Atomik katman biriktirme tekniği kullanılarak opto-elektronik cihaz üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of opto-electronic device by atomic layer deposition method
Yazar: NURİYE KAYMAK
Danışman: PROF. DR. ELİF ORHAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Atomik katman biriktirme = Atomic layer deposition ; CVD = CVD ; Grafen = Graphene ; Melez = Hybrid ; Schottky diyodları = Schottky diodes

Özet:
Bu tez çalışmasında, grafenin (Gr) üstün özelliklerini yarıiletken teknolojisiyle birleştiren bir aygıt geliştirmek üzere, Gr'in üretimindeki zorlukların aşılabilmesi, hibrit yapılarla entegrasyonun sağlanması, üretilen Gr esaslı Schottky diyotların elektriksel, yapısal olarak karakterize edilmesi ve gama ışınımının grafen esaslı aygıt performansına etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu bağlamda öncelikli olarak iki boyutlu (2D) Gr nanotabakalar, Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) tekniği ile bakır (Cu) folyo üzerinde başarılı bir şekilde üretildi. Raman ve TEM (Geçirimli Elektron Mikroskobu) analizleri, 2D Gr nanotabakaların elde edildiğini doğruladı.  Gr'nin hibrit yapılarla entegre edilmesindeki zorluğun üstesinden gelmek için, Atomik Katman Biriktirme (ALD) tekniği ile p-tipi (silikon) Si alttaş üzerine farklı oksit tabakaları (çinko oksit (ZnO) ve alüminyum oksit (Al2O3)) biriktirildi ve ardından Gr nanotabakalar bu hibrit yapılara ıslak transfer tekniği ile aktarıldı. Transfer işleminin ardından saçtırma yöntemi kullanılarak omik ve doğrultucu kontaklar oluşturuldu. Oksit tabakalı Schottky yapıların elektriksel özelliklerini incelemek için frekansa ve sıcaklığa bağlı akım-voltaj (I-V) ve kapasitans/iletkenlik-voltaj (C/G-V) ölçümleri karanlık ortamda gerçekleştirildi. Arayüzey durumları (Dit) ve seri direnç (Rs) etkilerini incelemek için de elde edilen C/G-V verileri kullanıldı. Ayrıca, gama ışınımının Gr esaslı Gr/Al2O3/p-Si Schottky yapının aygıt performansına etkisini araştırmak için aygıt gama ışınları ile 30 kGy ve 60 kGy dozlarda ışınlandı. Işınlanmamış ve ışınlanmış cihazların idealite faktörü (n), bariyer yüksekliği (ϕb) ve seri direnç (Rs) gibi diyot parametreleri, Termiyonik Emisyon (TE) ve Cheung yöntemleri kullanılarak I- V verilerinden elde edildi ve birbirleriyle karşılaştırıldı. Işınlama sonrası cihazın ϕb değerinin arttığı ve Rs değerlerinin ışınlama dozu ile doğru orantılı ve sıcaklıkla ters orantılı olarak değiştiği görüldü. Tezde elde edilen sonuçlara göre, Schottky bağlantılarında şeffaf bir metal kontak olarak Gr'nin kullanılmasının Gr/metal elektrot arayüzeyinde bir dipol tabakası şeklinde bir elektrostatik bariyer oluşturduğu ve yük transferiyle sonuçlandığı görüldü. Gr/Si arayüzeyinde yüksek dielektrik katsayılı bir oksit tabakasının olmasının sadece arayüzeyindeki rekombinasyonu azaltmakla kalmayıp, arayüzde kalın doğal oksit oluşumunu sınırladığı, daha yüksek bir Schottky bariyeri oluşturduğu görülmüştür.  Bu tez çalışmasında kapsamında elde edilen sonuçlar, üretilen aygıtların yakın kızılötesi (NIR) aktif 2D Gr temelli yarıiletken cihaz uygulamalarında kullanılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, to develop a device that combines the superior properties of graphene (Gr) with semiconductor technology, it is aimed to overcome the difficulties in the production of Gr, to provide integration with hybrid structures, to electrically and structurally characterize the produced Gr-based Schottky diodes and to investigate the effect of gamma radiation on graphene-based device performance. In this context, firstly, two-dimensional (2D) Gr nanosheets were successfully synthesized on copper (Cu) foil by Chemical Vapor Deposition (CVD) technique. Raman and TEM (Transmission Electron Microscopy) analyses confirmed that 2D Gr nanosheets were obtained.  To overcome the difficulty in integrating Gr with hybrid structures, different oxide layers (Zinc oxide (ZnO) and aluminium oxide (Al2O3)) on p-type (silicon) Si substrate were deposited by Atomic Layer Deposition (ALD) technique and then Gr nanosheets were transferred to this hybrid structures by wet transfer technique. After the transfer process, ohmic and rectifying contacts were created by using a sputtering method. To examine the electrical properties of the oxide layered Schottky structures, current-voltage (I-V) and capacitance/conductivity-voltage (C/G-V) measurements depending on frequency and temperature were carried out under the dark. The obtained C/G-V data were also used to examine the effects of interface states (Dit) and series resistance (Rs). Furthermore, the device was irradiated with gamma rays at 30 kGy and 60 kGy doses to investigate the effect of gamma radiation on the device performance of the Gr-based Gr/ Al2O3/p-Si Schottky structure. Diode parameters of non-irradiated and irradiated devices such as ideality factor (n), barrier height (ϕb), and series resistance (Rs) were extracted from I-V data by using Thermionic Emission (TE) and Cheung methods and compared with each other. After irradiation, it was observed that the ϕb value of the device increased and Rs values changed directly proportional to irradiation dose and inversely proportional to temperature. According to the results obtained in the thesis, it was seen that the use of Gr as a transparent metal contact in Schottky junctions creates an electrostatic barrier in the form of a dipole layer at the Gr/metal electrode interface, resulting in charge transfer. It has been observed that the presence of an oxide layer with a high dielectric coefficient at the Gr/Si interface not only reduces recombination at the interface but also limits the formation of thick natural oxides at the interface and creates a higher Schottky barrier. The results obtained within the scope of this thesis study show that the produced devices can be used in near-infrared (NIR) active 2D Gr-based semiconductor device applications.