Determination of trap levels of MOS structure semiconductor devices at cryogenic temperatures

Abstract

ABSTRACT DETERMINATION OF TRAP LEVELS OF MOS STRUCTURE SEMICONDUCTOR DEVICES AT CRYOGENIC TEMPERATURES DOĞRU, Nuran M.S. in Electrical and Electronics Eng. Supervisor: Prof. Dr. Sadettin ÖZYA2ICI July 1997, 105 pages In this thesis, trap levels which effect the characteristics and efficiency of the semiconductor devices in MOS (metal-oxide- semiconductor) structure solar cells must have been determined at cryogenic temperatures. For this reason MOS solar cells are designed and fabricated in the form of Al- oxide- p type silicon crystals. In laboratory work, solar cells are produced by creating natural oxide layer and then depositing Aluminum metal contacts by vacuum evaporation technique. Since trap levels in semiconductors can quickly charge and discharge at room temperatures, all measurements must be carried out in a cryostat which uses liquid nitrogen gas (77 K). Using Photocapacitance technique these levels in cells can be determined. Trap levels, l-V, dl/dV,and Capacitance of each solar cell must have been measured by using Monochromator, Capacitance meter and l-V characteristics measurement. But during experimental study, l-V, C-V and C-X characteristics were not obtained, because cryostat was not run. Therefore, some physical parameters such as quantum efficiency, absorption coefficient, lp (photocurrentH and Vp (photovoltage)- X were measured. IllMOS güneş pillerinin veriminin maximum olabilmesi için açık-devre voltajı (Voc), kısa-devre akım» (U) ve düzeltme faktörünün (FF) mümkün olduğunca yüksek olması gerekir. Oksit kalınlığının piller üzerindeki etkisini belirleyebilmek için, oksit kalınlığı farklı piller üretilmiştir. İnce bir oksit tabakasının kısa-devre akımını etkilemeden açık-devre voltajını artırdığı bilinmektedir. Alüminyum kalınlığının pil üzerindeki etkisini gözlemlemek için, siliconun ön yüzü farklı kalınlıklarda Alüminyum ile kaplanmıştır. Tuzak seviyeleriyle ilgili elde edilen bilgiler sadece güneş pillerinin verimini artırabilmek için değil yarı iletken malzeme kullanan diğer devre elemanlarının veriminin artırılmasına da yardımcı olabilecektir. Anahtar Kelimeter: MOS güneş pilleri, tuzak seviyeleri, fotoakım, verim, çok düşük sıcaklık. VI

ÖZET MOS YAPILI YARI İLETKEN DEVRE ELEMANLARININ TUZAK SEVİYELERİNİN DÜŞÜK SICAKLIKLARDA TESBİTİ DO?RU, Nuran Yüksek Lisans Tezi, Elk. Elektr. Müh. Böl. Tez Yöneticisi; Prof. Dr. Sadettin ÖZYA21CI Temmuz 1997, 105 sayfa Bu tezde, MOS yapılı güneş pillerindeki yarı iletken devre elemanlarının karakteristiğini ve verimini etkileyen tuzak seviyelerinin çok düşük sıcaklıkta tesbitinin yapılması gerekiyordu. Bu nedenle AI«oksit-p- tipi silicon kristaller şeklinde MOS yapılı güneş pilleri tasarlanmış ve üretilmiştir. Laboratuvar çalışmasında, güneş pilleri doğal yöntemle oksit tabakası yaratılarak ve vakuum buharlaştırma yöntemi ile Alüminyum metal kontaklar yaparak elde edilmiştir. Yarı iletken devre elemanlarındaki tuzak seviyelerinin oda sıcaklığında çabucak dolup ve boşalmalarından dolayı bütün ölçümler sıvı azot (77 K) gazı kullanan kriyostat içinde yapılmalıdır. Fotokapasitans tekniği kullanılarak bu tuzak seviyeleri belirlenebilir. Güneş pillerinin, tuzak seviyeleri, l-V, dl/dV ve kapasitansı Işık ayrıştırıcı, Kapasitans metre ve l-V karakteristik ölçüm düzeneği ile ölçülmesi gerekiyordu. Fakat deney süresince, l-V, C-V ve C-X karakteristikleri elde edilememiştir, çünkü kriyostat çalıştırılamamıştır. Bu nedenle, kuantum verimi, emme katsayısı, lp (fotoakim)-X ve Vp (fotovoltaj)- 2ı gibi bazı fiziksel parametreler ölçülmüştür.ABSTRACT DETERMINATION OF TRAP LEVELS OF MOS STRUCTURE SEMICONDUCTOR DEVICES AT CRYOGENIC TEMPERATURES DO?RU, Nuran M.S. in Electrical and Electronics Eng. Supervisor: Prof. Dr. Sadettin ÖZYA2ICI July 1997, 105 pages In this thesis, trap levels which effect the characteristics and efficiency of the semiconductor devices in MOS (metal-oxide- semiconductor) structure solar cells must have been determined at cryogenic temperatures. For this reason MOS solar cells are designed and fabricated in the form of Al- oxide- p type silicon crystals. In laboratory work, solar cells are produced by creating natural oxide layer and then depositing Aluminum metal contacts by vacuum evaporation technique. Since trap levels in semiconductors can quickly charge and discharge at room temperatures, all measurements must be carried out in a cryostat which uses liquid nitrogen gas (77 K). Using Photocapacitance technique these levels in cells can be determined. Trap levels, l-V, dl/dV,and Capacitance of each solar cell must have been measured by using Monochromator, Capacitance meter and l-V characteristics measurement. But during experimental study, l-V, C-V and C-X characteristics were not obtained, because cryostat was not run. Therefore, some physical parameters such as quantum efficiency, absorption coefficient, lp (photocurrentH and Vp (photovoltage)- X were measured. Ill