Sol-gel Daldırmalı Kaplama Tekniği İle Üretilmiş Nano Yapılı Zno:al İnce Filmler Ve Zno:al/p-si Heterokavşaklar

Abstract

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. Çinko oksit (ZnO) filmler toksik olmayışları, yüksel kimyasal ve mekanik kararlılıkları, düşük maliyetleri ve doğada bol bulunması gibi üstün özellikleri nedeniyle geçirgen iletken oksit filmler için iyi birer adaydır. Çinko oksitin Alüminyum ile katkılanması (ZnO:Al) iletkenliği artırabilir. 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. 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 optik 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, UV/VIS spektrofotometre, dört ayaklı iletkenlik probu ve yarı iletken karakterizayon sistemi ile yapılmıştır. Yapısal özellikler X-ışını kırınımı yöntemiyle incelendiğinde filmlerin hexagonal wurzite 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 değişirme eğlimindedir. Filmlerin kalınlığı 150-450 nm. aralığındadır ve sıcaklık artışıyla belirgin derecede düşmektedir. Optik özellikler geçirgenlik sağlamak için cam altlıklar üzerine biriktirilen ZnO:Al filmler üzerinde incelenmiştir. Tavlama sıcaklığı arttıkça filmlerin geçirgenlik değerlerinin arttığı görülmüştür. Al katkı konsantrasyonunun optik özelliklere büyük bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Tüm filmler görünür bölgede yüksek optik geçirgenliğe sahiptir. Elektriksel öz direnç değişimi katkı konsantrasyonu, tavlama ortamı ve sıcaklığına bağlı olarak incelenmiştir. Minimum özdirenç değerleri %1.2 atomik katkı miktarında saptanmıştır. Heterokavşak özellikleri Al katkı konsantrasyonu, tavlama ortamı ve sıcaklığına bağlı olarak akım-voltaj (I-V) ölçümleri ile analiz edilmitir. Çoğu ZnO:Al/Si heterokavşaklar diyot tipi doğrultucu özellik göstermiştir. UV aydınlarma 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.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. Zinc Oxide (ZnO) films are good candidates for TCO films with their outstanding properties such as non-toxicity, high chemical, mechanical stability, low cost and material abundance in nature. Doping of ZnO with aluminum (ZnO:Al) can increase film conductivity. 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. 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 electronic 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, optical 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, UV/VIS spectrophotometer, 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 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 thermal 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 150-450 nm and the certain decrease was detected while the annealing temperature was increased. Optical properties were investigated by fabricating ZnO:Al films on glass substrates to gain transparency. As the annealing temperature increased, the transmittance of the films increased. Al doping concentration had limited influence on optical properties. All films exhibited high optical transmittance in visible ranges. Electrical resistivity changed with respect to Al doping concentration, annealing ambient and temperature. Minimum resistivities were detected at 1.2 at. % Al concentration. ZnO:Al/p-Si heterojunction properties were analyzed by current-voltage (I-V) measurements depend on the Al doping concentrations, annealing ambient 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, vacuum ambient and 700°C annealing temperature are the optimum process parameters to produce heterojunction.