Kızılötesi (IR) hassas fotodedektör tasarımı ve üretimi
Design and fabrication of infrared (IR) sensitive photodetector
Yazar: ESRA EFİL KUTLUOĞLU
Danışman: PROF. DR. ELİF ORHAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Desenlendirme = Patterning ; Grafen = Graphene ; Lazerler = Lasers ; Schottky diyodları = Schottky diodes

Özet:
Bu tez çalışmasında; lazerle desenleme (LP) işleminin hem büyütülen grafen (Gr) nanotabakanın kalitesine hem de grafen-silikon (Gr-Si) Schottky fotodiyotun diyot parametreleri üzerine etkisi araştırılmış, bu sayede kızılötesi (IR) hassas fotodiyot geliştirilmesi amaçlanmıştır. Tez çalışmasında ilk olarak; p-tipi silikon (Si) alttaşlar doğrusal olmayan Lazer Litografi (Nonlinear Laser Lithography-NLL) tekniği kullanılarak desenlendi. Ardından Radyo Frekans Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme (Radio Frequency-Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition- RF-PECVD) tekniği kullanılarak lazerle desenlendirilmiş p-tipi silikon (LP-Si) alttaşlar üzerine dikey olarak yönlendirilmiş üç boyutlu (3D) Gr nanoyapılar (Vertically Oriented Graphene Nanosheets-VGrN'ler) üretildi. p-Si alttaş üzerinde elde edilen bu VGrN'ler Raman Spektrometresi ile karakterize edildi.  3D Gr yapısının morfolojik özellikleri ise taramalı elektron mikroskobu (Scanning Electron Microscope-SEM) ile karakterize edildi ve Gr-Si hibrit (Metal-Yarıiletken-MS) yapılar üretildi. Lazerle desenlendirilmemiş doğal oksit tabakalı Gr-Si yapı (Gr-I-Si) ile Gr-Lazer Desenli Silikon (Gr-LP-Si) yapının aygıt özellikleri, lazer desenlemenin etkisini belirlemek için karanlık ve aydınlık ortamda 300 K'de karşılaştırıldı. Cheung, Norde ve termiyonik emisyon (TE) metotları kullanılarak aygıtın Schottky bariyer yüksekliği (SBH- ΦB0), seri direnç (Rs), idealite faktörü (n) gibi diyot parametreleri akım-voltaj (I-V) karakteristikleri kullanılarak hesaplandı. Ayrıca, bu tez çalışması kapsamında, iki tabakalı grafen (BLGr) nanotabakalar bakır (Cu) folyo üzerinde Kimyasal Buhar Biriktirme (Chemical Vapor Deposition-CVD) yöntemi ile büyütüldü. CVD ile büyütülmüş BLGr film hakkında destekleyici bilgi elde etmek için Raman analizi gerçekleştirildi. Al2O3/p-Si yapı üzerine ıslak transfer yöntemi ile BLGr nanotabakalar transfer edildi. Bu yapının I-V karakteristikleri 300 K ve karanlık ortamda incelenerek BLGr nanotabakanın diyot parametresi üzerindeki etkisi araştırıldı. Diyotun ileri öngerilim I-V eğrisinin, literatürde "iki paralel diyot" veya "çift üstel" modelleme olarak tanımlanan bir davranış sergilediği görüldü. Özellikle bariyer yüksekliği değerleri birbirleri ile karşılaştırılarak aralarında iyi bir uyum olduğu tespit edildi. Bu analizler kapsamında özellikle lazer desenleme işleminin, 3D Gr nanoyapıların kalitesini artırdığı, SBH'de bir artışa neden olduğunu, ters ön gerilim altında diyotun kaçak akımlarını azalttığı ve nanoküre ve nanogül morfolojisinde yeni yapıların p-Si alttaş üzerinde biçimlendiği görüldü. Bu tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar, üretilen 3D VGrN tabanlı diyotların, kısa dalga IR hassas yarıiletken cihaz uygulamalarında kullanılabileceğini, bant aralığının kontrolünün arzu edildiği elektronik endüstrisindeki uygulamalar için ise üretilen BLGr tabanlı diyotun potansiyel bir malzeme olabileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this thesis study; the effect of laser patterning (LP) on both the quality of the grown graphene (Gr) nanosheets and the diode parameters of the graphene-silicone (Gr-Si) Schottky photodiode has been investigated and, it is aimed to develop an infrared (IR) sensitive photodiode. In the thesis study, firstly; p-type silicon (Si) substrates were patterned using the nonlinear Laser Lithography (NLL) technique. Next, vertically oriented three-dimensional (3D) Gr nanosheets (VGrNs) on laser-patterned p-type silicon (LP-Si) substrates were synthesized using the Radio Frequency-Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (RF-PECVD) technique. These VGrNs obtained on p-Si substrate were characterized by Raman Spectrometer. The morphologic features of the 3D Gr structure were also characterized by scanning electron microscopy (SEM). Then, Gr-Si hybrid (Metal-Semiconductor-MS) structures were fabricated. To determine the effect of laser patterning, the device properties of the non-laser-patterned natural oxide layered Gr-Si structure (Gr-I-Si) and the Gr-Laser Patterned Silicon (Gr-LP-Si) structure were compared under dark and light conditions at 300 K.  By using Cheung, Norde and thermionic emission (TE) methods, diode parameters of the devices such as Schottky barrier height (SBH-ΦB0), series resistance (Rs), ideality factor (n) were extracted from the current-voltage (I-V) characteristics. In addition, within the scope of this thesis, bilayer graphene (BLGr) nanosheets were grown on copper (Cu) foil by chemical vapor deposition (CVD) method. Raman analysis was performed to obtain supporting information about the CVD synthesized BLGr film. BLGr nanosheets were transferred onto Al2O3/p-Si structure by wet transfer method. The effect of BLGr nanosheets on the diode performance was investigated by examining the I-V characteristics of this structure under dark at 300 K. The forward bias I-V curve of the diode exhibited a behavior described in the literature as "two parallel diodes" or "double exponential" modelling. Especially the barrier height values were compared with each other and it was determined that there was a good agreement between them. Within the scope of these analyzes, it was observed that especially laser patterning process increased the quality of 3D nanostructures, caused an increase in SBH, reduced leakage currents of the diode under reverse bias voltage and formed new structures with nanosphere and nanorose morphology on p type Si substrate. The results obtained within the scope of this thesis study showed that the produced 3D VGrN-based diodes can be used in short-wave IR precision semiconductor device applications, and the produced BLGr-based diode can be a potential material for applications in the electronics industry where band gap control is desired.