Capacitance-voltage and current-voltage characteristic properties of ZnO:Al/p-Si heterojunction

Modern 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.