P-n ve p-i-n temelli aygıtların üretimi ve fotodiyot karakteristiklerinin incelenmesi
Production of p-n and p-i-n based devices and investigation of photodiode characteristics characteristics
Yazar: AHMED ALI AREEBI ALARABI
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN ÇİÇEK
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Heteroyapı ayırt edici bir özelliği, güneş hücreleri, diyotlar ve transistörler gibi birçok elektronik ve optoelektronik aygıtda kullanılabilmeleridir. Bu bağlantılar, malzeme özellikleri, karanlık, ışık ve sıcaklık gibi farklı koşullara bağlı olarak yanıtlarını değiştirebilirler. Bu tezde, farklı inorganik alt tabakalar üzerine p-PMItz (poli(3-metiltiofen)) organik yarı iletken katmanını kullanarak diyotların üretimi ve karakterizasyonuna odaklanılmıştır. Bu alt tabakalar arasında n-Si (n-tipi silikon), n-4HSiC (n-tipi 4H silikon karbür) ve p-PMItz/i-SiO2/n-Si konfigürasyonunda yer alan içsel bir SiO2 (silisyum dioksit) katmanı bulunmaktadır. Üretilen bu diyotlar Aygıt A; B; C; D; E ve F olarak adlandırılmıştır. Ayrıca, değiştirilmiş yapılar sayesinde aygıtların algılama kapasitesini artırmak amacıyla farklı anot kontaklar kullanılarak üretilmişlerdir. Kapsamlı bir karşılaştırma çalışması olarak, p-n ve p-i-n dikey diyotların farklı heteroyapı konfigürasyonları ile karanlık koşullar altında ilk olarak incelenmiştir. Akım-gerilim ve dielektrik özellikleri analiz edilerek bu diyot konfigürasyonları arasındaki performans farklılıkları ortaya konulmuştur. Heteroyapı arayüzleri ve bant yapıları aygıt davranışına olan etkisi araştırılmış, bu yapılar içerisindeki yük taşıma mekanizmalarına ışık tutulmuştur. Bulgularımız, p-n ve p-i-n diyotlar için aygıt özelliklerinde belirgin eğilimler göstermekte olup, heteroyapı tasarımının aygıt performansını optimize etmede önemli bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. Bu karşılaştırmalı analiz, çeşitli optoelektronik uygulamalar için verimli organik-inorganik diyotların geliştirilmesi için değerli bilgiler sunmaktadır. Fotodiyot üretimi ile ilgili çok önemli bir konu olan ışığa karşı duyarlılık kapasitesinin nedeniyle bu çalışma, farklı anot kontaklar kullanılarak algılama kapasitesi artırılmış, UV-vis p-n ve p-i-n dikey kendinden beslemeli fotodiyotları içermektedir. p-PMItz/n-Si, p-PMItz/n-4HSiC ve p-PMItz/i-SiO2/n++-Si heteroyapılarına dayanan bu fotodiyotlarda, temel elektronik parametreler, I-V verilerinden termiyonik emisyon (TE) teorisi ve Ohm yasası kullanılarak elde edilmiştir. Literatüre uygun olarak, sonuçlar artan ışık yoğunluğu ile potansiyel bariyer yüksekliği (ФBo) değerlerinin azaldığını, idealite faktörü (n) değerlerinin ise arttığını göstermiştir. Ayrıca, karanlık ve farklı UV-vis ışık yoğunlukları altında fotodiyotların gerilim bağımlı seri direnç (Rs) değerleri Ohm yasası kullanılarak hesaplanmıştır. Rs değerlerinin artan ışık yoğunluğu ile azaldığı gözlemlenmiştir. Öte yandan, UV-vis ışık yoğunlukları altındaki fotodiyotların fotoduyarlı (PS) özellikleri uygulanan gerilime bağlı olarak incelenmiştir. Üretilen Aygıt B'nin (PS) değeri, kısa devre voltajı Vsc =0V'da maksimum 4,05x104 değerine ulaşırken, açık devre voltajı Voc, kendinden beslemeli modda minimum 0,058 değeri ile daha iyi fotoduyarlılık sergilemiştir. Ayrıca, fotodiyotların duyarlılık (R) ve algılama kapasitesi (D*) değerleri hesaplanmıştır. Literatüre uygun olarak, sıfır-ön gerilim voltajında artan güç yoğunluğu ile R ve D* değerlerinin azaldığı görülmüştür. Ayrıca, Aygıt B'nin R ve D* değerleri diğer aygıtlardan sırasıyla daha yüksek ve daha düşük seviyelerdedir. Aygıt A'nın doğrusal dinamik aralık (LDR) değeri, Vbias = 0V'da maksimum değerle ~92 dB'ye ulaşırken, karanlık akımı minimum değerle 0,038 nA olarak gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, Aygıt B'nin kendinden beslemeli modda fotodiyot uygulamaları için uygun olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
