The effects of native and light induced defects in the optical and electronic properties of hydrogenated amorphous silicon germanium (a-SiGe: H) alloy thin films

Abstract

Adı-Soyadı: Medine Elif Dönerta YavaOkul: zmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüAnabilim Dalı: FizikProgramı: Fizik (Yüksek Lisans)Tez Ba lı ı: Do al ve ı ık altında bozunuma u ratılmı elektronikkusurların, hidrojenlendirilmi amorf silikon germanyumala ımlarının optik ve elektronik özelliklerine etkisiÖZETFarklı germanyum konsantrasyonlarına sahip hidrojenlendirilmi amorf silisyumgermanium ala ım ince filmler (a-SiGe: H) yüksek verimli ve katmanlardan olu an güne pilleri vebelirli bir bant bo lu unun gerekli oldu u optic ve elektronik uygulamalar için önemli bir potansiyelolu turur. Bu tezde farklı germanyum konsantrasyonlarına sahip a-SiGe:H ala ım ince filmlerde yerelve ı ık altında bozunuma u ratılmı durumlarda olu an kusurlar hakkında güvenilir bilgi edinmekamacıyla dura an hal ı ıl iletkenlik (SSPC), iki demetli ı ıl iletkenlik (DBP), ve ı ıl ı ın saptırmaizgegözlem (PDS) yöntemleri kullanılmı tır. ki demetli ı ıl iletkenlik (DBP) methodundan giri imsaçaksız mutlak so urma katsayisi izgesinin elde edilebilmesi için Ritter-Weiser optik denklemlerikullanılan bir prosedür, literatürde ilk kez a-SiGe:H ala ım ince filmlere uygulanmı tır. Elde edilensonuçlar ba ımsız olarak PDS deney düzene inden elde edilenlerle kar ıla tırılmı tır.Tavlanmı durumda örneklerdeki do al kusurlar incelenmi tir. Çok katmanlı güne pillerindeen iyi ı ıl iletken so urma katmanı olarak µnÏn-çarpanı en yüksek ölçülen germanyum konsantrasyonu10% ile 30% aralı ındaki örnekler bulunmu tur. Germanyum konsantrasyonu arttıkça bantbo lu unda sistematik bir azalma oldu u gözlenmi tir. 40% germanyum konsantrasyonuna sahipörne e kadar di er tüm örneklerin E0v de erleri 55meV civarıda sabit bulunmu tur. Bantbo lu undaki kusur yo unlu undaki de i im ı ıl ı ın saptırma izgegözlem (PDS) ve iki demetli ı ıliletkenlik (DBP) metodları ile ölçülen α(1.0eV) de erleri ile gözlemlenmi ve arada olu an fark ikimetodun farklı fiziksel temellere dayanması ile açıklanmı tır. En dü ük kusur yo unlu una sahip olanfilmlerin 10% ile 40% germanyum konsanstasyonu aralı ında hazılanabile i bulunmu tur.I ık altında bozunuma u ratılmı durumda örnekler belirli zaman aralıkları için 15 güneiddetindeki beyaz ı ık kayna ı altında bırakılmı tır. Dura an hal ı ıl iletkenlik ölçümleri tümörneklerde fotoiletkenlik ve µnÏn-çarpanı de erlerinde bir bozunma oldu unu göstermi tir. I ık altındabozunuma u ratılmı durumda germanyum konsantrasyonu arttıkça α(1.0eV) deki de i me oranıazalır. Yüksek germanyum konsantrasyonuna sahip filmler bant içi so urma de erlerinde birbozunma göstermemi tir. α(hν) daki bozunma ve 1/µnÏn-çarpanı e imlerinin farklı olması dura an halν µı ıl iletkenlik ve iki demetli ı ıl iletkenlik ölçümlerinin aynı tür elektronik kusurlar tarafından kontroledilmedi i ile açıklanabilir.

Name: Medine Elif Dönerta YavaSchool: zmir Institute of TechnologyDepartment: PhysicsMajor: Physics (Master)Title of Thesis: The effects of native and light induced defects in the optical andelectronic properties of hydrogenated amorphous silicongermanium (a-SiGe:H) alloy thin filmsABSTRACTHydrogenated amorphous silicon-germanium alloy thin films (a-SiGe:H) of variousgermanium concentrations, are potential candidates meeting the requirements of high efficiencystacked solar cells and optoelectronic devices where a certain bandgap is necessary. In this thesis toobtain reliable information about the native and light induced defect states present in a-SiGe:H alloythin films of various germanium concentrations SSPC, DBP, transmission spectroscopy and PDStechniques have been used. A procedure based on Ritter Weiser optical formulation has been appliedto calculate fringe free absolute absorption coefficient spectra of a-SiGe:H alloy thin films of variousGe% from the yield DBP and simultaneously measured transmission signals for the first time. Theresults have been compared with those independently measured by PDS method.In the annealed state the effects of native defect states in a-SiGe:H alloy thin films of variousGe% have been investigated. For the a-SiGe:H alloy films with Ge concentration in the range of 10%to 30%, η nÏn-products for the photogenerated free electrons is the highest, therefore they serve as thebest photoconductive absorber layer in the multijunction solar cells. The effect of Ge content inamorphous silicon network clearly indicates a systematic decrease in the bandgap with increasing Gecontent. The E0v values are almost constant around 55meV for alloying up to 40% Ge. Finally thechanges in the defect density present in the bandgap of alloy films are inferred from the α(1.0eV)measured by both PDS and low bias light DBP spectrum. The difference between PDS and low biasDBP spectra is attributed to the underlying physics of these methods. The best film with lowest defectdensity can be prepared with alloying Ge in the range from 10% to 40% Ge.In the light soaked state, samples were left under white light illumination (15 suns) fordetermined time intervals. SSPC measurements indicate that all samples exhibit certain degree ofdegradation in the magnitude of Ïph and η nÏn products. The rate of α(1.0 eV) decreases as Ge%increases in the light soaked state. Higher Ge content films (50%, 75%) show almost no degradation insub-bandgap absorption. As the degradation slope of α(hν) and 1/η nÏn product are not same for allν ηsamples it can be inferred that subgap absorption and photoconductivity measurements are notcontrolled by the same set of defects present in the bandgap.