Comparison of photoluminescense properties of Zn and O polar ZnO/GaN thin films

Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fizik Ana Bilim Dalı
Bu çalışmasında, Zn-polar ve O-polar Çinko Oksit (ZnO) ince filmlerin sıcaklığa ve uyarma şiddetine bağlı fotoluminesans (PL) özellikleri incelenmiştir. Sıcaklığa bağlı ölçümler sabit uyarma şiddetinde (13 mW/cm2) 10K ile 300K sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Uyarma şiddetine bağlı ölçümler ise 10K sıcaklığında düşük-orta seviye denebilecek 2.6-330 mW/cm2 aralığında yapılmıştır. Zn-polar ve O-polar yüzlü örneklerin PL spektrumlarının bant kenarı emisyon bölgesinde gözlenen eksitonik geçişlerle birlikte derin seviye kusur merkezlerinden kaynaklı geçişlerin sıcaklık ve uyarma şiddetine bağlı davranışları detaylıca incelenerek karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Polarizasyonun optik özelliklere etkileri literatür de dikkate alınarak yorumlanmaya çalışılmıştır. Her iki örneğin düşük sıcaklık PL spektrumunda en yüksek şiddete sahip bant kenarı emisyon tepe konumunu 3.362 eV ile verici-bağlı eksitona ait oldukları gözlenmiştir. Ancak, Zn-polar ve O-polar örneklerin bant kenarı PL şiddetleri karşılaştırıldığında, O-polar örneğin Zn-polar örnekten yaklaşık 2.5 kat daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Bu oran oda sıcaklığında 1.8 kata kadar düşmektedir. Her iki örnek için düşük sıcaklıkta 3.376 eV'da gözlenen serbest eksiton (FXA) geçişin tepe enerjisinin sıcaklıkla değişiminin Varshni denklemini takip ettiği ve oda sıcaklığında toplam yaklaşık 96 meV kızıla kayarak 3.28 eV da konumlandığı gözlenmiştir. Bant kenarı emisyon tepe şiddetinin sıcaklık davranışı iki termal aktivasyonlu ampirik denklemle en iyi uyarlama örneklerin ışıması aktivasyon enerjileri ve tuzaklama hızları tespit edilmiştir. Zn-polar ve O-polar örneklerin uyarma şiddetine bağlı değişimlerin aynı karakterde oldukları bulunmuştur.
In this thesis, the photoluminescence (PL) properties of Zn-polar and O-polar Zinc Oxide (ZnO) thin films grown by molecular beam epitaxy (MBE) technique were investigated. Temperature-dependent measurements were carried out at constant excitation intensity (13 mW/cm2) between 10K and 300K. The excitation intensity dependent measurements at 10K were made in the range of 2.6-330 mW/cm2. The temperature and excitation intensity-dependent behaviors of excitonic transitions and the transitions originating from the deep-level defect centers were examined in detail and evaluated comparatively by considering the literature. It was observed that band edge emission of low temperature PL spectrum dominated by transition related to neural donor-bound exciton centered at 3.362 eV for both samples. On the other hand, the band edge emission peak intensity of Zn-polar was found approximately 2.5 times higher than that of O-polar and then drops to 1.8 times at room temperature. For both samples, it was observed that the variation of the peak energy of free exciton (FXA) transition (observed at 3.376 eV at low temperature) as a function of temperature follows the Varshni equation and positioned at 3.28 eV at room temperature with a total redshift of approximately 96 meV. The temperature behavior of the band edge emission peak intensity was determined by an empirical equation assuming two thermally activated nonradiative centers with different activation energy and trapping rates for both samples. It was found that the changes depending on the excitation intensity of the Zn-polar and O-polar samples were of the same character.