Galyum oksit ince filmlerinin heteroepitaksiyel olarak büyütülmesi
Heteroepitaxial growth of gallium oxide thin films
Yazar: DOĞUKAN TANER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH AKYOL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Güç elektroniği teknolojisinin gelişimi, yakın gelecekte enerji tasarrufu için gerekli olan güç cihazlarının performansı ile yakından ilgili olan yüksek verimli güç anahtarlaması amacıyla çok önemlidir. Yüksek çalışma voltajı ve yüksek enerji dönüşüm verimliliği elde etmeyi amaçlayan SiC ve GaN gibi geniş bant aralıklı malzemeler, güç elektroniği sistemlerinin güç yoğunluğunu ve verimini etkin bir şekilde artıran sistematikler olarak çalışılmış ve çalışılmaya devam edilmektedir. Güç elektroniği üzerine son zamanlarda yapılan çalışmalar, ultra geniş bant aralıklı yarı iletkenleri (galyum oksit (Ga2O3), alüminyum nitrür (AlN)) konu alarak devam etmiştir.
Monoklinik β-Ga2O3'e olan merak, eriyik halde büyütme teknikleri ile ultra geniş bant aralıklı (~4.8 eV) bir yarı iletkenin sahip olduğu yüksek sıcaklıktaki stabilitesi sayesinde yüksek kaliteli büyüme özelliğinden kaynaklanmaktadır. Karmaşık cihaz yapısı ince film büyümeleri gerektirdiğinden, bu konuda yapılan deneyler devam etmektedir. Yüksek kaliteli β-Ga2O3 yetiştirmek için çeşitli büyütme teknikleri kullanılmıştır; bunlardan biri, özellikle β-Ga2O3'ün çok daha ucuz safir substratlar üzerinde heteroepitaksiyal büyümesi için kullanılan düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirmedir.
Tez kapsamında yapılan çalışmalarda, kalitesi yüksek β-Ga2O3 ince filmler büyütmek için özelleştirilmiş bir LPCVD reaktörü kullanıldı. Oksijen ve taşıyıcı gazların akışı, büyümenin gerçekleştirildiği sıcaklık, basınç ile birlikte substrat - Ga pota mesafesi ilave edilmek üzere temel büyüme parametrelerine odaklandık. β-Ga2O3 ince filmleri tek kristal halde ve (-201) yönelimli olarak ölçüldü. Çalışmalar sonucunda, büyüme yapılmış yüzeyin optimize edilmiş şartlar altında atomik olarak düz bir teras yapısında olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca absorpsiyon spektrumları, beklendiği üzere, filmlerin bant aralığını 4.7-4.8 eV dolaylarında göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: Düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme, bant aralığı, boşluk hareketliliği, güç elektroniği

Abstract:
The development of power electronics technology is very important for the purpose of high efficiency power switching, which is closely related to the performance of power devices, necessary for energy saving in the near future. Wide-bandgap materials such as SiC and GaN, which aim to achieve high operating voltage and high energy conversion efficiency, have been and continue to be studied as systematics that effectively improve the power density and efficiency of power electronics systems. Recent work on power electronics has continued with ultra-wide band gap semiconductors (gallium oxide (Ga2O3), aluminum nitride (AlN)).
Curiosity for monoclinic β-Ga2O3 stems from its high-quality growth properties, thanks to the high-temperature stability of an ultra-widebandgap (~4.8 eV) semiconductor with melt-growth techniques. Experiments on this subject are ongoing, as the complex device structure requires thin-film growths. Various growth techniques have been used to grow high quality β-Ga2O3 one of which is low pressure chemical vapor deposition utilized especially for heteroepitaxial growth of β-Ga2O3 on much cheaper sapphire substrates.
In the studies for the thesis, a customized LPCVD system was used to produce high quality β- Ga2O3 thin films. We focused on studies of key growth parameters, including oxygen/carrier gas flow rates, growth temperature, pressure, and substrate - Ga crucible distance. β-Ga2O3 thin films were measured to be single crystal and (-201) oriented. As a result of the experiments, the growth surface appeared in an atomically flat terrace structure under optimized conditions. Also the absorption spectra reveal the band gap of the films around 4.7-4.8 eV, as expected.

Keywords: Low pressure chemical vapor deposition, band gap, gap mobility, power electronics