Fotolüminesans

Şekil 4.14. InGaN/GaN yapıları için PL spektrumu a)

b)

c)

Şekil 4.14 PL spektrumunun taşıyıcı yoğunluğuna bağımlılığını göstermektedir. Bu spektrum laserle elde edilen eksitasyon sayesinde oluşmuştur. Düşey eksen logaritmik skalaya ayarlanmıştır. Bu spektral değişimi geniş bir aralıkta inceleyebilmek için yapılmıştır.

380 (3,24 eV) nm dalgaboyu civarında, GaN’ın bileşenlerinden biri numune C’de keskin bir pike sebep olmuştur [24]. Bu durum, bu bileşene ait taşıyıcı yoğunluğunun bu spektral bölgede büyük olduğunu gösterir. Her üç bileşende de geniş bir yeşil emisyon merkezi ~520 nm (2,38eV) dalga boyu civarında görülebilir. Bu emisyonun orijini bazı safsızlıklar ve yerel kusurlara atfedilebilir [25]. Bu maksimuma denk gelen dalga boyu bant aralığı (Eg) yi

*

Eh c denkleminde yerine koyarak bulunabilir. Numuneler A, B, C için bant aralıkları sırasıyla 2,4 eV, 2,35 eV ve 2,38 eV olarak hesaplanmıştır. Dalgaboyunun 650 nm değerinden sonra PL şiddet eksenindeki düşüş bu değerden sonra InGaN’ın herhangi bir enerji seviyesi bileşeni olmadığını gösterir. Eksitasyonla oluşan stimulasyon için gelen fotonun enerjisi tam olarak atomun enerji seviyelerinden birine eşit olmalıdır [238].

Bu çalışmada InGaN ve GaN’ın yasak enerji aralıkları (Eg), PL ve soğurma spektrumlarından hesaplanmıştır. Enerji aralığı soğurma spektrumu kullanılarak da hesaplanabilir. Soğurma varsa yansıma yoktur. Tüketim ise gelen fotonun enerjisinin malzeme içerisinde aniden düşmesidir. Kırılma indisi, soğurma katsayısı, tüketim katsayısı ve kalınlık gibi bazı optik özellikler (Swanepoel 1983) tarafından bulunan bir metotla hesaplanabilir. Bu metodun InGaN/GaN yapıya uygulanabilmesi için geçirgenlik spektrumuna ihtiyaç vardır. Geçirgenlik numuneye gelen ve numuneden geçen ışın şiddetlerinin oranıdır. Swanepoel metodunda maksimum geçirgenlik (TM) ve minimum geçirgenlik(Tm) değerleri uygun bir yazılımla belirlenir. Bu değerlerin oluşturduğu fit çizgileri zarf metodunda kullanılır. Bu metottan elde edilen sonuçlar literatürle iyi bir uyum içindedir. Şekil 4.14 a, b, c PL’i enerjiye bağlı olarak ve küçük grafikler dalga boyuna bağlı olarak göstermektedir. Numunelerin Eg’leri PL’deki pik kullanılarak hesaplanabilir. Enerji-şiddet grafiğindeki pik merkezi tam olarak Eg değerini verir. Örnek C için olan PL grafiğinde InGaN pikinin solunda bir pik daha vardır. Bu pikin GaN’a ait olduğu tahmin edilir.

Literatürde InGaN’ın Eg’si mavi bölgededir. Ama burada yeşil bölgeye kaymıştır. Bu durum In katkısından kaynaklanmış olabilir.

4.5.2. Geçirgenlik

Geçirgenlik ölçümlerinin spektrumu dalga boyunun %T’ye göre grafikleri çizilerek bulunur.

Bu grafik Şekil 4.15’de gösterilmiştir. Bu grafiğe göre ışık yakın görünür bölgede tamamen soğurulmuştur (̴ 390 nm). Numune A’ya ait olduğu tahmin edilen kırmızı eğri numune B ve C eğrilerine göre daha keskin bir şekilde yükselmiştir. Bunun nedeni GaN’ın bant aralığının mavi bölgede olması olabilir. Spektrumun diğer kısımlarında şiddet değerlerinin dalgalanmalarından başka büyük bir fark yoktur. Bu dalgalanmalar kalınlık farklılıklarından kaynaklanabilir. Kalınlıklar tabakaların yarı geçirgen pencereler olarak davranmasına neden olabilir. Bu durum InGaN güneş pilinin verimini etkiler [236]. Geçirgenlik spektrumundaki girişim saçakları film kalınlıklarındaki değişimlere bağlıdır. Bant aralıkları girişim saçaklarının yüksek enerji sınırlarından belirlenir [236]. Ama bu soğurma sınırı bant aralığına denk gelen banttan banda geçişten ziyade eksitonlar sayesinde olabilir.

