Mikro kristal silisyum ince film malzemelerdeki kararsızlık probleminin fotoiletkenlik yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı; farklı mikro yapılardaki mikro-kristal silisyum ince film malzemelerin karanlıkta ve fotoiletkenlik özelliklerinin atmosferik yaşlanma ve Staebler-Wronski etkisi altında nasıl değişime uğradığını belirlemek, mikro-yapı ile ilişkisini ortaya çıkarmak ve literatürde pürüzsüz taban malzeme üzerine büyütülmüş ince film malzemeler ile sınırlı sayıda yayımlanmış çalışmaların sonuçları ile karşılaştırma yaparak mevcut problemin anlaşılmasına katkıda bulunmaktır.Mikro-kristal silisyum malzemelerde atmosfer koşullarından kaynaklanan aynı zamanda yaşlanma etkisi olarak da bilinen kararsızlık problemi karanlıkta ve fotoiletkenlik yöntemleri ile incelenmiştir. İnce film malzemeler VHF-PECVD yöntemi kullanılarak 200 0C de tutulan pürüzlü taban malzemeler üzerine büyütülmüştür. Filmlerin sahip oldukları mikro yapılar üretim sırasında kullanılan silan gazı oranı ayarlanarak değiştirilmiştir. Malzemelerin kristal hacim oranları Raman spektroskopisi ile belirlenmiştir. Malzemelerin elektronik bozunumu (yaşlanma) için iki farklı ortam (azot ve hava ortamı) kullanılmış, malzemeler ışık almayacak şekilde oda sıcaklığında saklanmış ve ölçümleri vakum ortamında gerçekleşmiştir. 77K-450K aralığında malzemeler hem karanlıkta hem de fotoiletkenlik ölçümleri alınarak yaşlanmış durumda ve ısıl işlem görmüş durumda karakterize edilmişlerdir. Kararlı durum fotoiletkenlik yöntemi, ışık akısı 1011 cm-2 s-1 den 1017 cm-2 s-1 e kadar olan dar bant ışık kullanılarak ve homojen bir optik soğurma altında gerçekleştirilmiştir. Belirli sıcaklıklarda ışık şiddetine bağlı fotoiletkenlik ölçümlerinden üstel parametresi hesaplanmıştır.Elde edilen bulgular sonucunda laboratuar ortamında, karanlıkta, oda sıcaklığı ve oda basıncında bekletilen yüksek kristal hacim oranına sahip mikro-kristal silisyum ince film malzemelerde ve amorf silisyum ince film malzemelerde yaşlanmadan kaynaklı iletkenliklerinde azalma ölçülmüştür. Azot gazı ortamında, karanlıkta, oda sıcaklığı ve basıncında bekletilen malzemelerde yaşlanmadan kaynaklı iletkenlikteki azalmaya karşı azot gazının bir koruyucu etkisi gözlenmemiştir. Yüksek kristal hacim oranına sahip olan mikro-kristal silisyum ince film malzemeler uzun süre ışık banyosuna maruz kaldıklarında iletkenliklerinde herhangi bir değişim oluşmamıştır. Uzun süre ışık banyosuna maruz bırakılan amorf silisyum ince film malzemelerde ise literatürle uyumlu sonuçlar elde edilmiş ve yüksek oranlarda (10-100 kat) iletkenliklerinde azalma ölçülmüştür.

The aims of the present study were to investigate the influence of ambient conditions on the dark and photoconductivity properties of microcrystalline silicon film with different microstructures, to get insight into the link between atmospheric aging and material composition, to investigate the possibility of using rough substrates for transport measurements and eventually to find standards for sample storage, treatment and measurement conditions.Instability effects, related to the influence of ambient atmosphere (referred to as aging) on the dark and photoconductive properties of microcrystalline silicon films have been investigated. Thin films were deposited using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at 200ºC. Rough (for better adhesion) glass substrates were used. The microstructure of the films was changed from amorphous to highly crystalline by adjusting the process gas silane concentration during deposition. The crystallinity was evaluated from Raman measurements. Aging in different atmospheres such as air or nitrogen gas was performed by storing the samples at room temperature without illumination for a period of time and compared with samples stored in vacuum. Samples were characterized in both aged and annealed conditions (after 30 min heat treatment at 450K) using dark conductivity and steady state photoconductivity in the temperature range from 77 K to 450 K. Steady-state photoconductivity was measured under homogeneously absorbed monochromatic light for generation rates between 1016 -1021 cm-3 s-1 and its exponent gamma ? was calculated at each measurement temperature.As a result of the data gathered from experiments, ,decrease at dark and photoconductivity of microcrystalline silicon thin films and amorphous silicon thin films, have been measured at the laboratory conditions, at room temperature and room pressure. Any preventing effect of ageing due to nitrogen gas at nitrogen gas medium, dark, room temperature and pressure, have not been observed. There has been no conductivity change at high crystalline volume fractioned microcrystalline silicon thin films, when they were light soaked. For prologues light soaked at amorphous silicon thin films, results, that are compatible with literature and previous studies, have been gathered and high amount of decrease at conductivity (10-100 times) have been measured.