ZnO:Mg ince filminin fiziksel özellikleri ve Al/n-ZnO:Mg /p-Si eklem diyot uygulaması / Physical properties of ZnO:Mg thin films and application of Al/n-ZnO:Mg /p-Si heterojuntion diodes

Abstract

ZnO ince filmleri n-tipi yarı iletken olmakla birlikte (yasak bant aralığı 3.35 eV), elektriksel özelliklerinin farklı element katkılarıyla (Al, Ga ve Mg gibi) iyileştirilebildiği bilinmektedir. Yaptığımız bu çalışmada, sol-jel metodu ile 500 °C'de hazırladığımız ZnO ince filmlerine farklı oranda eklenen Mg katkı (%0, %1, %3, %5, %7, %10, %20, %30 Mg) miktarının filmlerin kristal yapısı, optiksel özellikleri ve kimyasal yapısına olan etkisini XRD, FESEM, XPS, FTIR, UV/VIS spektrometre ölçümleri yaparak araştırdık. Elektron mikroskobu (FESEM) sonuçlarına göre, artan Mg miktarına bağlı olarak Mg katkılı ZnO (ZMO) filmlerinin yüzey özellikleri iyileşmiş, kristal boyutları küçülmüştür. Yapılan optik analizlerde ise ZMO filmlerinin (%85-98 e kadar geçirgenlik) ZnO filmlerine göre ışığı daha iyi geçirdiğini bununda Mg katkısının filmlerdeki kristal yapıyı ve diğer fiziksel özellikleri iyileştirmesine bağlı olduğu açıkça görülmüştür. Özellikle %20 Mg katkılanan filmlerin en yüksek geçirgenliğe (%98.2) sahip olduğu bulunmuştur. Film yapısının daha detaylı incelendiği EDX ve XPS analiz sonuçlarına göre, katkılanan Mg' nin ZnO filmlerinin kristal yapısına Zn-Mg-O bağları ile dahil olduğunu göstermiştir. FTIR analizi ise, hem ZnO hem de ZMO filmlerinde istenilen fonksiyonel gruplardan olduğunu kanıtlamıştır. Yapılan akım (I) ve voltaj (V) ölçümleri, elde edilen ZMO/p-Si filmlerinin rektifiye özelliklerinin ZnO/p-Si filmlerine göre daha iyi olduğunu göstermiştir. Test edilen tüm ZnO ve ZMO film uygulamaları kıyaslandığında %20 Mg katkısının en iyi sonucu verdiği açıkça görülmüştür. Örnek olarak %20 Mg katkılı ZMO film idealite faktörü 1.47 ve potansiyel engel yüksekliği 0-769 eV olarak en iyi sonucu vermiştir. Bu nedenle çalışmamız güneş paneli veya diğer opto-elektronik amaçlı kullanımlar için hazırlanacak ZnO filmlerinin belirli oranda Mg (%20 Mg bu çalışmaya göre) katkısı ile iyileştirilebileceğini açıkça ortaya koymuştur. Çalışmamızın, ülkemiz enerji ihtiyacını ve dışa bağımlılığı azaltmaya yönelik yerli teknoloji geliştirilmesinin sağlanmasına katkıda bulunacağını tahmin etmekteyiz. ZnO is an n-type oxide semiconductor material (band gap of 3.35 eV), where its electrical properties can be enhanced by doping or incorporating some other elements (e.g. Al, Ga and Mg). In the present study, we prepared ZnO thin films at 500 °C with different Mg addition (0%, 1%, 3%, 5%, 7%, 10%, 20%, 30% Mg) and analysed their physical, optical and chemical properties by using XRD, FESEM, XPS, FTIR, UV/VIS spectrophotometer. Analysis of FESEM (Field effective scanning electron microscopy) clearly showed that Mg-doping markedly decreased surface roughness, and improved crystalline structure. Optical properties such as transmission also increased significantly from %80 in ZnO film to 98.2% when doped with %20 Mg that is in line with the observed improvement in the physical properties. For example, EDX and XPS analysis clearly showed that when Mg was added to the ZnO thin films, expected Zn-Mg-O structured occurred showing added Mg affectively joined ZnO structure by generating Zn-Mg-O functional groups. Electronic properties (voltage (V) and current (I)) showed that rectifying behaviour of the ZMO films (I-V characteristics of the ZMO/p-Si heterojunction diodes) were better than the ZnO films. With the optimum optical and I-V characterizations, the 20% Mg-doped ZnO thin films and 20% Mg-doped ZnO/p-Si heterojunction diode had the best potential to be used as nano-sized optoelectronic devices with wider band gap with ideality factor being 1.47 and barrier height 0-769 eV. In this context, our study suggests that Mg addition (20% Mg gave the best results) can significantly improve ZnO thin film properties for optoelectronic use. We believe that our study will contribute fulfilling the energy needs of our country and minimize its dependency to out sources.