Capacitance-voltage And Current-voltage characteristic Properties Of Zno:al/p-si Heterojunction

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Modern dünyada yeni alternatif enerji kaynakları bulmak birçok nedenden dolayı hayati bir konudur. Nedenlerinden biri kömür, gaz, petrol ve benzeri geleneksel enerji kaynaklarının yenilenebilir kaynaklar olmaması ve sonunda tükenecek olmasıdır. Bir başka önemli nedeni de fosil yakıtların yanması sonunda hava ve su kirlenmesine neden olmasıdır. Ayrıca, en önemli nedenlerinden birisi de fosil yakıtlardan elektrik üretimi sırasında atmosferdeki karbonmonoksit, karbodioksit gibi dünyanın ortalama sıcaklığını artırıcı özellik yani küresel ısınmaya neden olan zararlı gazların konsantrasyonunda artışa sebep olmasıdır. Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi ve hidrojen yakıt enerjisi gibi temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları alternatif olarak kabul edilebilir.Bu tür enerji kaynakları daha az emisyona ve kirliliğe sebep olurken, temiz ve sınırsız enerji kaynağı olarak uygulanabilirliği mevcuttur. Bu çalışmada alternatif enerjinin en umut verici kaynağı olarak görülen güneş enerjisi üzerinde durulacaktır. Yenilenebilir enerji sistemleri arasında güneş enerjisi, dünya nüfusunun ihtiyaç duyduğu enerjiyi temin edebilecek enerji bolluğuna sahiptir. Avantajlarından biri kablo şebekesinden yeterince uzak izolasyon yerlerinin olmasıdır. Güneşten elektrik üretiminde toksisite ve atık ürünleri olmadığından çevreye zararı yoktur. Güneş enerjisi en temiz ve en bol yenilenebilir enerji sistemi olarak katagorize edilebilir. Geçirgen iletken oksit filimler son yıllarda çok ilgi görmektedir. Bu filmlerin optik ve elektriksel özellikleri yıllar geçtikçe geliştirilmektedir. Geçirgen iletken oksitler cazip optik ve elektriksel özellikleriyle optoelektronik, görüntüleme güneş pilleri gibi birçok endüstri alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. In2O3, SnO2 ve ZnO gibi metal oksitler geçirgen iletken oksit malzemeler olarak yaygın kullanılırlar. ZnO son yıllarda çok ilgi duyulan bir malzemedir. Katkı maddasine bağlı olarak geniş özelliklere sahiptir. Bunlar metallerden yaıtkanlara (n-tipi ve p-tipi yarıiletkenleride içeren) kadar geniş iletkenlik özelliği, yüksek geçirgenlik, yüksek piezoelektrik özelliği, geniş bant aralıklı yarıiletkenlik, oda şartlarında ferromanyetizma özelliği, yüksek manyetooptik ve kimyasal kararlılık, toksik olmama, yüksek direnç kontrolü, yüksek kimyasal-mekanik ve termal kararlılık, doğada çok bulunması ve ucuz olmasıdır. ZnO ince filmlerin bu özellikleri sayesinde güneş pillerinde, gaz sensörlerinde, dönüştürücülerde, parlak malzemelerde, geçirgen iletkenlerde, ısı aynalarda ve yarıiletken heterokavşak uygulamalrında kullanımı oldukça artmıştır. Katkısız ZnO filmleri oksijen boşlukları ve Zn arayer atomları gibi hatalarından dolayı yüksek öziletkenlik, düşük taşıyıcı konsantrasyonundan dolayı zayıf elektriksel özelliklere sahiptir. Elektriksel özellikleri oksijen absorbsiyonundan, karbondioksitten, hidrokarbondan, kükürt katkılı bileşiklerden ve sudan oldukça etkilenmektedir. Çinko oksitin Alüminyum ile katkılanması (ZnO:Al) iletkenliği artırabilir. Alüminyum katkılı çinko oksit filmlerine (ZnO:Al) düşük maliyet, yüksek optik ve elektrik özellikleri, ısıl kararlılık, toksik olmama, görünür ve kızıl ötesi bölgesinde yüksek geçirgenlik (%90) özelliklerinden dolayı oldukça ilgi duyulmaktadır. Çinko oksit filmler güneş pili elektrotu, gaz sensörü ve optik cihaz olarak kullanılmaktadır. ZnO filmlerin üretimi için sıçratma, kimyasal buhar biriktirme, sprey piroliz, sol-gel vb. birçok çeşitli teknik kullanılmaktadır. Bunların arasında sol-jel prosesi Si teknolojisinde ZnO araçlarının entegre edilmesinde en kolay yöntem olarak görülmektedir.