/mm-nSi/In) exhibited Schottky diode characteristics and determined the diode structure existence by changing the parameters with micro-machined.
It was suggested to use the controlled increased surface area effects with laser-opened channels in hydrogen storage and Schottky diode-based gas sensor applications.

Keywords: Micro-machined, Porous Silicon, Schottky diode