Hidrojenli amorf silikonun (a-Si:H) ESR spektroskopisi ile incelenmesi

Abstract

HİDROJENLİ AMORF SİLİKONUN ( a-Si:H ) ESR SPEKTROSKOPİSİ İLE İNCELENMESİ Erhan SAGLAMYUREK ÖZ Bu çalışmada, bol miktarda hidrojen içeren a-Si:H örnekler üzerinde ışıl etki ile kusur oluşum ve tavlanma olaylarının kinetiği, oda sıcaklığı koşullarında ESR tekniği ile incelenmiştir. Deneylerdeki örnekler, düşük taban sıcaklıklarında saf silan gazı kullanılarak plazma biriktirme yöntemiyle hazırlanmıştır, örneklerin aydınlatılması, çeşitli şiddet değerlerinde Hg(Xe) ark lambasıyla gerçekleştirilmiştir, özellikle yüksek şiddetli aydınlatmalarda örnek sıcaklığı kontrol edilmiş ve 28-42 °C değerleri arasında tutulmuştur. ESR spektrumları, standart X-Bant spektrometresi ile oda sıcaklığı koşullarında alınmıştır. Aydınlatmalar esnasındaki kopuk bağ ölçümleri, belirli zaman aralıklarında aydınlatmanın kesilmesi biçiminde yapılmıştır. Nispeten yüksek şiddetli aydınlatmalarda, kopuk bağların, ilk 30 dakika içerisindeki artıştan sonra tavlandığı gözlenmiştir. Bu etkinin, ısıl tavlamadan kaynaklanmadığı belirlenmiştir. Bu sonuçla, ışıl etkiyle kusur tavlanma olayının varlığı doğrudan ortaya konulmuştur, öte yandan, nispeten düşük şiddetli olan uzun süreli aydınlatmalarda, kopuk bağ oluşumunun gerçekleştiği ve kopuk bağ yoğunluğunun 2-4 saat sonra doyuma ulaştığı saptanmıştır. Bu davranış, Steabler-Wronski olayı olarak karakterize edilmiştir. Bunların yanı sıra, kopuk bağların mikroskobik yapısına ilişkin bilgiler elde edebilmek amacıyla, aydınlatmalardan önce ve sonra alınan ESR spektrumları çözümlenmiştir. Gözlenen tek ve asimetrik çizgili spektrumları n, iki farklı bileşenin toplamı biçimindeki modele uygun olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen deneysel bulguları yorumlayabilmek için, ESR çizgi şekli analizleriyle uyumlu olan matematiksel bir ifade önerilmiştir. a-Si:H'da normal kopuk bağ ve hidrojen-ilişkili kopuk bağ olmak üzere iki tipte kopuk bağ olduğu sonucuna varılmıştır. BelirlenenESR parametrelerinden, hidrojen-ilişkili kopuk bağ için, hidrojen ile kopuk bağ arasındaki uzaklık, 2 Â olarak bulunmuştur. Normal kopuk bağlar ve hidrojen-ilişkili kopuk bağların, a-Si:H'un gövde ve boşluk kısımlarında farklı dağılım ve farklı oluşum/tavlanma mekanizmalarına sahip olduğu ortaya konmuştur. Bu çerçevede, deneylerde gözlenilen, ışıl etki ile kusur oluşum ve tavlanma kinetikleri tartışılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: a-Si:H, ESR, kopuk bağlar, ışıl etki ile oluşum, ışıl etki ile tavlama Danışman: Prof. Dr. Turan ÖZBEY, Hacettepe Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, Atom ve Molekül Fiziği Anabilim Dalı. ii

INVESTIGATION OF HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON ( a-Si:H ) BY ESR SPECTROSCOPY Erhan SA?LAMYÜREK ABSTRACT In this study, we have investigated the kinetics of light-induced defect (dangling bond) creation and annealing processes in a-Si:H which contains a large amount of hydrogen at room temperature ( RT ) using ESR technique. The samples used in the experiments were prepared by glow-discharge method using pure silane at low substrate temperatures. These were subjected to prolonged illumination by Hg (Xe) arc lamp at various intensities. The temperature was controlled and kept at 28-42 °C at high intensity illuminations. ESR measurements were carried out at room temparature by using conventional X-Band spectrometer. During light soaking, dangling bond densities were measured at definite time periods by intervening illumination. We have observed that under relatively strong illumination at RT, dangling bonds are annealed from 30 minutes after the creation of dangling bonds. We confirmed that this was not due to the thermal annealing. With this result, we have obtained direct evidence for the light-induced annealing of danging bonds. On the other hand, under relatively weak illumination at RT, dangling bonds are created by prolonged illumination and their density saturates after 2-4 hours. This behaviour can be characterized by Steabler-Wronski effect. Additionally, in order to clarify microscopic nature of dangling bonds, we analysed ESR spectra of dangling bonds before and after illumination. We have presented that deconvolution into two components gives the best fit to observed spectra. To interpret these experimental results we have proposed a mathematical expression which is consistent ESR line shape analysis. We have concluded that there are two kinds of dangling bond which are named normal dangling bonds and hydrogen related dangling bonds in a-Si:H. For hydrogen related dangling bonds, we have estimated the distance between hydrogen and dangling bond site as nearly 2 Â mfrom ESR parameters. We have presented that hydrogen related dangling bonds which has hydrogen at nearby site and normal dangling bonds have different distributions and creation/annealing mechanisms in void and bulk regions of a-Si:H. This can account for t he observed kinetics of light-induced creation and annealing of dangling bonds. KEYWORDS: a-Si:H, ESR, dangling bonds, light-induced creation, light-induced annealing Advisor: Prof. Dr. Turan ÖZBEY, Hacettepe University, Department of Physics Engineering, Atomic and Molecular Physics Division. IV