Çinko oksit yarı iletkeninin yapısal, optik ve elektriksel karakterizasyon teknikleriyle incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada kullanılan ZnO ince filmleri reaktif püskürtme metodu ile Zn hedeften (%99,99)O2 ve Ar gazı ortamında (0001) Al2O3 (safir) taban malzemesi üzerine büyütüldü. Ayrıca, N2atmosferi azot katkılı ince film elde etmek için kullanıldı. Oksijen eksikliğinin ince filmlerinyapısal ve optik özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmak için büyütme odasındaki O2/Ar oranı0,41, 1,41 ve 5,1 olarak ayarlandı. XRD ölçümleri tüm filmlerin (0002) düzlemi boyuncatercihli büyüme yönelimine sahip olduğunu göstermektedir. Filmlerin polikristal doğasınıgösteren başka bir düzlem (0104) tüm filmlerde ortaya çıkmaktadır. İyi bilinen Scherrerdenkleminden elde edilen kristal büyüklükleri, O2/Ar oranı artarken ilk önce azalmakta vesonrasında bir artış göstermektedir. Azot katkılı ZnO:N ince filminin kristal yapısı literatürdegenel olarak gözlendiği gibi katkısız olan ince filmlerle kıyaslandığında kötüleşmektedir.Vakum tavlama işlemi bazı filmlere uygulanmış ve kristal büyüklüğündeki artış gibi önemlideğişimler gözlenmiştir. O- ve Zn-zengin numunelerde bant kenarı bölgesi üzerindeki soğurmaspektrumu serbest eksiton ve akseptöre bağlı eksiton özellikleri göstermektedir. Artan Znzengindurumu A-serbest eksiton davranışında bir artış ile sonuçlanmaktadır. Artan vakumtavlama süresi ve sıcaklığı da bant içindeki soğurmayı artırmaktadır. PL ölçümleri farklı O2/Arortamında büyütülen filmlerin, oldukça farklı emisyon karakteristikleri ile sonuçlandığınıgöstermektedir. Akseptör tipi kusur oluşumu, en yüksek O2/Ar oranında büyütülen numunedebaskın donor akseptör çifti geçişi ile gözlenmiştir. Rekombinasyon zamanı ölçümleri literatürlekıyaslandığında, ince filmlerin iyi kristalleşmesini gösteren yüksek hayat süresi değerlerivermektedir. Hayat süreleri genel olarak vakum tavlama ile bir artış göstermektedir.ZnO yüksek güç ve sıcaklık aygıtlarına uygun bir aday malzeme gibi gözüküyor olmasınarağmen, aygıt uygulamaları üzerine çok fazla araştırma bulunmamaktadır. Bu nedenle, Agmetalizasyonu kullanarak Schottky diyot üretilmiş ve bu kontak üzerinde gerçekleştirilen I-Völçümleri, kontağın yüksek sıcaklıklarda nispeten kararlılığını göstermiştir. İletkenlik bandıaltında 0,62 eV aşağısında yerleşen, 3,3x10-15 cm-2 yakalama tesir kesitine sahip bir elektrontuzağı bu malzemede baskın kusur merkezi olduğu DLTS ölçümleri yardımıyla öngörülmüştür.Anahtar Kelimeler: ZnO, II-VI bileşik yarıiletken, Nokta kusurlar, ZnO'da ışımalı ve ışımasızgeçişler, Schottky diyot, DLTS, PL

ZnO thin films used in this study were deposited onto the (0001) Al2O3 (sapphire) substrates byreactive sputtering from a Zn (99.99%) metal target in O2 and Ar atmosphere. In addition, N2atmosphere was used to obtain a thin film doped with nitrogen. O2/Ar ratios were arranged inthe growth chamber at 0.41, 1.41 and 5.1 in order to investigate the oxygen deficiency effect onthe structural and optical properties of the thin films. XRD measurements have shown that allfilms have preferred growth direction along the (0002) plane. Another plane (0104) has alsocome out indicating the polycrystalline nature of the all films. Crystal sizes obtained from wellknown Scherrer?s equation result in first decrease while O2/Ar ratio increases and then it showsan increase. Crystal structure of the nitrogen doped ZnO:N film has been deteriorated ascompared by the undoped films as usually observed in the literature. The vacuum annealingprocess was also applied to some of the films and significant variations were observed such asincreasing crystal sizes. Above-band-edge absorption spectra Zn- and O-rich samples exhibitfree exciton and neutral acceptor bound exciton features. Increasing Zn-rich conditions resultsin an increase in A-free exciton behavior. Also, increasing vacuum annealing time andtemperature give rise to an increase intra bandgap absorption in all films. The PL measurementsreveal that the samples grown at various O2/Ar ratios result in highly different emissioncharacteristics. The acceptor kind of defect formation has been observed in the sample grown athighest O2/Ar ratio with dominant donor acceptor pair transition. The recombination lifetimemeasurements yield high values of lifetimes, indicating to the good crystallization of thin films.It, generally, shows an increase with vacuum annealing.Although ZnO has seemed to be a suitable candidate material for the high power, hightemperature devices, there has not been much investigation about the device application.Therefore, we produced a Schottky diode using Ag metallization and I-V measurements carriedout in this contact at high temperatures depicts the relative stability of the device at hightemperatures. An electron trap located at 0,62 eV below the conduction band minimum with acapture cross section of 3,3x10-15 cm-2 has been suggested to be dominant defect center for thematerial via DLTS measurements.Keywords: ZnO, II-VI compound semiconductors, Point defects, radiative and non-radiativetransitions in ZnO, Schottky diode, DLTS, PL.