Düşük boyutlu yarıiletken sistemlerde elektronik transport olaylarının incelenmesi
An investigation of electronic transport processes in low dimensional semiconductor systems
Yazar: FERHAT NUTKU
Danışman: PROF. DR. M. ÇETİN ARIKAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada düşük boyutlu yarıiletken sistemlerin bir örneği olan GaAs/AlxGa1-xAs kuantum kuyulu kırmızıaltı fotodedektör (QWIP) yapılarında elekronik transport olayları, teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. Yapılar GaAs/AlxGa1-xAs tabanlı olup, farklı oranlarda Al ihtiva eden, merdiven tipi QWIP olarak adlandırılan, basamaklı bariyerlere sahip n-tipi katkılı kuantum kuyuları içermektedir. Bu yapılarda elektronik transport olayları, teorik ve deneysel olarak, düşük ve yüksek elektrik ve manyetik alanlar altında çalışılmıştır. Çalışmalarda 3 farklı QWIP yapısı kullanılmıştır. Bunlardan 2 yapı, hem dik, hem de paralel transporta uygun olacak şekilde hazırlanmıştır. Böylece, aynı yapının özellikleri, dik ve paralel uygulanan elektrik alanlar altında karşılaştırılmalı olarak çalışılmıştır. Çalışmalarda, yüksek ve düşük elektrik alanlar altında I-V karakterizasyonu, Hall olayı karakterizasyonu ve magnetorezistans ölçümleri, 4-300 K sıcaklık bölgesinde gerçekleştirilmiştir. Optik karakterizasyona yönelik olarak oda sıcaklığında Fourier transformlu kırmızıaltı spektroskopi (FTIR) ölçümleri yapılmıştır. Yapılar, öncelikle teorik olarak modellenmiş, enerji band diyagramları oluşturulmuştur. Elde edilen deneysel veriler, bu teorik sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Yapıların kuantum kuyularında bir adet bağlı seviye ve bariyerlerin hemen üzerinde yarıbağlı seviyeler hesaplanmıştır. Dikey örneklerde, aktivasyon enerjilerinin 8-10 µm dalgaboyu aralığına karşılık geldiği; düşük sıcaklıklarda tünellemenin, yüksek sıcaklıklarda termal yardımlı tünellemenin ve termoiyonik emisyonun etkin transport mekanizması olduğu tespit edilmiştir. Paralel örneklerde, teorik hesaplar ve Hall ölçümleri sonucunda paralel iletkenliğin olduğu öngörülmüştür. Düşük sıcaklık ve düşük manyetik alan altında negatif magnetorezistans olayı gözlemlenmiştir. Tüm yapılarda 18-25 µm dalgaboyu aralığında, GaAs'ten kaynaklanan çoklu fonon absorpsiyonunun baskın olduğu tespit edilmiştir

Abstract:
In this work electronic transport processes have been investigated theoretically and experimentally on GaAs/AlxGa1-xAs quantum well infrared photodetector (QWIP) structures which are examples of low dimensional semiconductor systems. The structures, which are named as staircase type QWIP are based on GaAs/AlxGa1-xAs and have n-type doped quantum wells with stepped barriers including various Al concentrations. In these structures electronic transport processes have been studied at low and high electric and magnetic fields theoretically and experimentally. 3 different QWIP structures have been used in the studies. Among these, 2 structures have been prepared being suitable for both vertical and parallel transport. In this way, properties of the same structure have been studied comparatively by the applied vertical and parallel electrical fields. In these studies, I-V characterization under low and high electrical fields, Hall effect characterization and magnetoresistance measurements at the temperature range of 4-300 K have been done. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) mesurements have been done at room temperature intended for optical characterization. At first, the structures have been modelled theoretically, energy band diagrams were prepared. Experimentally obtained data have been compared with these theoretical results. In the quantum wells of the structures a bound state and just above the barriers quazibound states have been calculated. For vertical samples, activation energies corresponding to 8-10 µm wavelength have been determined. It has been determined that at low temperatures tunneling, at high temperatures thermally assisted tunneling and thermionic emission are the effective transport mechanisms for vertical samples. As the result of theoretical calculations and Hall measurements parallel conduction has been concluded for parallel samples. At low temperatures and low magnetic fields negative magnetoresistance effect has been observed. It has been determined that between 18-25 µm wavelength range, multiphonon absorption is dominant due to GaAs