Çünkü mükemmel kompozisyon kontrolü, yüzey üstüne çok bileşenli oksit tabakalaştırma, basitlik, homojenlik, düşük kristalleşme sıcaklığı ve düşük üretim maliyetine sahiptir. So-jel prosesi tek yada çok bileşenli oksit kaplama üretiminde kullanılabilir. Bu tür kaplamalar renklendirme, yansıma önleyici, seçici yansıma, elektrokromizim ve fotokromizim, kirlenme azaltıcı, geçirgen iletken, elektro-optik, ferro-elektrik, sensör ve boya lazer sağlamak için cam üzerine kaplanmaktadır. Al katkılı ZnO filmler p ve n tip altlıklara genellikle güneş pilleri yapımında kullanılan heterokavşakların üretimi için biriktirilmiştir. Son zamanlarda n-ZnO/p-Si heterokavşaklar elektronik uygulamalar için dikkat çekmektedir. Bu heterokavşakların en büyük avantajı geniş bağlanma enerjisi olan ZnO ince filmlerle silikon altlığın ekonomikliğini bir araya getirmesidir. Bu çalışmada Al katkılı n-ZnO/p-Si hetrokavşaklar sol-gel daldırma prosesi ile üretilmiştir. P tip Si (100) waferlar ve camlar altlık olarak kullanılmıştır. ZnO:Al ince filmlerin yapısal ve elektriksel özellikleri ve ZnO:Al/p-Si yapılarının heterokavşak özellikleri Al katkı konsantrasyonuna ve üretim parametrelerine (ısıl işlem sıcaklığı ve ortamın gibi) göre incelenmiştir. Kaplama işleminden sonra, ZnO:Al ince filmlerin ve ZnO:Al/p-Si heterokavşakların karakterizasyonları, X ışınları kırınımı, taramalı electron mikroskobu, yüzey profilometresi, dört ayaklı iletkenlik probu ve yarı iletken karakterizayon sistemi ile yapılmıştır. Yapısal özellikler X-ışını kırınımı yöntemiyle incelendiğinde filmlerin hexagonal wurzite ve tetragonal yapıda oluştuğu gözlenmiştir. XRD patenlerinde filmlerin literature uygun olarak (100), (002) ve (101) kırınım piki verdiği gözlenmiştir. SEM görüntüleri ZnO:Al filmlerin granüler nano-yapıda olduğunu göstermiştir. Tavlama sıcaklığının artışı kristal boyutunda artışa sebep olmaktadır. Tavlama ortamı kristal boyutunu değiştirme eğlimindedir. Filmlerin kalınlığı 150-500 nm. aralığındadır ve sıcaklık artışıyla belirgin derecede düşmektedir. Elektriksel öz direnç değişimi Al katkı konsantrasyonu, tavlama ortamı ve sıcaklığına bağlı olarak incelenmiştir. Minimum özdirenç değerleri %1.2 atomik katkı miktarında saptanmıştır. Heterokavşak özellikleri Al katkı konsantrasyonu ve tavlama sıcaklığına bağlı olarak akım-voltaj (I-V) ve kapasitans-voltaj (C-V) ölçümleri ile analiz edilmitir. Çoğu ZnO:Al/Si heterokavşaklar diyot tipi doğrultucu özellik göstermiştir. UV aydınlanma altında diyotlarda fotoelektrik özellik gözlemlenmiştir. Bu çalışmada heterokavşak üretmek için 1.2 at.% Al katkı konsantrasyonu, vakum ortamı ve 700°C tavlama sıcaklığı optimum işlem parametrelerdir.In the modern world, finding new alternative energy sources is a vital issue for many reasons. One reason is that traditional energy sources like coal, gas, and oil are not renewable sources and they will eventually be depleted. Another important reason is that burning of fossil fuels cause air and water contamination. Additionally, one of the most important another reason is that the electricity generated from fossil fuels has led to high concentrations of harmful gases like carbon monoxide, carbon dioxide, etc. in the atmosphere, which increase the average temperature on the planet, which is known as the global warming. Clean and renewable energy sources like solar energy, wind energy and hydrogen fuel energy can be considered as an alternative. This kind of energy resources cause fewer emissions, reduce pollution and stand out as a viable source of clean and limitless energy. In this study, we will focus on the solar energy as one of the most promising sources of alternative energy. Among renewable energy, solar energy is the most abundant one that can supply the energy needed by the world’s population. It has also an advantage for isolated places to where they are away from the grid. Electricity from sun has no damage to environment since there is no toxicity and waste products. It can be categorized as the cleanest and most abundant source of energy Transparent conducting oxide (TCO) films have much interest in recent years. The optical and electrical properties of the films have been improved over the years. TCO’s have been widely used in various industry areas such as optoelectronics, display industry, solar cells, with their desirable optical and electrical properties. In2O3, SnO2 and ZnO are metal oxides that widely used as transparent conductive oxide (TCO) materials ZnO has received much attention over the past few years because it has a wide range of properties that depend on doping, including a range of conductivity from metallic to insulating (including n-type and p-type conductivity), high transparency, high piezoelectricity, wide-bandgap semiconductivity, room-temperature ferromagnetism, huge magnetooptic and chemical-sensing effects, non-toxicity, high resistivity