Katkılı ve katkısız GaAs ince filmlerin üretilmesi ve bazı özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalısmada katkısız GaAs ile Co, Al, In, C, Si ve Ge safsızlıkları katkılanmıs GaAs ince filmler cam alttaslar üzerine termiyonik vakum ark tekniği ile biriktirilmistir. Üretilen filmlerin yapısal, optiksel, yüzeysel, bilesimsel ve elektriksel özellikleri incelenmistir. XRD sonuçları, filmlerin tümünün polikristal yapıda olduğunu ve kristal boyutlarının 25 ile 34 nm arasında değistiğini göstermistir. Spektroskopik yansıma ölçümü sonuçlarına göre film kalınlıkları 80 ile 1800 nm arasındadır. Filmlerin birikme hızları ise 1,33 ile 13,33 nm/s arasında değismektedir. Bu hızlar diğer ince film biriktirme tekniklerine kıyasla yüksek olup bu durum TVA’nın oldukça hızlı bir teknik olduğunu ortaya koymaktadır. Yansıma değerleri incelendiğinde filmlerin kısa dalgaboylarında düsük yansımaya sahip oldukları ve uzun dalgaboylarına gidildikçe yani düsük foton enerjilerinde yansımanın arttığı gözlenmistir. Bununla birlikte kırılma indislerinin artan dalgaboyu ile birlikte azaldığı görülmüstür. Ayrıca, Co ve Al katkılamanın kırılma indisini azalttığı, In, C, Si ve Ge katkılamanın ise kırılma indisini arttırdığı bulunmustur. (αhν)2’nin hν’ye göre değisim grafiklerinden tüm filmlerin doğrudan bant geçisli oldukları ve yasak enerji aralıklarının 0,96 ile 1,62 eV arasında değistiği bulunmustur. In ve Si katkılamanın yasak enerji aralığını azalttığı, Co, Al, C ve Ge katkılamanın ise yasak enerji aralığını arttırdığı bulunmustur. Katkısız GaAs ve Co, In, C, Si katkılanmıs GaAs filmlerin n-tipi yarıiletkenler olduğu belirlenmistir. Al ve Ge katkılanmıs GaAs filmlerin ise p-tipi olduğu anlasılmıstır. FESEM sonuçları, tüm alttasların tamamen filmler ile kaplandığını göstermektedir. EDX sonuçları, beklenen galyum, arsenik ve eklenen safsızlık atomlarının filmlerdeki varlığını doğrulamıstır. AFM sonuçları, katkısız GaAs ile Al ve In katkılanmıs GaAs film yüzeylerinin yuvarlak tanelerden olustuğunu göstermektedir. Co, C ve Si katkılanmıs film yüzeyleri ise tabandan yukarıya doğru sivrilerek büyüyen tanelerden olusmaktadır. Ayrıca, Ge katkılanmıs film yüzeyinin diğer filmlere kıyasla çok daha pürüzsüz olduğu görülmüstür. Bu gözlem, UV/VIS/NIR spektroskopi ve FESEM çalısmalarından elde edilen sonuçlarla da desteklenmektedir. Akım-voltaj ölçümlerinin sonuçlarına göre, üretilen filmlerin özdirençleri 1,32×10-1 ile 4,85×104 Ecm arasındadır. Hall ölçümü sonuçlarına göre ise filmlerin tasıyıcı yoğunlukları 1,49×1015 ile 8,03×1017 cm-3 arasında olup mobiliteleri ise 6,21×102 ile 1,47×106 cm2/Vs arasındadır.

In this study, undoped GaAs and Co, Al, In, C, Si, Ge doped GaAs thin films were deposited on glass substrates by thermionic vacuum arc technique. Structural, optical, morphological, compositional and electrical properties of the produced films were examined. XRD results showed that the entirety of the films had a polycrystalline structure and their crystallite sizes varied between 25 nm and 34 nm. The film thicknesses varied between 80 and 1800 nm based on the spectroscopic reflectometry results. The deposition rates of the films varied between 1,33 to 13,33 nm/sec. These rates were higher in comparison to other thin film deposition techniques and this situation showed that TVA was a quite rapid technique. Considering the reflectance values, it was seen that the films had low reflectance at short wavelengths and at long wavelengths, namely at low photon energies, the reflectance increased. Nevertheless, it was seen that refractive indices decreased in parallel to increased wavelength. Moreover, it was found that Co and Al doping decreased the refractive index, and In, C, Si, Ge doping increased the refractive index. From the graph of (αhν)2 vs. hν, it was found based on the variation graphs that all films had direct band gaps and the band gaps varied between 0,96 to 1,62 eV. In and Si doping decreased the band gaps and Co, Al, C and Ge doping increased the band gaps. Undoped GaAs and Co, In, C, Si doped GaAs films were found to be n-type semiconductors. On the other hand, Al and Ge doped GaAs films were p-type. FESEM results showed that all substrates were deposited with the films completely. EDX results verified the presence of the expected gallium and arsenic and the added impurity atoms in the films. AFM results showed that undoped GaAs and Al and In doped GaAs film surfaces were composed of spherical grains. Co, C and Si doped film surfaces were composed of grains growing as sharpening from the base upwards. Moreover, it was seen that Ge doped film surface was much smoother in comparison to other films. This observation supported the results obtained by UV/VIS/NIR spectroscopy and FESEM studies as well. Based on the current-voltage measurements, the resistivity of the manufactured films ranged between 1,32×10-1 to 4,85×104 Ecm. Based on Hall measurement results, the carrier concentrations of the films were between 1,49×1015 to 8,03×1017 cm-3 and their mobility were between 6,21×102 to 1,47×106 cm2/Vs.