A distinguishing of hybrid junctions can be used in many electronic and optoelectronic devices, such as solar cells, diodes, and transistors, is that they have changed their response under a deferent condition as a material, dark, light and temperature.  This thesis focused on fabrication and characterization of diodes  utilizing p-PMItz (poly(3-methylthiophene)) as the organic semiconductor layer interfacing with different inorganic substrates, including n-Si (n-type silicon), n-4HSiC (n-type 4H silicon carbide), and incorporating an intrinsic SiO2 (silicon dioxide) layer in the p-PMItz/i-SiO2/n-Si configuration, these fabricated diodes are referred as Devices A; B; C; D; E and F, in addition,  according to the modified structures, were produced for increasing the sensing capacity using distinct Schottky contact. 
A comprehensive comparison study between p-n and p-i-n vertical diodes employing diverse heterojunction configurations under dark conditions as the first step. The current voltage and dielectric characteristics are analyzed to discern the performance discrepancies among these diode configurations. The influence of heterojunction interfaces and band alignments on device behavior is investigated, shedding light on the charge transport mechanisms within these structures. Our findings reveal distinct trends in device characteristics for p-n and p-i-n diodes, highlighting the significance of heterojunction design in optimizing device performance. This comparative analysis offers valuable insights for the development of efficient organic–inorganic hybrid diodes tailored for various optoelectronic applications. 
A very important topic concerning photodiodes fabrication is sensing capacity to a light, in this reason, this work contains study of ultraviolet-Vissible p-n and p-i-n Vertical Self-Powered Photodiodes based on p-PMItz/n-Si, p-PMItz/n-4HSiC and p-PMItz/i-SiO2/n-Si Heterojunctions with with Increased Sensing Capacity Using Distinct anot contacts, Basic electronic parameters were obtained from the I-V data of the PDs by using thermionic emission (TE) theory and Ohm's law. In accordance with the literature, the results showed that the potential barrier height (ФBo) values decreased with the increasing illumination intensity, while the ideality factor (n) values increased. In addition, voltage-dependent series resistance (Rs) values of the PDs under dark and different UV-vis light intensities were calculated by using Ohm's laws. It was observed that the Rs values decreased with increasing light intensities. On the other hand, the photosensitivity characteristics of the PDs at UV-vis light intensities were investigated depending on the applied voltage. While the photosensitivity value of the produced Device B device reached the maximum value of 4.05x104 at the short-circuit voltage Vsc =0V, the open-circuit voltage Voc showed better photosensitivity with a minimum value of 0.058 in the self-powered mode. In addition, the responsivity (R) and the detectivity (D*) values of the PDs were calculated. Herein, the R and D* values decreased with increasing power density at zero-bias voltage in accordance with the literature. Also, the R and D* values of Device B are higher and lower than those of other devices, respectively. The linear dynamic range (LDR) value of the device A reaches ~92 dB with a maximum value at Vbias=0V, while the dark current is 0.038nA with a minimum value, self-powered mode. It is concluded that the device B is suitable for photodiode applications in self-powered mode.