GALYUM KATKILI ÇİNKO OKSİT İNCE FİLMLERİN KARAKTERİZASYONU VE ÜRETİM PARAMETRELERİNİN İNCE FİLMLERE OLAN ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

Transparent conductive oxide (TCO) thin films are materials with low resistivity values as well as high optical transmittance. Thanks to these outstanding features, they pave the way for many high-tech applications such as optoelectronics, thin film transistors, solar cells, liquid crystal displays (LCD), touch screens and energy saving windows. Indium tin oxide (ITO), owing to its wide application area, different techniques of production, chemical stability, good electrical conductivity and high optical transparency, has become the most preferred TCO thin film material. Recently, even though its popularity among the TCO research society, alternative TCO thin films are being tried to be developed because of inadequate indium sources, its high cost and toxicity. With this motivation, studies on gallium (Ga) doped zinc oxide (ZnO) TCO thin films have gained importance from day by day due to its high optical transparency, good electrical conductivity, non-toxicity and low cost. Ga-doped ZnO thin films can be produced by many production techniques such as RF magnetron sputtering. In this method, deposition parameters directly influence the final characteristics of the thin films. Studies on this subject are mainly focused on investigating the effects of these deposition parameters such as RF power, Argon pressure during the process, distance between the target and the substrate, substrate temperature, deposition temperature and deposition rate on thin films and hence defining the optimal deposition parameters. In the scope of this thesis, Ga doped ZnO films deposited by RF magnetron sputtering technique by different RF power and Ar pressures are characterized. To understand the optical, electrical and structural properties of the thin films, atomic force microscope (AFM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ultraviolet–visible spectrophotometry (UV-VIS), focused ion beam (FIB) and four-point probe characterization equipments are used. As a result of characterizations, thin film with an RF power of 230 W and Ar pressure of 0.4 Pa is found to have best characteristics for TCO applications. This Ga-doped ZnO film, with a deposition rate of 14.37 nm/min and 430 nm of film thickness, has optical transmittance of 83.2 % within the wavelength range of 400-800 nm. In addition, it is found to have an average of 120 grains with 32.5 (±18.8) nm crystallite size, 8.96 nm of surface roughness, 1.51×E-4 Ω.cm resistivity, 7.19×E21 cm-3 carrier concentration 5.72 cm2/V.s of Hall mobility. Atomic percentages of the elements of Zn, O and Ga in the film are found to be 49.54 %, 46.11 % and 4.35 %, respectively. In the light of this information obtained from the characterization results, the effect of RF power and Ar process pressure on the resulting thin film characteristics is well understood, and bridging over the production of better optimized high quality doped ZnO thin films is aimed.ÖZET i, ABSTRACT iii, TEŞEKKÜR v, İÇİNDEKİLER vi, KISALTMALAR VE SİMGELER xii, 1. GİRİŞ 1, 2. TEORİK ALTYAPI VE KURAMSAL BİLGİLER 4, 2.1. Saydam ve İletken Oksit (TCO) İnce Filmler 4, 2.2. Çinko Oksit 6, 2.2.1. Çinko Oksit için Katkı Elementleri 8, 2.3. TCO İnce Film Üretim Teknikleri 10, 2.3.1. Manyetik Alanda Sıçratma Tekniği 11, 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE KARAKTERİZASYON YÖNTEMLERİ 14, 3.1. GZO İnce Filmlerin Üretimi 14, 3.2. GZO İnce Filmlerin Karakterizasyonları 15, 3.2.1. