Amorf silisyum katkılı schottky diyotların optik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Çağdaş iletişim teknolojisi, iki temel bölümle tanımlanabilir: bir yanda mikroişleyiciler (microprocessors), öte yandan da çevre birimleri (insan-makina ara yüzünü oluşturan giriş ve çıkış birimleri). Mikroişlemcilerin gelişmesi tek kristal silisyum üzerinde gitgide minyatürleşen tüm devrelerle sürerken, giriş-çıkış birimleri büyük boyutlu kalarak geliştiriliyorlar. Klavye, yazıcı, belge okuyucu ve kopyalayıcı, elektronik gösterim gibi birimlerden oluşan çevre birimlerinin gerektirdiği teknoloji, geniş yüzeyli mikroelektronik teknolojisi diye adlandırılmaktadır. Bunun için gerekli 20-25cm boyutlarında elektronik malzeme, ancak ince film biçiminde elde edilebilir ve giderek ucuz taban üzerinde elde edilebildiği ölçüde de kabul edilebilir maliyette üretilebilirler. Bilindiği gibi, yarıiletkenleri, aygıt üretiminin temeli yapan özelliklerinin başında, iletimi sağlayan serbest elektrik yükü taşıyıcılarının, hem türlerinin (n yada p) hem de miktarlarının denetimli biçimde ayarlanabiliyor olması yatmaktadır. Oysa amorf silisyum (a-Si) filmler, önlenemez sarkık bağlı yapılarından dolayı, yasak enerji aralığı ortalarına doğru 1020 cm-3eV-1 gibi yüksek yoğunlukta yerelleşmiş derin durum yoğunluğu dağılımı içerirler, böylece olası katkı atomlarının sağlayabileceği fazlalık serbest elektronlar bu derin tuzaklar tarafından yakalanarak etkin katkılanma önlenmiş olur. Dolayısıyla iletkenliğinin türü ve miktarı denetlenemiyen bir yarıiletkenin teknolojik öneminin sınırlı olduğu açıktır. Amorf silisyum filmlerinin bu tıkanıklığı, sarkık bağların hidrojenle doyurulmasıyla aşılmıştır. Yaklaşık %10 hidrojenle alaşımlaştırılan a-Si filmlerde, sarkık bağların hidrojenle doyurulmalarından dolayı derin yerel durum yoğunluğu yaklaşık 105 kez azalmaktadır, başka bir deyişle neredeyse bambaşka bir film oluşmaktadır. Bu hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) filmlerde her tür ve miktarda katkılama yapılabildiğinden elektronik aygıt üretiminde önü açılmaktadır. Öte yandan, kristal silisyuma göre, yasak enerji aralığı yaklaşık %60, optik soğurma katsayısı ise 10-20 kez büyüdüğünden, hem ışık duyarlılığı insan gözünün etkili olduğu görünür bölgeye taşınmakta, hem de belli bir foton miktarı soğurmak için çok daha ince malzeme yeterli olmaktadır. Düşük taşıyıcı hareketliliği ve optik yıpranma sorunlarına karşın a-Si:H filmler, optik özellikleri zayıf olan kristal silisyumun bu açığını büyük ölçüde kapatmaktadır. Ayrıca germanyum, karbon, azot... gibi elementlerle alaşım yapabilen hidrojenlenmiş amorf silisyum filmlerin yasak enerji aralığı kızıl altından mor ötesine kadar ayarlanabilmekte ve geniş yüzeyli optoelektronik uygulamalara yol açmaktadır. Bunlarla birlikte son zamanlarda yapılan çalışmalar incelendiğinde, a-Si:H filmler HIT türü güneş pili çalışmalarında temel yarı-iletken olduğu görülmektedir. Böylece, a-Si:H filmler, ilginç özelliklerinin yanında, mevcut mikro/nano-elektronik malzemelerle (tek kristal Si, SiO2 , Si 3N4...) uyumlu olması, düşük sıcaklıklarda çok katlı yapılara girebiliyor olması, günümüzde "amorf silisyum teknolojisi" diye adlandırabilecek bir teknolojinin temel malzemesini oluşturmaktadır. Hidrojenlenmiş amorf silisyum (a-Si:H) filmlerin hazırlığında kullanılan teknikler ve parametreler malzemenin istenilen özelliklerde oluşması için önemli bir rol oynamaktadır. a-Si:H filmlerin oluşturulması için plazma destekli kimyasal buhar biriktirme sistemi (PECVD) kullanılacaktır. Bu sistem plazma reaktörü ve gazların bulunduğu kabinlerden oluşmaktadır. Bu sistemde, a-Si:H film üretimi için başlıca gaz silan (SiH4) gazıdır. Sistemin çalışması basınç, sıcaklık, güç ve kaynak gazların akış oranı gibi büyütme parametrelerinin itinalı ve dikkatli bir biçimde kontrolü zorunludur. Bu parametreler büyütülen filmin yapısal, elektronik ve optik özelliklerini tamamıyla etkilemektedir. Yöntemler kısmında, filmlerin üretimi ve inceleme araçları hakkında daha detaylı bilgiler verilecektir. Bu çalışmada, PECVD yöntemiyle a-Si:H filmler, cam, metallenmiş cam ve silisyum altlıklar üzerine simultane olarak ilk önce katkısız daha sonra da fosfor (n türü) ve bor (p türü) katkılı olarak büyütüldü. Elde edilen numulerdeki optik sabitler (film indisi, yasak enerji aralığı, soğurma katsayısı vb.) UV-Visible yansıma-geçirme spektroskopisiyle elde edilerek, yapısal özellikler ise IR spektrumlarıyla açığa çıkarıldı. Çeşitli altlıklar üzerine büyütülen a-Si:H filmlerin metallenmesi sonucu kontaklar üretilerek, ilk önce bu kontakların türü, yani "ohmik" yada "Schottky" belirlendi, daha sonrada elde edilen aygıtın akım iletim mekanizmaları akım gerilim (I-V) deneylerince ortaya konuldu. Bunların yanısıra, filmlerin yük tutma kabiliyetleride admittans tekniğiyle belirlendi.