Optimization of Zinc Oxide Based Metal - Semiconductor Junction Interface Properties and Applications for Optoelectronic Devices

Abstract

This thesis manifests an experimental investigation on the optoelectronic characteristics of wide band gap thin film zinc oxide semiconductor – metal junction and performance enhancement of ultraviolet photo detectors fabricated utilizing this metal-semiconductor interface. Pristine zinc oxide, aluminum doped zinc oxide and amorphous In-Ga-Zn-O thin film samples with thicknesses varying between 50-250 nm were fabricated from 2' ceramic targets via magnetron sputtering method. Surface properties and thus the zinc oxide – metal junction interface was optimized by altering sputtering parameters. Sputtering gas pressure, power and temperature was varied between 1.5 – 5 mTorr, 50 – 120 W and 25 – 500 °C, respectively. To determine the effects of energetic ion bombardment on the films' surface properties, biases ranging from 5 to 15 W were applied to the substrates during depositions. A 5 nm thick silicon dioxide passivation layer was deposited on zinc oxide thin films to suppress persistent photoconductivity effect. Furthermore, a thermal treatment under ultraviolet irradiation and was applied specifically to amorphous In-Ga-Zn-O thin films after device fabrication to improve their ultraviolet sensing capabilities. Optoelectronic spectral responses of devices were assessed experimentally by using transient photocurrent spectroscopy method. An ultraviolet light source with a 275 nm peak wavelength at 500 µW power was used as illumination source. All devices exhibited photoconductor behavior with ohmic metal-semiconductor junctions under 5 V bias. Amorphous In-Ga-Zn-O Sample 10 attained a dark current of 140 nA and reached a photocurrent level of 3.8 µA with a photo-to-dark current ratio of 27, yielding a spectral response of 1830 A/W. The calculated external quantum efficiency for this device was 825000%.

Bu tez, geniş bant aralıklı ince film çinko oksit yarı iletken - metal birleşiminin optoelektronik özellikleri ve bu metal-yarı iletken ara yüzü kullanılarak üretilen ultraviyole foto dedektörlerin performansının artırılması üzerine deneysel bir araştırmayı ortaya koymaktadır. Kalınlıkları 50-250 nm arasında değişen saf çinko oksit, alüminyum katkılı çinko oksit ve amorf In-Ga-Zn-O ince film örnekler, magnetron püskürtme yöntemiyle 2' seramik hedeflerden üretilmiştir. Yüzey özellikleri ve dolayısıyla çinko oksit - metal birleşim ara yüzeyi, püskürtme parametreleri değiştirilerek optimize edildi. Püskürtme gazı basıncı, gücü ve sıcaklığı sırasıyla 1,5 - 5 mTorr, 50 - 120 W ve 25 - 500 °C arasında değiştirildi. Enerjik iyon bombardımanının filmlerin yüzey özellikleri üzerindeki etkilerini belirlemek için, biriktirme sırasında alttaşlara 5 ila 20 W arasında değişen ön gerilim uygulanmıştır. Kalıcı fotoiletkenlik etkisini baskılamak için çinko oksit ince filmler üzerine 5 nm kalınlığında bir silikon dioksit pasivasyon tabakası biriktirilmiştir. Ayrıca, ultraviyole algılama yeteneklerini geliştirmek için cihaz üretiminden sonra amorf In-Ga-Zn-O ince filmlere özel olarak eşzamanlı ultraviyole ışıma altında termal işlem uygulanmıştır. Cihazların optoelektronik spektral yanıtları, geçişli fotoakım spektroskopisi yöntemi kullanılarak deneysel olarak değerlendirilmiştir. Aydınlatma kaynağı olarak 500 µW gücünde 275 nm tepe dalga boyuna sahip bir ultraviyole ışık kaynağı kullanılmıştır. Tüm cihazlar 5 V öngerilim altında ohmik metal-yarı iletken bağlantıları ile fotoiletken davranışı sergilemiştir. Amorf In-Ga-Zn-O Örnek 8, 140 nA'lik bir karanlık akım değerinden 3,8 µA'lik bir foto-akım seviyesine ulaşarak, 27 katlık foto-karanlık akım oranıyla 1830 A/W'lık bir spektral yanıt vermiştir. Bu cihaz için hesaplanan harici kuantum verimliliği %825000'dir.