III-V  grubu yarıiletkenlere dayalı aygıt üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of devices based on III-V  group semiconductors
Yazar: BURAK KAY
Danışman: PROF. DR. AYŞE EROL ; PROF. DR. TOLGA GÜVER
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, 1.3 µm dalgaboyu civarına duyarlı olmak üzere tasarlanmış çoklu kuantum kuyulu rezonans kaviteli Ga0.66In 0.34N0.018As0.982/GaAs ve Ga0.733In0.267N0.025As0.975/GaN0.035As0.965 SACM fotodedektör yapıları incelenmiştir. Dedektörlerin aktif bölgesi Ga1-xIn xN1-yAsy oluşmaktadır. Bariyer tabakaları ise GaAs ve GaNyAs1-y 'tir.
Fotodedektör yapıları, 9 kuantum kuyulu, 10 üst ve 15 alt, "dağıtılmış Bragg yansıtıcı'larından" (Distributed Bragg reflectors, DBRs) oluşmaktadır. Bu parametreler; fotodedektörlerin çalışacağı dalgaboyu dikkate alınarak, aktif bölge ve bariyer malzemelerinin alaşım konsantrasyonları tercih edilmiştir. Fotodedektörlerin tasarımları yapılırken; aktif bölge ve bariyer malzemesi için bant aralığı hesaplamaları, Band Anti-Crossing modeli ve Vegard yasası  kullanılarak yapılmış, iç elektrik alan dağılımları için SimWindows programından yararlanılmış ve rezonans kavitesini oluşturan DBR yapılarının yansıtıcılığı da Transfer Matris Metodu (TMM) kullanılarak hesaplanmıştır.
Fotodedektör yapıları, Moleküler Demet Epitaksi (Molecular Beam Epitaxy, MBE) büyütme yöntemi kullanılarak Tampere Teknoloji Üniversitesi Optoelektronik Araştırma Merkezi (Finlandiya) tarafından büyütülmüştür.
İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü bünyesinde bulunan Nano ve Optoelektronik Araştırma Laboratuvarları altında, İleri Litografik Yöntemler Laboratuvarı olanakları kullanılarak bu fotodedektör yapılarının 125 - 650 µm çaplarda mesa yapı litografik teknikler kullanılarak fabrikasyonu yapılmıştır. 	
Fotodedektörlerin elektronik ve optik karakterizasyonları da yine aynı araştırma laboratuvarları bünyesinde Nano ve Optoelektronik Araştırma Laboratuvarı olanakları kullanılarak yapılmıştır. Oda sıcaklığında akım-voltaj ve spektral fotoakım ölçümleri yapılarak, fotodedektörlerin karanlık akım limitleri, duyarlılıkları ve kuantum verimlilikleri belirlenmiştir.
Rezonans kaviteli 9 kuantum kuyulu Ga0.66In 0.34N0.018As0.982/GaAs SACM fotodedektör için kuantum verimi 1274 nm'de maksimum değerini almış, duyarlılık ise 13 mA/W olarak hesaplanmıştır. FWHM 5 nm olarak belirlenmiştir. Kuantum verimliliği maksimum dalgaboyunda ve -1 V geri besleme altında % 1,34 olarak elde edilmiştir. Rezonans kaviteli 9 kuantum kuyulu Ga0.733In0.267N0.025As0.975/GaN0.035As0.965 SACM fotodedektöründe kuantum verimi 1282 nm'de maksimum değerini almış, duyarlılık ise 64 mA/W olarak hesaplanmıştır. FWHM 5 nm olarak belirlenmiştir. Kuantum verimliliği maksimum dalgaboyunda ve -1 V geri besleme altında % 6,27 olarak elde edilmiştir. Rezonans kaviteli 9 kuantum kuyulu Ga0.733In0.267N0.025As0.975/GaN0.035As0.965 p-i-n eklem çığ fotodedektörü için kuantum verimi 1296 nm'de maksimum değerini almış, duyarlılık ise 8 mA/W olarak hesaplanmıştır. FWHM 5 nm olarak belirlenmiştir. Kuantum verimliliği maksimum dalgaboyunda ve 0 V geri besleme altında % 0,79 olarak elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar kıyaslanmış ve yorumlanmıştır.

Abstract:
In this study,  multi-quantum well resonant cavity Ga0.66In 0.34N0.018As0.982/GaAs and Ga0.733In0.267N0.025As0.975/GaN0.035As0.965 SACM photodetector structrues which are sensitive to 1.3 µm wavelength have been investigated. The active region of the detector is consists of Ga1-xIn xN1-yAsy. Barrier layer is GaAs and GaNyAs1-y.

Photodetector structures consist of 9 quantum wells, 10 top and 15 bottom "Distributed Bragg Reflectors" (DBRs). These values were determined depending on  materials of active region and  barrier  as well as alloy concentrations of these materials. In the modeling process of the photodetector structures, Band Anti-Crossing Model and Vegard's Law were utilized for calculations of  active region and barrier materials. On the other hand, SimWindows has been used for internal electric field distributions and DBR structures that provide resonance cavity were calculated using Transfer Matrix Method (TMM).

Photodetector structures were grown by the Tampere University of Technology Optoelectronics Research Center (Finland) using the Molecular Beam Epitaxy (MBE) Magnification method were fabricated as mesa structure with a diameter of 125 - 650 µm by using facilities of Advanced Lithography Laboratories/Istanbul University Science Faculty Physics Department.

Electronic and Optical characterizations were also carried out  using the facilities of Nano and Optoelectronics Research Laboratory within the same research laboratories.  Dark current, responsivity and quantum efficiencies of the photodetectors were obtained by current-voltage and photocurrent measurements at room temperature. 

Resonant cavity 9 QWs Ga0.66In 0.34N0.018As0.982/GaAs SACM photodetector structure, the quantum efficiency was calculated as maximum value at 1274 nm and responsivity was calculated as 13 mA/W. The FWHM has been determined at 5 nm. The quantum efficiency (QE) of %1.34 has been achieved at -1 V. Resonant cavity 9 QWs Ga0.733In0.267N0.025As0.975/GaN0.035As0.965 SACM photodetector structure, the quantum efficiency was calculated as maximum value at 1282 nm and responsivity was calculated as 64 mA/W. The FWHM has been determined at 5 nm. The quantum efficiency (QE) of  %6.27 has been achieved at -1 V. Resonant cavity 9 QWs Ga0.733In0.267N0.025As0.975/GaN0.035As0.965 p-i-n photodetector structure, the quantum efficiency was calculated as maximum value at 1296 nm and responsivity was calculated as 8 mA/W. The FWHM has been determined at 5 nm. The quantum efficiency (QE) of  %0.79 has been achieved at 0 V. All obtained results are presented by comparing with the literature.