ZnO (Çinko-Oksit) Yarıiletkeni ve Özellikleri

Ders Sorumlusu:Prof. Dr. Sezai ELAGÖZ

Yasin ÖZDEMİR

2010 FEY 024

• Periyodik Tablo• Neden ZnO Bileşiği• ZnO Bileşiğinin Özellikleri Kristal Yapısı Örgü Parametreleri Elektronik Bant Yapısı Mekaniksel Özellikleri Isısal Özellikleri• Üretim Teknikleri• N- Tipi ve P-Tipi Nasıl Yapılır?• Nerelerde Kullanılır?

Zn REZERVLERİ

Zn REZERVLERİ

ZnO periyodik tablonun II B-VI A grubundan bir bileşik yarı iletkendir. Son zamanlarda ZnO üzerine yapılan araştırma projelerindeki artışa ve ilgili yayın sayılarına bakıldığında bu alanda yoğun bir ilginin var olduğu görülmektedir. Bilim adamlarını ve araştırmacıları ZnO ve ilgili alanlarda çalışmalara iten en önemli etken ZnO’nun 300 °K’de

Eg~3.33Vgibi geniş bir direkt bant aralığına sahip olması ve dolayısıyla da optoelektronik uygulamalarda potansiyel bir yarıiletken malzeme olarak görülmesidir.

NEDEN ZnO BİLEŞİĞİ ?

Geniş bir eksiton bağlanma enerjisine sahiptir.

ZnO tabanlı aygıtlar için kristal büyütme teknolojisi içinde en

basit olan yarıiletkendir.

ZnO tüm asit ve alkalilerde kolaylıkla aşındırılabilir ve küçük

boyutlu aygıtların üretimi için bir fırsat sağlar.

Direk ve Geniş bant aralığına sahiptirler.

Yüksek boyutlarda örgü sabiti ve ısısal genleşme sorunu olmaz.

Yüksek enerjili elektromanyetik radyasyona bilinen en dayanıklı

yarıiletkendir.

ZnO BİLEŞİĞİNİN ÖZELLİKLERİ

1- Kristal Yapısı

2- Örgü Parametreleri

3- Elektronik Bant Yapısı

4- Fiziksel Özellikler

5- Isısal Özellikler

1- Kristal Yapısı

ZnO kristaller wurtzite, çinko sülfür (ZnS) ve kayatuzu yapısında bulunabilirler. Çevre şartlarında termodinamik olarak sabit fazda wurtzite yapıdadır. ZnS yapısı çinko sülfür veya GaAs gibi kübik yapılar üzerinde büyütüldüğünde kararlı olur. Wurtzite ZnO dış hidrostatik basınç altında kaya tuzu fazına dönüşebilir.

1- Kristal Yapısı

1- Kristal Yapısı

1- Kristal YapısıWurtzite yapılar a ve c olmak üzere iki örgü parametresiyle beraber hekzagonal bir birim hücreye sahiptir. Burada u parametresi c nin biriminde c -eksenine paralel bağ uzunluğu olarak tanımlanmaktadır. u parametresi b ile gösterilen bağ uzunluğunun c örgü sabitine oranı olarak tanımlanmaktadır. α ve β ise bağ açıları olup ideal bir kristalde her ikisinin de değeri 109.47° dir. Wurtzite yapı, üçgensel olarak düzenlenmiş ardışık Zn ve O çiftleri gibi çift atomlu sıkı paketlenmiş (0001) düzlemler içermektedir. Dolayısıyla (0001) düzleminin paketlenme sırası (0001) doğrultusunda AaBbAaBb şeklindedir. Wurtzite yapıda kristallenen ZnO yapılar terslenme simetrisine sahip olmadıklarından kristal, bağların doğrultusunu gösteren kristaliografik bir polarite göstermektedir. Hexagonal paket yapısı için c/a oranı ideal olarak 1.633 iken ZnO için 1.602 dir.

1- Kristal Yapısı

1- Kristal Yapısı

2- Örgü parametreleri

Bir yarıiletkenin örgü parametreleri genelde şu faktörlere bağlıdır.

o İletim bandında bulunan elektronların konsantrasyonu o Yabancı atom ve kusurlarının konsantrasyonuo Dış zorlamalar (örn: Hidrostatik basınç)o Örgü sıcaklığı

Herhangi bir kristalin örgü parametreleri genellikle en doğru bir şekilde yüksek çözünürlüklü X-ışını kırınımı (X-Ray Diffraction) kullanılarak ölçülür.

2- Örgü parametreleri

Örgünün genleşmesindeki en önemli faktör serbest elektron konsantrasyonudur. Noktasal ve çizgisel kusurlar ise ikincil dereceden faktörlerdir.

