Rezonans kaviteli ve iç kazançlı GaInNas-tabanlı IR fotodedektör
Resonant cavity enhanced GaInNAs-based IR photodetector with gain
Yazar: FAHRETTİN SARCAN
Danışman: PROF. DR. AYŞE EROL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotodedektörler = Photodetectors

Özet:
Bu çalışmada, fiber optik iletişimin 1.3 um penceresinde kullanılma potansiyeli olan, absorpsiyon bölgesini seyreltik azotlu GaInNAs dörtlü alaşım yarıiletkeninin oluşturduğu rezonans kaviteli p-i-n eklem Ga_{1-x}In_xN_yAs_{1-y}/GaN_zAs, çoklu kuantum kuyulu fotodedektörler incelenmiştir.
Fotodedektörlerin kuantum kuyusu ve "dağıtılmış Bragg yansıtıcıları" (distributed Bragg reflectors, DBRs) sayısına, aktif bölge ve bariyer malzemelerinin alaşım konsantrasyonlarına bağlı tasarımları, fabrikasyonları, elektriksel ve optik karakterizasyonları yapılarak fotodedektör özellikleri belirlenmiştir.
Fotodedektörlerin tasarımları, Band Anti-Crossing modeli, Transfer Matris Metot'u ve Vegard Yasası'ndan yararlanılarak yapılmıştır. Tasarımlarda, absorpsiyon bölgesinin bant aralığı, tabakalararası uyum ve tabaka sayısı ile rezonans kavitesinin kalitesi olmak üzere üç temel parametre göz önüne alınmıştır.
Fotodedektörler Tampere Teknoloji Üniversitesi Optoelektronik Araştırma Merkezi tarafından Moleküler Demet Epitaksi büyütme sistemiyle büyütülmüştür. Fabrikasyonları ise İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü bünyesinde bulunan İleri Litografik Yöntemler Laboratuvarı'nın olanakları kullanılarak yapılmıştır. 2 inç çaplı daireler şeklinde büyütülen örnekler, optik ölçümlerden sonra optik litografi ve ıslak aşındırma teknikleriyle 20-200 um pencere genişliğine sahip mesa yapı şeklinde üretilmişlerdir.
Fotodedektörlerin karakterizasyonları İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi bünyesinde bulunan Nano-Optoelectronik Araştırma Laboratuvarları'nda yapılmıştır. 30-300 K aralığında fotoışıma ve yansıma ölçümleri yapılarak fotodedektörlerin sıcaklığa bağlı çalışma dalgaboyları, absorpsiyon dalgaboyunun sıcaklığa bağlılığı ve termal genleşme katsayıları gibi parametreleri belirlenmiştir.\par
Oda sıcaklığı civarında (10-40 oC) akım-voltaj ve fotoakım ölçümleri yapılarak fotodedektörler için en önemli parametrelerden olan  karanlık akım limitleri, duyarlılıkları ve kuantum verimleri belirlenmiştir.
Essex Üniversitesi'nin olanakları kullanılarak oda sıcaklığında transiyent fotoiletkenlik ölçümleri yapılmış ve fotodedektörlerin bant genişlikleri, hızları ve gürültü mertebeleri belirlenmiştir. 
Elde edilen tüm bulgular kendi içlerinde, birbirleriyle ve literatürdeki benzer yapılarla kıyaslanarak değerlendirilmiştir.
Bu çalışmada -1 V gibi çok düşük beslemede %43 kuantum verimine ulaşılmış olup bilindiği kadarıyla bu değer, literatürde seyreltik azotlu rezonans kaviteli p-i-n eklem fotodedektörlerdeki ulaşılan en yüksek kuantum verimidir. Bu fotodedektör, Türk Patent ve Marka Kurumu tarafında 21.11.2017 tarihinde ulusal patent (TR 2015 05193 B) olarak tescillenmiştir.

Abstract:
In this study, quasi-cavity and resonant cavity p-i-n junction Ga_{1-x}In_xN_yAs_{1-y}/GaN_zAs quantum well (QW) photodetectors which have the potential to be used of at 1.3 um window of fibre optical communication have been investigated.
Design, fabrication, electrical and optical characterization of photodetectors have been carried out depending on numbers of QWs and Distributed Bragg Reflectors (DBRs), materials of active region and barrier layer.\par 
In the design stage of the photodetectors, Band Anti-Crossing model, Transfer Matrix Method and Vegard's law utilized. The bandgap energy of the absorption region, lattice match between the layers and the quality of the resonance cavity were taken into account as the design parameters.
The photodetectors were grown on 2 inch wafers by using Molecular Beam Epitaxy (MBE) at Optoelectronics Research Centre/Tampere University of Technology (Finland). The photodetectors were fabricated as mesa structure with a diameter of 20-200 um by using facilities of Advanced Lithography Laboratories/Istanbul University Science Faculty Physics Department.
Electrical and optical characterization of the photodetectors were carried out at Nano-Optoelectronic Research Laboratories/Istanbul University Science Faculty. Temperature dependency of absorption wavelengths, thermal expansion coefficients and cavity wavelength of the photodetectors were obtained by temperature-dependent photoluminescence and reflectance measurements between 30 and 300K.
Dark current, responsivity and quantum efficiencies of the photodetectors were obtained by current-voltage and photocurrent measurements. Bandwidth, detectivity and noise of photodetectors were obtained from the analysis of transient photoconductivity which were carried out at University of Essex (United Kingdom)
All obtained results are presented by comparing with the literature. All the best photodetector characteristic has been obtained for resonant cavity 9 QWs Ga_{0.65}In_{0.35}N_{0.02}As_{0.98}/GaAs photodetector with AlAs/AlGaAs 21 periods top and 25 periods bottom DBRs. With this photodetector structure, quantum efficiency (QE) of 43% has been achieved at a very low bias -1 V. To the best of our knowledge which is the highest QE in the dilute nitrogen resonant cavity photodetectors in the literature. This photodetector has been patented as a National Patent by Turkish Patent and Trademark Office with patent number of TR 2015 05193 B.