ZnO tabanlı fotodedektör tasarımı, fabrikasyonu ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterisation of a ZnO-based photodetector
Yazar: ÜMİT DOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KAMURAN KARA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotodedektörler = Photodetectors ; Fotoiletkenlik = Photoconductivity ; Metal-yarı iletken sistemler = Metal-semiconductor systems ; Yarı iletken ince filmler = Semiconductor thin films ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
Tez çalışması kapsamında atmalı filtreli katodik vakum ark depolama (Pulsed Filtered Carhodic Vacuum Ark Depositon, PFCVAD) yöntemi ile büyütülmüş farklı tavlama sıcaklıklarına sahip n-tipi çinko oksit (ZnO) ince film örneklerin yapısal özellikleri, optik ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. ZnO ince film örneklerin Hall ölçümleri yapılmıştır ve ince film örneklerin taşıyıcı konsantrasyonları, özdirençleri ve mobiliteleri belirlenmiştir. Hall Olayı ölçümü sonucunda elde edilen veriler tavlama sıcaklıklarına bağlı olarak karşılaştırılmıştır. ZnO ince filmlerin geçirgenlik ölçümleri yapılmış ve bu ölçüm sonuçlarından yararlanılarak enerji bant aralığı hesapları yapılmıştır. Daha sonrasında tavlama sıcaklıklarına bağlı olarak ZnO ince filmlerin enerji bant aralıkları karşılaştırılmıştır. ZnO ince film örneklerin XRD ve SEM ölçümleri alınmış ve alınan ölçümlerden ZnO'nun tanecik büyüklükleri hakkında bilgiler elde edilmiştir. Örneklerin EDS ölçümleri yapılmış ve elemental kompozisyonları hakkında bilgiler elde edilmiştir.
Çalışma kapsamında incelenen n-tipi ZnO ince film örnekler tarak şekilli (Inter Digital Transducer, IDT) maske kullanılarak fabrikasyon sürecinden geçmiştir ve metal-yarıiletken-metal (Metal Semiconductor Metal, MSM) fotodedektör yapısında aygıt fabrikasyonu yapılmıştır. Üretilen MSM fotodedektörlerin optiksel ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. MSM fotodedektörler solar simülatör lambası altında filtresiz ve 370 nm filtre kullanılarak +5 V besleme voltajı altında fotoiletkenlik ve -5 V - +5 V aralığında akım-voltaj (I-V) ölçümleri yapılmıştır. Alınan ölçüm sonuçları ile fotodedektörün dedektör parametreleri belirlenmiş ve bulunan sonuçlar tavlama sıcaklıklarına bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Fotodedektörün ideal çalışma besleme gerilimini belirlemek adına 0.25 V – 5 V arası besleme gerilimi altında 0.25 V besleme gerilimi aralıkları ile fotoiletkenlik ölçümleri alınmıştır.
Tez çalışması kapsamında incelenen tüm örnekler PFCVAD yöntemi ile Çukurova Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü'nde büyütülmüştür. ZnO ince film örneklerin geçirgenlik, XRD ve Hall Olayı ölçümleri yine Çukurova Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü'nde yapılmıştır. Tez kapsamında incelenen tüm MSM ZnO fotodedektörlerin fabrikasyonunda litografi yöntemlerinden fotolitografi yöntemi kullanılmıştır. Fabrikasyon süreci İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü Nano ve Optoelektronik Araştırma Laboratuvarı bünyesi altında yer alan İleri Litografik Yöntemler Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında fabrikasyonu yapılan tüm ZnO MSM fotodedektör örneklerin optiksel ve elektriksel karakterizasyonları için yapılan tüm ölçümler yine İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü bünyesinde yer alan Nano ve Optoelektronik Araştırma Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The structural, optical and electrical properties of the n-type zinc oxide (ZnO) thin film samples with different annealing temperatures grown by pulsed filtered cathodic vacuum arc deposition have been investigated within the scope of this thesis work. Utilizing the hall measurements, a carrier concentrations, resistivity and mobility of ZnO thin film samples were obtained. The data obtained as a result of Hall Effect measurement were compared based on different annealing temperatures. By using the results of transparency measurements of ZnO thin films, the band gap energy has been calculated and further the obtained data were compared based on different annealing temperature. The information about a grain sizes of ZnO in thin films was obtained from the XRD and SEM measurements. The informations about elemental composition of samples was obtained from EDS measurements.
The n-type ZnO samples analyzed within the scope of the study went through the interdigital electrode mask fabrication process where device fabrication was carried out in the metal-semiconductor-metal (Metal Semiconductor Metal, MSM) photodetector structure. The optical and electrical properties of the fabricated MSM photodetectors were also analyzed. The MSM photodetectors were studied under solar simulator lamp without filter and also under 370 nm filter, photoconductivity was analyzed under +5 V supply voltage and current-voltage (I-V) measurements were performed between range of -5 V and +5 V. As a result of aforementioned measurements the detector parameters were determined and were compared based on different annealing temperatures. The photoconductivity measurements were performed with 0.25 V intervals in supply voltage range of 0.25 V to -5 V in order to determine an ideal working supply voltage of photodetector.
All samples analyzed within the scope of this thesis have been grown by PFCVAD method in the Physics Department at Çukurova University, Faculty of Science. The transparence measurements, XRD and Hall Effect measurements of ZnO thin film samples were carried out in the Physics Department of Çukurova University. Throughout this thesis work all ZnO MSM photodetectors were fabricated by employing the photolithography, one of widely used lithography methods. The fabrication process was carried out in the Advanced Lithographic Methods Laboratory, which is under constitution of the Nano and Optoelectronic Research Laboratory at Istanbul University, Faculty of Science. The optical and electrical characterization of all ZnO MSM type photodetector samples fabricated within the scope of thesis were carried out at the Nano and Optoelectronics Research Laboratory at Istanbul University, Physics Department.