Bizmut içeren III-V grubu uyumsuz yarı iletken alaşımların yapısal, optik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural, optical and electronic properties of bismuth containing III-V group highly mismatched semiconductor alloys
Yazar: TÜLİN ERUÇAR
Danışman: PROF. DR. AYŞE EROL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, GaAsBi alaşımlarının optik, yapısal ve elektriksel özelliklerine bizmut (Bi) konsantrasyonunun ve ısıl işlemin etkileri fotolüminesans, atomik kuvvet mikroskopisi, elektrostatik kuvvet mikroskopisi, taramalı elektron mikroskopisi ve Hall olayı ile incelenmiştir. %2.3 Bi içeren epitakaba GaAsBi örnekler için bant aralığı ısıl 300K'de 1.20eV'a, GaAsBi/GaAs kuantum kuyusu yapılar için etkin bant aralığının %1.8 Bi içeren yapıda 1.22eV'a ve %3.75Bi içeren yapıda 1.08 eV'a kaydığı gözlenmiştir. PL spektrumları düşük enerji kuyruğu olan asimetrik değişim sergilemiştir. PL spektrumunun bu asimetrik yapısı valans bandı üzerinde Bi ile ilişkili lokalize seviyelerin varlığı ile açıklanmıştır. Isıl işlem ile optik kalitede herhangi bir iyileşme gözlenmemiştir. Epitabaka GaAs1-xBix'in yüzeyinde gözlenen damlacıkların yapısı Atomik kuvvet mikroskobisi, elektrostatik kuvvet miksrokobisi ve taramalı elektron mikroskobisi ile incelenmiştir ve elde edilen sonuçlar yüzey damlacıklarının Ga-Bi kompozitinden oluştuğunu ortaya koymuştur. Hidroklorik ve Sülfürik ile kimyasal işlem uygulanması da yüzey damlacıklarının Ga-Bi kompozit yapısında olduğunu doğrulamıştır. Kimyasal işlem sonrasında yapılan fotolüminesans ölçüleri yüzeydeki damlacıkların kaldırılması ile ışıma şiddetinin arttığını ortaya koymuştur. Bi'un elektronik transporta etkilerinin incelenmesi için %1.66 ve %1 Bi içeren n- ve %1.55 Bi içeren p-tipi GaAs1-xBix örnekler standart fotolitografi tekniği ile Hall bar geometrisinde üretilmiştir. Örnekler  Si (n-tipi) ve Be (p-tipi) katkılanmıştır. Ancak Hall ölçümleri sadece %1.66 Bi içeren n-tipi örnek üzerinde yapılmıştır. Çünkü p tipi örneğin direnci çok yüksektir. Hall voltajı sistemin mevcut manyetik alanı ile ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bi katılması ile elektron mobilitesi oldukça düşük bulunmuştur. Elektron mobilitesinin düşük olmasının yapı içindeki Bi kaynaklı kusurların etkisi,  alaşım düzensizlikleri ve iyonize katkı saçılmalarından den kaynaklandığı düşünülmektedir.

Abstract:
This thesis, effects of bismuth  composition and thermal annealing on structural, optical and electrical properties of GaAsBi alloys have been investigated by photoluminescence (PL), atomic and electrostatic force microscopy (AFM-EFM), Scanning electron microscopy (SEM) and Hall effect measurements. The PL results at 300K have revealed that  bandgap of GaAsBi epilayer with %2.3 Bi shifts to 1.20 eV and  effective bandgap of GaAsBi/GaAs quantum well structures with 1.8% and 3.75 % Bi shifts to 1.22eV and 1.08 eV, respectively. The characteristic of PL spectra has asymmetric lineshape due to existence of Bi-related inhomogeneous located above valance band. The observed droplets on the surface of  GaAs1-xBix investigated AFM, EFM, SEM images are in the form of Ga-Bi composite. There has not observed a significant improvement following thermal annealing. In order to examine  presence of the droplet on the PL results, a chemical route has been applied. After the chemical process, droplet density decreased, and it has been observed an enhancement of PL intensity. In order to investigate the influence of Bi on electronic properties of GaAsBi, n- and p-type samples doped with the same Si (n-type), Be (p-type) doping density were defined in Hall bar shape using well-known photolithography techniques. Because the resistance of the p-type samples were measured in gigaohm range, only the n-type sample with %1.66 Bi was investigates using Hall effect measurement. The decrease in electron mobility can be explained by the presence of  Bi-related defects and effect of alloy and ionised impurity scattering on mobility in the structure.