Ga2O3/p-Si P-N hetero eklemli UV fotodedektörlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of Ga2O3/p-Si P-N hetero junction UV photodetectors
Yazar: UĞUR HARMANCI
Danışman: PROF. DR. MEHMET TAHİR GÜLLÜOĞLU ; PROF. DR. ABDULLAH YILDIZ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Fotodedektörler = Photodetectors ; Yarı iletken düzenek = Semiconductor device ; Yarı iletken filmler = Semiconductor films ; Yarı iletkenler = Semiconductors

Özet:
Ultra geniş bant aralıklı (Ga2O3), kimyasal ve termal kararlılığı, opto-elektronik ve güç elektroniğinde kullanılan cihazlara yönelik çeşitli potansiyel uygulamaları nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmüştür. Çözelti bazlı sentez, düşük sıcaklıklarda yüksek verim sağlayan basit ve uygun maliyetli bir sentez yöntemidir. Bu tez çalışmasında sol-jel spin-kaplama yöntemiyle p-Si alt taşlar üzerine n-β-Ga2O3 ince filmleri kaplanmıştır. Katkılı ve katkısız β-Ga2O3 ince filmler kullanılarak n-Ga2O3:X/p-Si (X: W+4, Ti+4, Sb+4, Zn+2, Sn+4) UV güneş körü fotodedektörler (GKFD) üretilmiştir. Katkı maddelerinin türünün ve oranının, fotodedektörün (FD) optik, atomik, yüzey morfolojileri ve elektriksel özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır. Bu araştırmalarda X-ışını kırınım spektrumları (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri, UV-Vis spektroskopisi ölçümlerinden faydalanılmıştır. Üretilen fotodedektörlerin elektriksel karakterizasyonları akım-voltaj (I-v) ölçümleri ile araştırılmıştır. Ga2O3, galyum kaynağı olarak kullanılan galyum (III) nitrat hidrat ile çözelti sentezi yöntemi ile başarıyla sentezlenmiştir. Ardından yapılan ısıl tavlama işlemiyle, Ga2O3 bileşiğindeki Ga elementi ve O elementi oranında iyileşmeler gösterirken, özellikle yüksek sıcaklıkta β-Ga2O3 fazına dönüştüğü gözlenmiştir. UV-Vis analizleri, aynı kalınlıktaki katkılı ve katkısız β-Ga2O3 ince filmlerin benzer geçirgenlik spektrumu sergilediğini göstermiştir. 280 nm'nin altındaki derin ultraviyole bölgesinde azaltılmış geçirgenlik filmlerin bir GKFD yayıcı tabakası olarak kullanılabileceği göstermiştir. Katkılı ve katkısız β-Ga2O3 cihazlarının optoelektronik performansını araştırmak için karanlıkta ve ışık altında akım-voltaj (I-V) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. GKFD davranışını anlamak için n-β-Ga2O3 ve p-Si arasında meydana gelen hetero eklem, ters besleme altında bant konumlarının yeniden düzenlenmesi yoluyla niteliksel incelenmiştir. Sonuçlar, katkılama ile fotoakımın, doğru ve ters besleme bölgesi altında aynı anda arttığını ve katkıların eklenmesinden sonra n-β-Ga2O3/p-Si hetero eklemlerde bağlantı kalitesinin daha iyi hale geldiği göstermiştir. Zamansal tepki ölçümleri, katkılı n-β-Ga2O3/p-Si p-n hetero eklem tabanlı fotodedektörün yanıtının katkı maddesine göre değişkenlik gösterdiğini ortaya çıkarmıştır. Tepki süresi iyileşmesi, kusur durumlarının bastırılmasından dolayı ışıkla uyarılmış taşıyıcıların hızlıca ayrılmasına ve göçüne veya ışıkla uyarılmış taşıyıcıları verimli bir şekilde ayırabilen güçlü p-n bağlantısına atfedilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, basit, düşük maliyetli ve yüksek performanslı β-Ga2O3 güneş körü fotodedektörler imal etmek için bir yol sağlayacağını göstermiştir.

Abstract:
Ultra-wide band gap (Ga2O3) has attracted much attention in recent years due to its chemical and thermal stability and various potential applications for devices used in opto-electronics and power electronics. Solution-based synthesis is a simple and cost-effective synthesis method that provides high efficiency at low temperatures. In this thesis study, n-β-Ga2O3 thin films were coated on p-Si substrates by sol-gel spin-coating method. n-Ga2O3:X/p-Si (X: W+4, Ti+4, Sb+4, Zn+2, Sn+4) UV solar- blind photodetectors (SBPD) were produced by using doped and undoped β-Ga2O3 thin films. The effect of the type and ratio of dopants on the optical, atomic, surface morphologies and electrical properties of the photodetector (PD) was investigated. In these researches, X-ray diffraction spectra (XRD), scanning electron microscopy (SEM) analyses, and UV-Vis spectroscopy measurements were used. Electrical characterization of the produced photodetectors was investigated by current-voltage (I-v) measurements. Ga2O3 has been successfully synthesized by the solution synthesis method with gallium (III) nitrate hydrate used as the gallium source. With the subsequent thermal annealing process, improvements were observed in the ratio of Ga element and O element in the Ga2O3 compound, while a transformation to β-Ga2O3 phase was observed, especially at high temperatures. UV-Vis analyzes showed that doped and undoped β-Ga2O3 thin films of the same thickness exhibited similar transmittance spectra. It has been shown that reduced transmittance films in the deep ultraviolet region below 280 nm can be used as a SBPD emitter layer. To investigate the optoelectronic performance of doped and undoped β-Ga2O3 devices, current-voltage (I-v) measurements were carried out in the dark and under light. To comprehend SBPD behavior, the heterojunction occurring between n-β-Ga2O3 and p-Si was qualitatively examined through realignment of band positions under reversed bias. The results showed that with doping, the photocurrent increased simultaneously under the forward and reverse feed region, and the junction quality in n-β-Ga2O3/p-Si heterojunctions became better after the addition of dopants. Temporal response measurements revealed that the response of the doped n-β-Ga2O3/p-Si p-n heterojunction based photodetector varies depending on the type of dopant. The response time improvement has been attributed to the rapid separation and migration of photoexcited carriers due to suppression of defect states or the strong p–n junction that can efficiently separate photoexcited carriers. The results of this study demonstrate that it will provide a way to fabricate simple, low-cost, and high-performance β-Ga2O3 solar-blind photodetectors.