3- Elektronik Bant Yapısı

ZnO yapıyı oluşturan atomlardan Zn’nin elektronik konfigürasyonuna bakılırsa 12 ve O’nun ektronik konfigürasyonuna bakılırsa 6 tane değerlik elektronu olduğu görülür. ZnO’nun toplam 18 değerlik elektronu vardır. Pauli ilkesi gereği bu elektronlar dolu seviyeleri ikili gruplar halinde dolduracaklarından toplam 9 dolu seviye olmalıdır. T=0 °K’de elektronik band yapısında, değerlik bandları iletkenlik bandlarından bir boşlukla ayrılıklar. Bu boşluğa enerji band aralığı denir. Genelde değerlik bandlarından en yüksek enerjiye sahip olanın enerjisi sıfır alınarak, diğer bandlar buna göre hesaplanır.

3- Elektronik Bant Yapısı

Γ noktasına bakılırsa ZnO’nun direct band aralıklı bir yarıiletken olduğu görülür.

Koyu çizgilere bakılırsa en yüksek enerjili 5 band Zn’nin d orbitalindeki 10 elektrondan kaynaklanmaktaır.Hemen bunların altındaki enerjileri -5 eV civarındaki dolu seviyeler ise O’nun P orbitalindeki 4 elektron ile Zn’nin 4s seviyesindeki 2 elektronundan kaynaklanmaktadır.

-18 eV civarındaki dolu banda ise Oxygen’in s orbitalindeki 2 elektron neden olmaktadır. Seçilen iletkenlik bandlarının sayısı keyfidir.

Tekrar Γ noktasına bakılırsa, ZincOxide’in enerji band aralığı görülebilir.

4- Fiziksel Özellikleri

4- Fiziksel Özellikleri

Tablo: ZnO’nun bazı fiziksel özelliklerinin teknolojik uygulama alanları bakımından kesişen diğer bileşik yarıiletken materyaller ile karşılaştırılması

ZnO, sahip olduğu yüksek enerji bant aralığı ile kohezyon ve eksiton kararlılığının bir arada bulunması gibi çok önemli bir ayrıcalığa sahiptir.

Çok yüksek eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) oda sıcaklığında gerek kendilğinden (LED) gerekse uyarılmış (LASER) ışık yayıcı olarak son derecede kararlı bir aygıt tasarımının yapılabileceğine imkan sağlayacaktır.

Bu aynı zamanda lazer diyotlarda sıkça görüldüğü üzere çalışması sırasında oluşan yüksek sıcaklık elektronik bozunumların daha az yaşanacağı anlamına gelmektedir.

Ayrıca II-VI bileşik yarıiletkenler arasında en yüksek sertlik değerine sahip olması da kusur oluşumundan dolayı ortaya çıkabilecek bozulmaların daha az derecede etkili olacağı anlamına gelmektedir.

ZnO bütün yarıiletken gruplar arasında en yüksek piezoelektrik etkiye sahiptir.

5- Isısal Özellikleri

Sıcaklığın değişimi yarıiletkenlerin örgü parametrelerini etkiler: Δa / a ve Δc / c oranları ile açıklanan termal yayılım dönüşümü (TEC, thermal emission conversion), örgü parametreleri olan a ve c’nin nicel sıcaklık bağımlılığı kullanılarak belirlenebilir.

Materyalin sahip olduğu stokiyometri, kusurlar ve serbest taşıyıcı konsantrasyonu TEC’i etkiler. ZnO’nun örgü parametrelerinin sıcaklığa bağlılığı X ışın kırınımı kullanılarak bulunabilir.

Isısal iletkenlik (κ); titreşim, dönme ve serbest elektron derecesi ile belirlenir. Materyaller yüksek güçte, yüksek sıcaklıkta ve optoelektronik aygıtlarda kullanılacağı zaman bu özellik gerçekten büyük önem taşır..

Üretim Teknikleri

1-Alt Tabanlar

ZincOxide büyütmede çeşitli materyaller alt taban olarak kullanılmaktadır, sık kullanılan bazı materyaller ve ZnO için uyumsuzlukları sıradaki tablodan anlaşılabilir.

Üretim Teknikleri

2- Radyo Frekans Megnetron Söktürme (Sputtering) Yöntemi

ZnO büyütmeleri için en popüler büyütme tekniklerinden biri söktürmedir (DC Söktürme, RF Magnetron Söktürme ve Reaktif Söktürme). Kaplanacak materyalin hedefinin, hedef yüzeyine çok yakın bir yerde oluşturulan plazma bulutundan sökülen iyonlarla ya da yüksek enerjili nötral parçacıklarla söktürme işlemine söktürme (sputerring) denir. Basit ve birçok materyale uygulanabilmesi, alaşım ve bileşik kaplamaların stokiyometrik şekilde elde edilmesi, düşük alt taban sıcaklıklarının olması, homojen olması, elde edilen filmlerin mükemmel bağlanma ve kristalografik yapılar göstermesi avantajları arasındadır. Yavaş olmaları ise dezavantajıdır.

