Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτελεί η ανάπτυξη πολυκρυσταλλικών λεπτών υμενίων ΙΙΙ-Νιτριδίων με τη μέθοδο αποδόμησης (sputtering) στόχου σε περιβάλλον πλάσματος τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε φωτοβολταϊκές διατάξεις χαμηλού κόστους και μεγάλης επιφάνειας. Τα τελευταία χρόνια οι ημιαγωγοί ΙΙΙ-νιτριδίων είναι πολλά υποσχόμενοι όσον αφορά την χρήση τους σε φωτοβολταϊκές διατάξεις λόγω του άμεσου ενεργειακού χάσματος το οποίο καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του ηλιακού φάσματος (0.69 έως 3.4 eV). Ειδικότερα τα ηλιακά κύτταρα που ‘ναι φτιαγμένα με βάση τους ημιαγωγούς III-νιτριδίων έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον, δεδομένου ότι το κράμα InGaN παρουσιάζει υψηλό συντελεστή απορρόφησης. Αξίζει να σημειωθεί πως για πρώτη φορά επιχειρήθηκε η εναπόθεση νιτριδίων με τη μέθοδο RF sputtering στα εργαστήρια της Μικροηλεκτρονικής του ΙΗΔΛ/ΙΤΕ. Πιο συγκεκριμένα, αποδείχθηκε πως η μη κατάλληλη αποδόμηση (καθαρισμός) του GaN στόχου πριν την εναπόθεση οδηγούσε σε ανάπτυξη λεπτών υμενίων στα οποία κυριαρχούσαν φάσεις οξυνιτριδίου του γαλλίου (GaON) και οξειδίου του γαλλίου (GaO). Ωστόσο, βελτιστοποιώντας τις παραμέτρους πριν και κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης καταφέραμε να αναπτύξουμε GaN και κράματα InGaN ελαχιστοποιώντας την ενσωμάτωση οξυγόνου στα εναποτιθέμενα υμένια. Όλα τα υμένια τα οποία παρασκευάστηκαν, μελετήθηκαν για τις οπτικές τους ιδιότητες μέσω μετρήσεων φασματοσκοπικής ελλειψομετρίας (SE) οι οποίες αναλύθηκαν αφού πρώτα προσομοιώσαμε τη τραχύτητα της επιφάνειας του υμενίου χρησιμοποιώντας την προσέγγιση του ενεργού μέσου. Οι δομικές ιδιότητες των υμενίων μελετήθηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και διασπορά ενέργειας ακτίνων Χ (EDX) ενώ οι ηλεκτρικές μετρήσεις Hall χρησιμοποιήθηκαν για να χαρακτηριστούν ηλεκτρικά τα εναποτιθέμενα υμένια. Τα πολυκρυσταλλικά GaN αναπτύχθηκαν σε περιβάλλον πλάσματος αζώτου, χαμηλή πίεση αερίου και υψηλή RF ισχύ. Το οπτικό ενεργειακό χάσμα των βέλτιστων υμενίων GaN βρέθηκε να βρίσκεται κοντά στη τιμή των 3.4eV. Όσον αφορά τα εναποτιθέμενα υμένια κραμάτων InGaN, αυτά βρέθηκαν να ‘χουν οπτικό ενεργειακό χάσμα από 2.91 eV έως 2.15 eV. Το ενεργειακό χάσμα καθορίστηκε βάσει της RF ισχύος και του αριθμού των δισκίων ινδίου επάνω στο στόχο. Η ανάλυση των μετρήσεων περίθλασης ακτίνων Χ έδειξε πως τα InGaN υμένια ήταν άμορφα. Στο In0.3Ga0.7N υμένιο μετρήθηκε χαμηλή αντίσταση της τάξης των 0.14 Ω*cm με συγκέντρωση ηλεκτρονίων 3.38 * 1019 cm-3 και ευκινησία ηλεκτρονίων 1.55 cm2/Vs. Στη συνέχεια, έγινε προσπάθεια να επιτευχθεί p-τύπου αγωγιμότητα στα GaN και InGaN υμένια τοποθετώντας δισκία Mg πάνω στο στόχο. Οι ηλεκτρικές μετρήσεις φαινομένου Hall έδειξαν πως όταν η συγκέντρωση νόθευσης Mg στο In0.24Ga0.76N αυξήθηκε σε 11.5 % μεταλλική συγκέντρωση το φιλμ μετατράπηκε σε p -τύπου ημιαγωγό. Εν κατακλείδι, η συγκεκριμένη μεταπτυχιακή διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια του έργου ΚΑ3568 με τίτλο «ΘΑΛΗΣ-ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ- Φωτοβολταϊκές Διατάξεις Υψηλής Απόδοσης ΙΙΙ-Νιτριδίων Ημιαγωγών», που συγχρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕSF) και εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του ΕΣΠΑ και πραγματοποιήθηκε στα εργαστήρια της Μικροηλεκτρονικής του ΙΗΔΛ/ΙΤΕ. Συμπερασματικά, η μεταπτυχιακή διατριβή παρήγαγε σημαντική νέα γνώση πάνω στην ανάπτυξη λεπτών υμενίων GaN και InGaN με τη μέθοδο αποδόμησης στόχου σε περιβάλλον πλάσματος.
(EL)
In recent years, III-nitride semiconductor materials have become promising candidates for use in electronic and photovoltaic devices due to their wide direct bandgap that cover most of the solar spectrum (0.7-3.4 eV) [1]. In particular, solar cells based on group III nitrides have attracted much attention since InGaN has high light absorption coefficients. In this thesis, we study the fundamentals of deposition III-nitride thin films by radiofrequency (rf) reactive sputtering. The aim of this thesis is to investigate the growth of gallium nitride and indium gallium nitride films by RF sputtering that could be used in effective and inexpensive photovoltaic devices. It is imperative to point out that it is the first attempt to deposit III-nitride materials by RF sputtering in the labs of Microelectronics of FORTH/IESL.
It was shown that no probable condensation and pre-cleaning of GaN powder target led to dominated oxynitride and oxide phases in grown thin films. However, we achieved to have a good control on the growth process, as a result, we could initiate growing GaN and InGaN films minimizing the oxygen incorporation in as-deposited samples. Hence, the optical properties of the films were studied by spectroscopic ellipsometry (SE) and the measured data were analyzed by taking into account the effects of surface roughness based on an effective medium approximation model. X-ray diffraction (XRD), Energy-dispersive X-ray (EDX) and Hall measurements were used to characterize the structural and electrical properties of films. The most crystalline GaN films were grown in a pure nitrogen atmosphere, low pressure and high target RF power. The optical bandgap of the optimum GaN films was determined to be approximately 3.4eV. As far as it concerns InGaN films, they were grown having optical bandgaps from 2.91 eV to 2.15 eV. The bandgap was tuning with the RF power and the number of indium pellets onto the target. After alloying with In, the XRD analysis revealed the amorphous phase of InGaN films. A resistivity as low as 0.14 Ω*cm with an electron concentration 3.38*1019 cm-3 and mobility value of 1.55 cm2/Vs was obtained in In0.3Ga0.7N.
Last but not least, it was attempted to deposit p-type GaN and InGaN films with Mg pellets that were placing onto the target. Hall effect measurements showed that when the Mg dopant content in In0.24Ga0.76N increased to 11.5 metallic at. % the as-sputtered film transformed into p-type conduction.
This project was co-funded by the European Union (European Social Fund (ESF)) and the Greek national funds through the Operational Program ‘’Education and Lifelong Learning’’ of the National Strategic Reference Framework (NSRF)-Research Funding Program:THALES.
(EN)