control, high chemical, mechanical and thermal stability together with its abundance in nature which makes it a lower cost material. These characteristics have made ZnO thin films very attractive for promising applications in solar cells, gas sensors, transducers, luminescent materials, transparent conductors, heat mirrors and semiconductor heterojunctions. Un-doped ZnO films which have poor electrical properties due to the low carrier concentration, showed high conductivity due to defects like oxygen vacancies and Zn interstitial. Its electrical properties are significantly affected by adsorption of O2, CO2, hydrocarbons, S-containing compounds, and water. Doping of ZnO with aluminum (ZnO:Al) can increase film conductivity. Aluminum-doped zinc oxide (ZnO:Al) has attracted much attention because of its low cost, good optical and electronic properties, heat stability, non-toxicity and high transparency in the near-infrared (IR) and invisible regions (90 %) ZnO films have been used as solar cell electrodes, gas sensors and optical devices. For fabrication of ZnO films various techniques have been used such as sputtering, chemical vapor deposition, spray pyrolsis, sol-gel etc. Among these, the sol–gel process presents an easy way to integrate ZnO devices into the Si technology, since it offers the possibility of excellent compositional control, multicomponent oxide layers of many compositions on substrate, simplicity, homogeneity, lower crystallization temperature and low production costs. Sol-gel process can be used to fabricate almost any single or multi-component oxide coating. Such coatings have been deposited on glass to provide coloration, anti-reflection, selective reflection, electrochromism and photochromism, selective absorption, wave guiding, reduced friction, anti-soiling reduced adhesion, transparent conductors, electro-optics, Ferro-electrics, sensors, and dye lasers. Deposition of ZnO films on p/n type substrates provides to produce heterojunction which are generally used for fabrication of solar cells. Recently n-ZnO/p-Si heterojunctions has received much attention for electronical applications. The biggest advantage of these heterojunctions is to combine the large binding energy of ZnO thin films and the inexpensiveness of Si substrates. In this work Al doped n-ZnO/p-Si heterojuntions were fabricated by sol-gel dip coating process. P type Si (100) wafers and glasses were used as the substrates. The structural and electrical properties of ZnO:Al thin films and heterojunction properties of ZnO:Al/p-Si were investigated with respect to effects of Al doping concentration and process parameters (i.e. thermal treatment temperature and ambient). After the coating process, characterization of the ZnO:Al thin films and ZnO:Al/p-Si heterojunctions were made by X-Ray diffractomerter, scanning electron microscopy, surface profilometer, dispensible four point resistivity probe and a semiconductor characterization system (SCS). Structural properties investigation by X-ray diffraction method showed that the films were in the form of hexagonal wurzite and tetragonal structure. The XRD patterns of the ZnO:Al films on p type si substrate had (100), (002) and (101) diffraction peaks were in accordance with literature. SEM images show that ZnO:Al films had granular nanostructure. The increasing of the termal treatment temperature caused an increase on crystalline size. The annealing ambient tended to change the crystalline size of the thin films. The thicknesses of the thin films are in the range of 150-500 nm and the certain decrease was detected while the annealing temperature was increased. Electrical resistivity changed with respect to Al doping concentration, annealing ambient and temperature. Minimum resistivity were detected at 1.2 at.% Al concentration. ZnO:Al/p-Si heterojunction properties were analysed by current-voltage (I-V) measurements and capacitance-voltage (C-V) depend on the Al dopand concentrations and annealing temperatures. Most of the ZnO:Al/p-Si heterojunctions exhibited diode-like rectifying behavior. Under UV illumination the photoelectric behavior observed for the diodes. In this study the 1.2 at.% Al doping concentration, vaccum ambient and 700°C annealing temperature are the optimum process parameters to produce heterojunction.Yüksek LisansM.Sc