Şekil 4.15. InGaN/GaN yapısının geçirgenlik spektrumu

Ölçülmüş bir geçirgenlik spektrumundan enerji aralığını belirlemenin tek bir prosedürü yoktur. Bu yüzden PL ölçümleri bant aralığını belirlemek için kullanılır. InGaN/GaN/Al2O3

b)

c)

MQW yapının geçirgenlik ölçümleri yapılmıştır. Optik geçirgenlik spektrumu kullanılarak, film kalınlığı, kırılma indisi, tüketim katsayısı ve soğurma katsayısı hesaplanabilir.

Aşağıdaki denklemlerde ns alt tabakanın kırılma indisidir (Safir).

Şekil 4.15’de numunelerin geçirgenlik spektrumları görülebilir. Şekil 4.15’deki küçük grafiklerde zarflar görülebilir. Bunlar üst ve alt zarflar olarak çizilmiştir. TM ve Tm

matematiksel bir model olarak ifade edilirse Eş. (4.29) elde edilir. Kırılma indisi için gereken denklem Eş. (4.30) dadır. Eş. (4.30) deki N Eş. (4.31) kullanılarak bulunabilir.

M 2

Film kalınlığı ardışık TM ve Tm değerleri kullanılarak hesaplanabilir. Kırılma indisi değerleri n(λ1) ve n(λ2) kalınlık denkleminde kullanılır.

Şekil 4.16. Kırılma indisinin dalga boyuna göre değişimi

Örnek B’ de kırılma indisi değerleri dalgalı bir değişim göstermiştir. Bunun nedeni yüzeydeki pinholların yoğunluğu veya yapıdaki In katkısının homojen olmaması olabilir.

Şekil 4.21’de pinhollar görülebilir. Örnek A ve C’de kırılma indisi değerlerinin dalga boyuna göre değişimleri normaldir. Örnek A için kırılma indisi değerleri hemen hemen sabittir. Bu durum örnek A’nın kristal kalitesinin ve büyütme şartlarının optimize olduğunu gösterir.

Zayıf ve orta bölgede soğurma katsayısı α sıfır değildir ve Eş. (4.29)’ daki x 1’den küçüktür.

Bu bölge için kırılma indisi Eş. (4.30)’da verilmiştir. Eş. (4.29)’da ki x Eş. (4.33) ile

2 2 3 2 4 1/ 2 hesaplanmıştır ve uyum içinde oldukları görülmüştür. Çizelge 4.14’de bulunan x değerleri gösterilmiştir. EM, Em ve N hesaplamalarda kullanılan parametrelerdir ve adları yoktur.

Soğurma katsayısı (α) x kullanılarak Eş. (4. 37) ile hesaplanır.

2

ve tüketim katsayısı (k) Eş. (4. 38) ile hesaplanır.

1 1

Soğurma, sönüm ve kalınlık değerleri Çizelge 4.14’de gösterilmiştir.

Çizelge 4.14. X değerleri, sönüm, soğurma katsayıları ve kalınlık

Örnek TM’den X Tm’den X

Yarıiletken malzemelerde, foton enerjisinin soğurma katsayısına etkisinden faydalanarak, yasak enerji aralığı belirlenebilir. Soğurma eğrileri Şekil 4.17’de gösterilmiştir. Yüksek enerji bölgesinin fitinin x eksenini kesme noktası yasak enerji aralığı değerini verir. Eg

değerleri her üç numune için de 2-3 eV aralığında bulunmuştur. Bu sonuç PL sonuçlarıyla uyumludur.

Şekil 4.17. Örnek A, B ve C için soğurma spektrumları a)

b)

c)

4.5.3. FTIR

Bütün numunelerin ATR spektrumu 670-690 cm^-1 aralığında keskin bir soğurma piki gösterir. Gözlenen bu pik frekans resonansı sonucudur. Bu rezonans gelen ışımanın dalga vektörüyle ara yüz polaritonlarının eşleşmesiyle oluşur [239].

InGaN güneş pilinin FTIR spektrumu Şekil 4.16’da görülebilir. Bu grafik dalga sayısının geçirgenliğe karşı değişimini gösterir. Her üç numune için üç ortak özellik spektrumda görülebilir.

1) 2000-1000 cm^-1 spektral aralığında In ilişkili gerilmiş bantların şiddeti düşer. Bu durum In-Ga ve Ga-N bağlarından kaynaklanır [240].

2) 3000-3500 cm^-1spektral aralığında dalgalanmaların şiddetindeki artma geçirgenlik görülebilir. Bu InGaN bağları ile alakalıdır. Bunlar bu spektral aralık civarındaki LO ve TO fononlarıdır [240].

3) Spektrumun diğer kısımlarında keskin bir bant yoktur ve sıradan dalgalanmalar görülebilir [240].

Şekil 4.16. InGaN aktif tabakanın FTIR titreşim spektrumu

Spektrumdaki bütün özellikler birden fazla ölçüm yapılarak kıyaslanabilir. Spektrumdaki eğrilerin kalınlıkları kıyaslanarak fotometrik uygunluk görülebilir [33]. Şiddeti dikkate alarak, 2000 cm^-1 civarındaki maksimumun geçen elektronların oluşturduğu titreşimsel

modlardan kaynaklandığı görülebilir. Bu maksimum In içeren yapısal kusurlardan da kaynaklanabilir.