InGaAs Gunn diyodu tabanlı ışık yayan aygıt üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterisation of InGaAs Gunn diode-based light emitting device
Yazar: GÖKSENİN KALYON
Danışman: PROF. DR. AYŞE EROL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Işık yayan diyot = Light emitting diode ; Radyasyon = Radiation ; Salınım = Oscillation

Özet:
Bu çalışmada, Gunn olayına dayalı olarak 1600 nm dalgaboyunda ışıma yapan n-tipi InGaAs-tabanlı Gunn aygıtlarının ışıma mekanizmaları ve Gunn osilasyonları incelenmiştir. InxGa1-xAs (x=0,53) alaşım yarıiletkeni InP alttaş üzerinde 5µm kalınlığında örgü uyumlu olarak Metal Organik Buhar Fazlı Epitaksi (Metal Organic Vapour Phase Epitaxy, MOVPE ) yöntemiyle büyütülmüş, Taramalı elektron mikroskopisi (Scanning Electron Microscope, SEM) ve Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDS) kullanılarak yapısal karakterizasyonları yapılmıştır. InxGa1-xAs-dayalı Gunn aygıtları farklı geometrilerde fotolitografi ve elektron demeti litografisi yöntemleriyle farklı şekil ve farklı kanal uzunluklarında üretilmiştir. Işıma dalgaboyu fotoışıma ölçümlerinin analizlerinden belirlenmiştir. Elektron yoğunluğu ve elektron mobilitesinin belirlenmesi için Hall olayı, Negatif Diferansiyel Rezistans (Negative Differential Resistance, NDR) bölgesinin belirlenmesi için ve Gunn osilasyonlarını gözlemlemek için yüksek hızlı akım-voltaj ölçümleri, ışıma spektrumunu ölçmek için elektrolüminesans (Electroluminescence, EL) ve ışıma şiddetinin elektrik alana bağlı değişimini incelemek için ışıma şiddeti-elektrik alan ölçümleri yapılmıştır.
Gunn diyodundan NDR eşik değeri civarında uygulanan elektrik alanlarda domain içindeki yüksek elektrik alanla yaratılan impakt iyonizasyonla üretilen taşıyıcıların banttan banda rekombinasyonundan kaynaklanan ışıma gözlenmiştir. Işıma şiddeti eşik elektrik alan değerinin üzerinde elektrik alanlarda hızlı bir artış göstermiştir ve voltaj polaritesinden bağımsız olarak yüzeyden ışıma gözlenmiştir. 1605 nm'de gözlenen spektral EL piki şiddeti NDR eşik elektrik alanı üzerinde uygulanan elektrik alanla artmıştır. NDR koşulları sağlandığında gözlenen kararlı Gunn osilasyonlarının frekansı 1 GHz olarak belirlenmiştir

Abstract:
In this study, light emission mechanism and Gunn oscillations of n-type InGaAs-based Gunn devices emitting at a wavelength of 1605 nm based on the Gunn effect were investigated. A 5µm thick  InxGa1-xAs (x=0.53) epilayer was grown on lattice-matched semi-insulating InP using Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Structural characterizations were made by Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X- Ray Spectroscopy (EDS) InxGa1-xAs-based Gunn devices have been fabricated in different geometries with a various channel lengths by photolithography and electron beam lithography methods. The emission wavelength of the diode was determined from the analyses of the photoluminescence measurements. Hall effect was utilised to find electron density and electron mobility. High-speed current-voltage measurement was conducted to determine the Negative Differential Resistance (NDR) region and to observe Gunn oscillations. Electroluminescence (EL) was ussed to measure the emission spectrum, and the integrated EL versus electric field were carried out to determine threshold electric field of the light emission. 
The device defined in simple bar with stepped anode region exhibits NDR characteristic and stable Gunn oscillations. The frequency of stable Gunn oscillations originated from intervalley transfer of hot electrons is determined as 1 GHz when NDR condition is satisfied. Light emission originating from the band-to-band recombination of excess carriers generated by impact ionization in Gunn domain is observed at electric fields around the NDR threshold. And its intensity drastically increases above NDR thereshold regardless of voltage polarity. The intensity of the spectral EL peak observed at 1605 nm increases with the applied electric field above NDR threshold electric field.