Bazı III-V ve II-VI bileşik yarı iletkenlerde elektriksel ve optik karakterizasyon

Abstract

ÖZET Doktora Tezi BAZI m-V VE n-VI BİLEŞİK YARIİLETKENLERDE ELEKTRİKSEL VE OPTİK KARAKTERİZASYON Şeydi Doğan Atatürk Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Sebahattin Tüzemen III-V yaniletkenlerin en yaygın kullanılanlarından InP, InP:Fe, GaAs, GaAs:Sn, GaAs:Te kristallerinin optik karakterizasyonu, fotolûminesans (PL) ve optik soğurma metodu kullanılarak gerçekleştirildi. EI-VI bileşik yarıiletkenlerden olan ve son zamanlarda mikro-elektronik teknolojisinde oldukça popüler olan n-tipi ve p-tipi ZnO kristallerinin hem elektriksel hem de optik karakterizasyonu, soğurma ve Hail metodu kullanılarak gerçekleştirildi. InP:Fe kristalinde, PL spektrumlan 980 nm ışık altında ve karanlıkta alındı. 980 nm altında alınan PL spektrumlannm pik şiddeti karanlıkta elde edilen şiddet değerlerine göre artış gösterdiği gözlendi. Aynı işlemler katkılanmamış InP numunesinde de yapıldı, ancak aydınlatmanm PL şiddetine kayda değer bir etkisinin olmadığı gözlenildi. InP:Fe numunesinde PL şiddetinin artma sebebi olarak, Fe merkezleri 980 nm civarında soğurma yaptığından dolayı, 980 nm aydınlatma durumunda Fe merkezlerinin dolması şeklinde açıklandı. Fe merkezleri elektronlarla dolu olduğundan, PL ölçümü alınırken lazerle uyarma sonucunda rekombinasyona uğrayan elektronların geçeceği seviye olmadığı için ışımasız rekombinasyon ihtimali artacaktır. Bu ise Fe ya da ilişkili merkezlerinin ışımasız rekombinasyon merkezleri olduğunun oldukça kesin delili sayılmaktadır. GaAs:Sn ve GaAs:Te kristallerinde de aydınlatmanm etkisi hem 980 nm hem de 830 nm altında incelendi. PL şiddetindeki artışın GaAs:Sn kristalinde RC kusurundan, GaAs.Te kristalinde ise EL2 kusurundan kaynaklandığı sonucuna varıldı. n-tipi ve p-tipi ZnO kristallerinde 10-320 K sıcaklık aralığında Hail olayı ölçümleri yapıldı. Hail katsayısı, taşıyıcı yoğunluğu, Hail mobilitesi ve özdirenç değerleri elde edildi, n-tipi olan as-grown numunede Hail katsayısı değerleri 180 K' den küçük sıcaklıklarda pozitif olması, numunede 180 K'nin altodaki sıcaklıklarda tip değişiminin olduğunu göstermektedir. Aktivasyon enerjileri Ey+9.62 meV, Ev+192.26 meV ve Ec-107.04 meV olan üç kusur seviyesi elde edildi. Bu tip dönüşümünün muhtemel bir açıklaması öne sürüldü. Vakum tavlama yapılmış numunede aktivasyon enerjileri Ey+9.39 meV ve Ec-46.57 meV olan iki seviye gözlendi, n-tipi ve p-tipi ZnO kristallerinde optik soğurma ölçümleri 10-320 K sıcaklık aralığında yapıldı. 372 nm (3.33 eV) dalga boyu civarında bir bant kenarı soğurması ve ayrıca yaklaşık 405 nm dalga boyu civarında da bir kusur soğurması gözlendi. Bu 405 nm dalga boyu civarında gözlenilen soğurma, yaklaşık 600 °C de vakum tavlama ile hemen hemen yok olmaktadır. Bu soğurma olayı için bir model geliştirildi. 2001, 125 sayfa Anahtar kelimeler: III-V ve II-VI bileşik yarıiletkenler, soğurma, fotolûminesans, Hail olayı, vakum tavlama,

ABSTRACT Ph. D. Thesis ELECTRICAL AND OPTICAL CHARACTERIZATION OF SOME III-V AND II- VI COMPOUND SEMICONDUCTORS Şeydi Doğan Atatürk University Faculty of Arts and Sciences Department of Physics Supervisor: Prof. Dr. Sebahattin Tüzemen The optical characterisation of InP, InP:Fe, GaAs, GaAs:Sn, GaAs:Te crystals, the most common semiconductors of III-V compounds, has been carried out using the photoluminescence (PL) and optical absorption method. Both electrical and optical characterisation of n-type and p-type ZnO crystal, which is the member of II- VI compounds semiconductors and quite recently popular in micro-electronic technology, have been performed using the optical absorption and Hall effect. PL spectra have been obtained under 980 nm light illumination and in dark in InP:Fe crystal. The peak intensity of PL spectra obtained under the 980 nm light has been increased in comparison to that of in the dark. Same procedures have also been carried out in undoped InP sample, but no considerable effect of light on the PL intensity has been observed. As a reason of the increase in PL intensity in InP:Fe sample, It is proposed that Fe centers absorb light near the 980 nm, Fe centers will be filled by electrons during the 980 nm light illumination. As the Fe centers were filled with electrons, non-radiative recombination possibility will decrease. While PL measurement is carried out, as the Fe centers are full with electron and there is no level for recombinated electron after the laser illumination, the radiative recombination possibility has been increased. This is quite good evidence that Fe or related centers are playing dominant role in non-radiative recombination process. The effect of illumination to GaAs:Sn and GaAs:Te crystals was investigated under both 980 nm and 830 nm light. It was concluded that the increase of the PL intensity in GaAs:Sn is because of RC and in GaAs:Te is because of EL2 defects. Hall measurements have been carried out in n-type and p-type ZnO crystals at temperatures between 10-320 K. Hall coefficient, carrier concentration, Hall mobility and resistivity were obtained. Hall coefficient values are positive at sample temperature below 180 K. This shows that there occurs a change of type in as-grown sample from n-type to p-type below 180 K. Three defect levels with activation energies of Ev+9.62 meV, Ev+192.26 meV and Ec-107.04 meV have been obtained. We propose a possible explanation for this type change. In vacuum annealed samples, two levels with activation energies Ev+9.39 meV and Ec-46.57 meV were observed. Optical absorption measurements have also been carried out in n-type and p-type ZnO crystals at temperatures between 10-320 K. Band edge absorption was observed at wavelength close to near the 372 nm and defect absorption was observed approximately at a wavelength of 405 nm. The absorption observed near the 405 nm wavelength nearly disappears by vacuum annealing at 600 °C. A model for this absorption phonemena was developed. 2001, 125 pages Keywords: III-V and II-VI compound semiconductors, absorption, photoluminescence, Hall effect, vacuum annealing ii