Üretim Teknikleri

3- (Molecular-Beam Epitaxy-MBE)

Epitaksiyel büyütme yöntemlerinden MBE diğer yöntemlere göre daha baskındır. Çünkü istenilen aygıt yapıları en iyi şekilde elde edilebilmektedir ve bir atomik tabaka (monolayer) geçiş değişimi oldukça keskindir. MBE elektronik aygıtların üretiminde küçük olmaları ve ara yüzey kontrolü başarılı bir şekilde sağlandığından özellikle tercih edilmektedir. Bu yöntem, süper örgüler için istenilen düzgünlükte, örgü uyumunda, katkı yoğunluklarında ve kalınlıkta üretim sağlar ki bunların optik ve elektriksel özellikleri mükemmeldir.

MBE işleminde kristal, katman atomların veya moleküllerin termal demetinden elde edilir. Depolama oldukça düşük basınç (10-8 Pa) altında oluşur. Alt taban sıcaklığı ise 400-900 °C arasında değişir. Depolama oranı düşüktür. Ve plazma yardımlı CVD, MBE’nin birçok özelliğini taşımaktadır ve üretim hızı da oldukça yüksektir.

Üretim Teknikleri4- Atmalı Laser Depolama Sistemi

Atmalı-Lazer depolama (PLD) metodunda yüksek güçlü lazer atmaları materyalin etkileşimde bulunmadığı bir hedef yüzeyden materyali buharlaştırmak için kullanılır. Parçacıkların süpersonik jeti (plume), hedef yüzeye normal olarak yönlendirilir. Jet farklı parçacıkların hız dağılımına güçlü bir şekilde ileri yönlenmesiyle hedeften atılır. Çıkarılan örnekler hedefe zıt yerleşen alt tabana yoğunlaşır.

PLD’nin ana avantajları: — Düşük alt taban sıcaklığında yüksek nitelikli film büyümesine izin verir — Yüksek enerji kaynaklı parçacıklar yaratır. — Deney düzeneği basit — 10 -5 –10 -1 Torr aralığındaki basınçlarda yüksek ambient gaz basınçlarında çalışır.

PLD tekniği ile ZnO’nun büyütülmesi için genellikle ultraviyole lazerler kullanılır.

Üretim Teknikleri

5- (CVD) Kimyasal Buhar Depolama

CVD reaksiyona girecek elementlerin buhar fazda katı film oluşturmak üzere etkileştiği materyal üretim yöntemidir. Yüksek saflıktaki sıvı kaynaktan buhar elde edilebilir. Kimyasal reaksiyon önemli karakteristiğidir. Gaz ve katı fazda, reaksiyona girecek elementlerin kısmi basınçları, toplam enerjileri, sıcaklık değerleri iyi bilinmelidir. CVD deki işlem parametreleri arasında akış hızı, sıcaklık, sıcaklığın sistemdeki dağılımları, reaktör geometrisi, gaz ve buhar özellikleri bulunmaktadır.

CVD’nin avantajları ve dezavantajları; 1. Basit ve karmaşık yapıları düşük sıcaklıklarda elde

edebiliriz 2. Fiziksel özellikler kimyasal reaksiyonlar ve depolama koşulları değiştirilerek kontrol edilebilir. 3. İnorganik, organo-metalik ve organik metallere uygulanabilir. 4. Düşük sıcaklıklarda elde edilen filmler genelde amorftur. Yüksek sıcaklıklarda, polikristal ve çok yüksek sıcaklıklarda tekli kristaller elde edilebilir. 5. Pahalıdırlar. Çoklu kuantun kuyuları ve süperörgülerin uygulanması güçtür.

N-Type P-Type ZnO

Çinko oksit katkılanması sonucu p-tip ve n-tipi ZnO olmak üzere iki tipte büyütülebilmektedir.

Donör tipi katkılar:H, Al, Ga ve In

Akseptör tipi katkılar:N, P, As ve Sb

ZnO yapısına periyodik cetvelin I. grubundan başlanıp VII. grubuna kadar olan bazı atomlarla katkı yapılabilir.

N-Type P-Type ZnO

I.Grup Elementleri : H ve LiII.Grup Elementleri : Mg ve CdIII.Grup Elementleri : Al, Ga ve InIV.Grup Elementleri : C ve SiV.Grup Elementleri : N, P, As, ve SbVI.Grup Elementleri : Zn(VI)OVII.Grup Elementleri : F, Cl, Br, ve I

Nerelerde Kullanılır

Gaz,kimyasal ve biyolojik sensorler

Flat screen display

UV ışık yayıcılar

UV dedektörler

Plastikler

Bataryalar

Elektriksel ekipmanlar

Kauçuk

Sabun

Tekstil

BoyalarKozmetik

EczacılıkGıda

Lazer

LED

Yazıcı mürekkepleriYer

kaplamaları

Yem sanayii

Teşekkürler

Dinleyen herkese teşekkürlerimi sunarım

Yasin ÖZDEMİR

Sivas, 2011