Kızılötesi algılamada kullanılan kendiliğinden oluşan InAs/GaAs kuantum nokta yapıların MBE tekniği ile büyütülmesi ve karakterizasyonu
MBE growth and characterization of self-assembled InAs/GaAs quantum dot structures for infrared detection
Yazar: SAMET ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. BÜLENT ASLAN
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Nanoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında, tek katman ve çok katman InAs/GaAs kuantum nokta yapıların moleküler demet epitaksi sistemi ile büyütülmesi ve karakterizasyonları yapılmıştır. Kuantum nokta yapıların, fotolüminesans (PL) spektrumunda görülen enerji seviyelerinin belirgin ve daha iyi tanımlanması amacıyla büyütme parametrelerinin değiştirildiği grup örnekler büyütülerek kuantum nokta büyüme kinetikleri incelenmiştir.
Malzeme miktarı ve büyütme sıcaklığı başta olmak üzere büyütme koşullarının sistematik olarak değiştirildiği tek katman örnekler büyütülmüştür. Başta PL tekniği olmak üzere farklı tekniklerin kullanılmasıyla kuantum noktaların yoğunlukları, dağılımları, büyüklükleri belirlenmiştir. PL ölçümleri ile kuantum noktaların enerji seviyeleri belirlenerek, büyüklükleri ve dağılımları hakkında yapılan çıkarımlar diğer tekniklerden elde edilen sonuçlarla doğrulanmıştır. En düzgün (homojen) kuantum nokta büyüklük dağılımı, InAs malzeme miktarının 2,5 ML olduğu, 490 °C sıcaklıkta 0,11 ML/s büyüme oranı ile büyütülen örnekte elde edilmiştir. Büyüme oranının 0,14 ML/s olması durumunda, benzer özellikte kuantum noktalar oluşturabilmek için koşulların yeniden iyileştirilmesi gerekmiştir.  Aynı malzeme miktarı (2,5 ML) için 505 °C büyütme sıcaklığında daha küçük ama benzer büyüklük dağılım düzgünlüğünde kuantum nokta oluşumu sağlanmıştır. Ayrıca büyütme sonrasında tavlama işlemi yapılarak kuantum noktaların enerji seviyelerinin ayarlanabilirlikleri gösterilmiştir.
Aktif bölgesinde bulunan InAs QD katman sayısının değiştirildiği çok katman kızılötesi foto-algılayıcı yapılar büyütülmüş, aygıt haline getirilerek PL, tayfsal fototepki ve karanlık akım ölçümleri yapılmıştır. Üretilen fotodiyotlarda, katman sayısının artmasıyla, diyot üzerinden geçen akımın azaldığı ve tayfsal fototepki sinyalinde iyileşme olduğu gösterilmiştir. Kızılötesi algılama dalgaboyunda ayarlama yapabilmek için büyütme sonrasında farklı sıcaklıklarda tavlanarak üretilen fotodiyotlarda, tavlama sıcaklığının artmasıyla, fototepki sinyalinin daha küçük enerji bölgesine kaydığı ve diyot üzerinden geçen akımın arttığı gözlenmiştir.

Abstract:
In the scope of this thesis, single and multi-layered InAs/GaAs quantum dot structures have been grown and characterized. The growth kinetics of quantum dots have been investigated through a set of samples having different growth parameters for the purpose of clear and well-defined energy levels in the photoluminescence (PL) spectra.  
Single-layered samples whose growth conditions, particularly the amount of material and the growth temperature, are systematically changed have been grown. By use of different techniques, primarily the PL, the density, distribution, size of the quantum dots have been determined. The inferences on the size and distribution drawn from the PL technique by determining the energy levels of the quantum dots have been confirmed with other techniques. The most homogeneous quantum dot size distribution was obtained from the sample grown with 0.11 ML/s at 490 °C for the InAs amount of 2.5 ML. The re-optimization of the growth conditions was required to obtain the quantum dots having similar properties when the growth rate was changed to 0.14 ML/s. The formation of the quantum dots that are smaller in size and having similar size distribution have been obtained at 505 °C growth temperature for the same material amount (2.5 ML). Additionally, the tunability of the energy levels by post-growth thermal treatment has been demonstrated. 
Multi-layered infrared detector structures having different number of InAs QD active layers were grown. PL, spectral photoresponse and dark current measurements have been performed once the devices were fabrication. It has been shown that the dark current in the fabricated photodiodes was reduced and the photoresponse spectra were improved as the number of the layers are increased. It has been observed from the photodiodes annealed at different temperatures after their growth to tune the spectral detection range that the photoresponse spectra was shifted towards lower energy region and the dark current was reduced.