Aşırı selenyum katkılı siyah silisyum görünür ve kızılötesi dedektörlerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of selenium hyperdoped black silicon visible and infrared detectors
Yazar: OZAN AYDIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. TUNAY TANSEL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Silisyum (Si) malzemesinin yasak bant aralığı haricinde, görünür bölgede (VIS) ve yakın kızılötesi (NIR) radyasyon algılaması dışında, düşük maliyetle ve yüksek performansla gece görüş uygulamalarında kullanılabilmesi amacıyla lineer hızlandırıcıda çift donör iyon olan selenyum (Se) ekimi yapılmış, iyon ekimi sırasında amorflaşan yüzey nanosaniye atımlı lazer (Nd:YAG) ile hem çabuk yüzey eritme ve aktivasyon enerjisi verilerek donör iyonların p-türü Si(100) alt taban iyonları ile bağ kurarak aktivasıyonu, hem de belli enerji yoğunlukları ile lazer operasyonu yapılarak bir örnekte yalnızca eritme ile kristalizasyon, diğer örnekte ise kristalizasyon yanı sıra 300 nm derinlikte yüzeyin pürüzleşmesi sağlanmıştır. İyon ekimi yapılan silisyumun yüzey eritme yapılmadan önce, yapıldıktan sonra ve pürüzleştirme yapıldıktan sonra geçirgenlik ve yansıma katsayıları oranları FTIR'da ölçülerek absorptans hesabı yapılmış, bu absorptanslardan ışığın soğurma katsayısı hesaplanmıştır. Sonrasında ise bu örneklerin VIS & NIR spektrum için monokromatör, IR spektrum için FTIR spektral tepki ve siyah cisim ile tepe tepkisellikleri oda sıcaklığı ve sıvı azot sıcaklığı dolaylarında ölçülmüştür. Bu verilerden yola çıkılarak ise Jones dedektivite (D*) hesabı yapılmıştır. VIS & NIR bölge tepe tepkiselliği oda sıcaklığında 0 V gerilim için 20,4 A/W, -60 mV için 20,8 A/W ölçülmüştür ve %100 kesilim dalgaboyu 1,2 μm olarak gözlemlenmiştir. Sıvı azot kaynama sıcaklığında ise bu değerler 0 V için 12,1 A/W, -60 mV gerilim altında ise 12,2 A/W olarak ölçülmüştür. 1,8 J/cm2 enerji yoğunluğu ile yalnızca eritme yapılarak elde hazırlanan örneklerde ise oda sıcaklığında VIS & NIR tepe tepkiselliği oda sıcaklığında 0 V için 67,3 A/W, -60 mV için ise 68,2 A/W, 79 K için ise 0 V için 56,4 A/W, -60 mV için ise 59,2 A/W olarak ölçülmüştür. VIS & NIR bölgede aşırı katkılı siyah silisyum örneklerde Jones dedektivite ise 1014 cm.Hz1/2.W-1 (Jones), aşırı katkılı pürüzlü olmayan fotodiyotlarda ise 1016 cm.Hz1/2.W-1 (Jones) olarak elde edilmiştir. MWIR & LWIR bantları için ise %100 kesilim dalgaboyu 9,5 μm olarak gözlemlenmiştir. Tepe tepkiselliği 10-5 A/W mertebelerinde ve dedektivitesi 1010 cm.Hz1/2.W-1 olarak hesaplanmıştır. IR bölgede mertebe bakımından pürüzlü ve pürüzsüz örnekler aynı mertebelerde tepkisellik ve D* değerlerine sahiptir. Karanlık akımı engellemek için ise siyah silisyum örneklere PECVD ile SiO2 pasivasyonu yapılmış, pasivayson sonrasında VIS & NIR bölge tepe tepkiselliği oda sıcaklığında 0 V gerilim için 32,4 A/W, -60 mV için 33,2 A/W ölçülmüştür. Yine aynı bölgede 79 K sıcaklıkta ise tepkisellik 0 V için 25,3 A/W, -60 mV için ise 25,6 A/W ölçülmüştür. D* değerleri ise pasivasyon sonrasında siyah silisyuım örnekler için VIS & NIR bölgede oda sıcaklığında 0 V için 1013 cm.Hz1/2.W-1, -60 mV için 1014 cm.Hz1/2.W-1, 79 K için ise 0 V ve -60 mV bias altında 1016 cm.Hz1/2.W-1 mertebelerindedir. IR bölge için ise pasivasyon sonrasında siyah silisyum örneklerin tepe tepkisellik, kuantum verim ve D* değerleri yüz kat kadar artış göstermiştir.

Abstract:
Selenium (Se) ions which are double donor ions, were implanted under the linear accelerator into the 100 oriented silicon (Si) material could be used for night vision applications with low cost and high performance, except only for the visible band (VIS) and near infrared (NIR) The laser is operated with the activation of the donor ions by the p-type Si (100) substrate ions by the application of the rapid surface melting and activation energy with the amorphous surface nanosecond laser (Nd:YAG) and the laser energy with specific energy densities for crystallization, in the other case crystallization as well as surface smoothing at 300 nm depth. The ion-implanted silicon, after surface roughening and after the surface smoothing, the permeability and reflection coefficient ratios were measured in FTIR and the absorptance was calculated and the absorption coefficient of the light was calculated from these absorptances. Subsequently, those samples were measured at monochromator for VIS & NIR spectrum, FTIR spectral response for IR spectrum and peak response with black body at room temperature and liquid nitrogen temperature. Jones detectivity (D*) value was calculated from this data. VIS & NIR region peak response was measured as 20.4 A/W for 0 V voltage and 20.8 A/W for -60 mV at room temperature and 100% cut-off wavelength was observed at 1.2 μm. Jones detectivity was calculated as 1014 cm.Hz1/2.W-1 (Jones). For MWIR & LWIR
bands, 100% cut-off wavelength was observed to be 9.5 μm. Peak responsivity was calculated at 10-5 A/W and detectivity was calculated as 1010 cm.Hz1/2.W-1. In order to prevent surface leakage current, PECVD passivation of SiO2 was deposited to the rough surface. After passivation, VIS & NIR region peak responsivity was measured as 32.4 A/W for 0 V voltage and 33.2 A/W for -60 mV at room temperature. Detectivity was calculated as 1014 cm.Hz1/2.W-1. Detectivity in the IR region was calculated as 1013 cm.Hz1/2.W-1 for 0 V bias and 1011 cm.Hz1/2.W-1 for -60 mV bias. Only melted samples with 1.8 J/cm2 energy density characterized with the responsivities 67.3 A/W for 0 V, 68.2 A/W for -60 mV bias at room temperature and 56.4 A/W at 0 V, 59.2 A/W at -60 mV for 79 K temperature. The D* values was calculated the order of 1013 cm.Hz1/2.W-1 for 0 V bias and 1014 cm.Hz1/2.W-1 for -60 mV bias at the room temperature.