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) 15, 3.2.2. X-Işını Kırınımı Analizi (XRD) 17, 3.2.2.1. Sıyırma Açısında X-Işını Kırınımı (GIXRD) 20, 3.2.2.2. XRD Verileri ile Kristalit Boyutunun Hesaplanması 21, 3.2.2.3. Karakterizasyonda Kullanılan XRD Cihazı ve Ölçüm Parametreleri 24, 3.2.3. X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) 26, 3.2.4. Odaklanmış İyon Demeti (FIB) 28, 3.2.5. Dört Nokta Kontak Tekniği ile Elektriksel Ölçümler 29, 3.2.6. Mor Ötesi ve Görünür Bölge (UV-VIS) Optik Geçirim Spektroskopisi 31, 4. DENEYSEL VERİLER VE TARTIŞMALAR 33, 4.1. Odaklanmış İyon Demeti (FIB) Verileri ve Yorumları 33, 4.2. Elektriksel Ölçüm Verileri ve Tartışmaları 43, 4.3. UV-VIS Optik Geçirim Spektroskopisi Verileri ve Tartışmaları 45, 4.4. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) Verileri ve Tartışmaları 47, 4.5. X-Işını Kırınımı Tekniği Verileri ve Tartışmaları 51, 4.6. X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) Verileri ve Tartışmaları 59, 5. SONUÇLAR 82, Kaynaklar 85, Özgeçmiş 97.Saydam ve iletken oksit (TCO) ince filmler, yüksek optik geçirgenliğin yanı sıra düşük özdirenç değerlerine sahip malzemelerdir. Bu üstün özellikleri sayesinde optoelektronik, ince film transistörler, güneş hücreleri, sıvı kristal ekranlar (LCD), dokunmatik ekranlar ve enerji tasarruflu pencereler gibi birçok ileri teknoloji uygulamada yaygın kullanım alanına sahiptir. İndiyum kalay oksit (ITO); uygulama genişliği, farklı üretim teknikleri ile üretilebilmesi, kimyasal kararlılığı, iyi elektriksel iletkenliği ve yüksek optik geçirgenliği sayesinde en çok tercih edilen TCO ince film malzemesi olmuştur. Günümüzde ITO’nun bu popülerliğinin yanında, indiyum kaynaklarının yetersizliği, pahalılığı ve toksik bir element olması nedeniyle alternatif TCO ince filmler geliştirilmeye çalışılmaktadır. Yüksek optik geçirgenliği, iyi elektriksel iletkenliği, toksik olmaması ve ucuz maliyetli olması nedeniyle, galyum (Ga) katkılı çinko oksit (ZnO) TCO ince filmler üzerinde yapılan çalışmalar günden güne önem kazanmaktadır. Ga katkılı ZnO ince filmler birçok üretim tekniği ile üretilebilmektedir. RF manyetik alanda sıçratma tekniği de bu tekniklerden birisidir. Üretim parametreleri ince filmlerin karakteristikleri üzerinde doğrudan etkilidir. Yapılan araştırmalarda bu üretim parametreleri olan; RF gücü, Ar proses basıncı, hedef-alttaş arası mesafesi, alttaş sıcaklığı, üretim sıcaklığı, üretim hızı gibi değerlerin ince filmlere olan etkileri incelenmekte ve optimizasyonu hedeflenmektedir. Bu çalışma kapsamında RF manyetik alanda sıçratma tekniği ile farklı RF gücü ve Ar proses basıncında üretilmiş Ga katkılı ZnO ince filmlerin karakterizasyonları yapılmıştır. Örneklerin optik, elektriksel ve yapısal özelliklerinin anlaşılabilmesi için, atomik kuvvet mikroskobu (AFM), X-ışınları kırınımı (XRD), X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS), mor ötesi ve görünür bölge optik geçirim spektroskopisi (UV-VIS), odaklanmış iyon demeti (FIB) ve dört nokta kontak karakterizasyon cihazları kullanılmıştır. Karakterizasyonlar sonucunda, 230 W ve 0,4 Pa Ar üretim basıncına sahip olan ince filmimizin TCO uygulamalar için en uygun karakteristiğe sahip olduğu görülmüştür. 14,37 nm/dakika kaplama hızı ile büyütülmüş bu Ga katkılı ZnO ince filmimiz; 430 nm film kalınlığına, 400-800 nm dalga boyu aralığında ortalama % 83,2 optik geçirgenliğe, ortalama 120 nm tanecik ve 32,5 (±18,8) nm kristalit büyüklüğüne, 8,96 nm yüzey pürüzlülüğüne, 1,51×E-4 Ω.cm özdirence, 7,19×E21 cm-3 taşıyıcı yoğunluğuna, 5,72 cm2/V.s Hall mobilitesine ve film içerisinde atomik olarak % 49,54 çinko, % 46,11 oksijen ve % 4,35 galyum oranına sahiptir. Elde edilen karakterizasyon verileri ışığında RF manyetik alanda sıçratma yönteminde RF gücü ve Ar proses basıncı değişiminin ince film karakteristikleri üzerine olan etkileri anlaşılmış olup, ilerleyen çalışmalarda sistem optimizasyonları sağlanarak daha kaliteli katkılı ZnO ince filmler üretilmesi hedeflenmektedir