Vanadyum oksit tabanlı kızılötesi dedektör geliştirilmesi
Development of vanadium oxide-based infrared detector
Yazar: MELTEM DÖNMEZ KAYA
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇAKMAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Vanadyum oksit (VOx) bileşiklerinden VO2 ve V2O5 formundaki ince filmler, dirençlerinin sıcaklık katsayısının yüksek olması sayesinde soğutmasız kızılötesi dedektörlerde aktif malzeme olarak tercih edilmektedir. Ayrıca VOx filmleri Schottky diyot gibi elektronik aygıtların geliştirilmesinde de kullanılmaktadır. Fiziksel kaplama sistemleri ile polikristal olarak üretilebilen VOx filmlerinin, düşük direnç ve direncin sıcaklık katsayısının yüksek değerde olacak şekilde elde edilmesi kaplama süreçlerinin geliştirilmesine bağlıdır. Bu tez çalışmasında magnetron püskürtme tekniği kullanılarak büyütme süreçlerinin optimizasyonu ile VOx ince filmleri geliştirilerek karakterize edildi. Ayrıca kaplama sonrası ısıl etkinin filmlerin karakteristiklerine etkisi belirlendi. Bu kapsamda, ilk olarak, oda sıcaklığında, 30 mTorr çalışma basıncı altında n-Si ve korning cam alttaşlar üzerine 75 nm kalınlıklı V2O5 ince filmler biriktirildi. Tavlama sıcaklığının filmler üzerindeki etkisini gözlemlemek amacıyla geliştirilen filmler 300 ˚C ve 500 ˚C'de tavlandı. Elde edilen filmlerin yapısal, morfolojik ve optik özellikleri araştırıldı. Direnç ve direncin sıcaklık katsayısı açısından 500 ˚C'de tavlanan filmlerin avantajlı olduğu belirlendi. Bu veriler doğrultusunda 500 ˚C alttaş sıcaklığında ve 400 nm kalınlıklı V2O5 filminin elektronik aygıt ve kızılötesi uygulamalar için uygun olduğu belirlendi. Geliştirilen bu filmin aygıt uygulamasına bir örnek olarak metal/V2O5/Si (metal: Al, Au ve Ti) Schottky diyotları üretilerek karakterize edildi. İkinci olarak, 350 ˚C alttaş sıcaklığında n-Si ve korning cam alttaşlar üzerine farklı kalınlıklarda ve farklı kaplama basınçlarında VO2 ince filmler üretildi. Yapısal, morfolojik, optik ve elektriksel özellikleri araştırıldı. Film kalınlığının ve kaplama basıncının filmler üzerine etkisini araştırmak üzere yapılan bu çalışmada uygun film kalınlığı ve kaplama basıncı sırasıyla 150 nm ve 10 mTorr olarak belirlendi. Geliştirilen filmlerin kızılötesi algılamaya uygunluğunu belirlemek hedefiyle, bir örnek olarak, kristalinitesi yüksek, iyi optik ve elektriksel özelliklere sahip, düzgün morfolojide olan VO2 ince filmi interdijital olarak geliştirilen Au elektrotlar üzerine kaplanarak kızılötesi dedektör prototipi üretildi. Üretilen kızılötesi dedektörün TCR değerinin -1 %K-1 civarında olduğu belirlendi. Elde edilen bu duyarlılığın ticari kızılötesi dedektörlerin özelliklerine oldukça yakın olduğu değerlendirildi. Araştırmalar sonucunda, ince filmlerin üretimi, aygıt üretim süreçlerinin optimizasyonu ve tasarım başarısı, VOx ince film teknolojisine dayalı kızılötesi dedektör geliştirilmesinde ülkemize önemli bir katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Thin films form of VO2 and V2O5 from vanadium oxide (VOx) compounds are preferred as an active material in uncooled infrared detectors due to their high temperature coefficient of resistance. In addition, VOx films are used in the development of electronic devices such as Schottky diodes. Obtaining VOx films, which can be produced as polycrystalline with physical coating systems, with low resistance and high temperature coefficient of resistance depends on the development of coating processes. In this thesis, VOx thin films were developed and characterized by optimization of deposition processes using the magnetron sputtering technique. In addition, the effect of thermal effect on film characteristics after coating was determined. In this context, firstly, thickness of 75 nm V2O5 thin films were deposited on n-Si and corning glass substrates at room temperature under 30 mTorr working pressure. The developed films to observe the effect of annealing on the films were annealed at 300 ºC and 500 ˚C. The structural, morphological and optical properties of the obtained films were investigated in detail. It was determined that films annealed at 500 ˚C were advantageous in terms of resistance and temperature coefficient of resistance. Based on these data, it was determined that the V2O5 film with 500 ˚C substrate temperature and 400 nm thickness is suitable for electronic device and infrared applications. As an example of the device application of this developed film, were characterized by producing metal/V2O5/Si (metal: Al, Au and Ti) Schottky diodes. Secondly, VO2 thin films were deposited with different thicknesses and different coating pressures on n-Si and corning glass substrates at 350 ºC substrate temperature. The structural, morphological, optical and electrical properties were investigated. In this study conducted to investigate the effect of film thickness and coating pressure on films, the appropriate film thickness and coating pressure were determined as 150 nm and 10 mTorr, respectively. In order to determine the suitability of the developed films for infrared detection, as an example, an infrared detector prototype was produced by coating the VO2 thin film with high crystallinity, good optical and electrical properties and uniform morphology on Au electrodes developed interdigitally. It was determined that the TCR value of the infrared detector produced in the thesis was around -1 % K-1. This sensitivity was evaluated to be very close to the characteristics of commercial infrared detectors. As a result of researches, it is thought that the production of thin films, optimization of device production processes and design success will make a significant contribution to our country in the development of infrared detectors based on VOx thin film technology.