III-nitrür yarıiletken yapıların termal buharlaştırma yöntemi ile üretilmesi, elektriksel ve radyasyona bağlı özelliklerinin araştırılması
Production of III-nitride semiconductor structures by thermal evaporation method and investigation of their electrical and radiation properties
Yazar: ALİ OLKUN
Danışman: PROF. DR. SERTAN KEMAL AKAY
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, cam, n-tipi ve p-tipi Si alttaşlar üzerine termal buharlaştırma yöntemi kullanılarak yaklaşık 50 nm kalınlığında GaN ince filmler büyütülmüştür. İnce filmler, 450℃'de 30 dakika tavlama işlemine tabi tutulmuştur. Hem tavlanmamış hem de tavlanmış numunelere gama ışını dozlaması uygulanmıştır. Bu numuneler, 3 kGy ve 6 kGy gama ışınlarına maruz bırakılarak, yapısal değişiklikleri UV-Vis spektrofotometre, fotolüminesans (PL), FESEM-EDX, XRD ve XPS ölçümleri ile detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Elektriksel iletkenlik değişiklikleri Hall etkisi ile değerlendirilirken, diyot ve fotodiyot özelliklerindeki değişiklikler I-V ve spektral fotoakım ölçümleri ile incelenmiştir. Tavlama işlemi sonucunda, materyalin optik özelliklerinde önemli bir gelişme gözlemlenmiş ve ışık geçirgenliği %2'den %84'e yükselmiştir. FESEM-EDX analizleri, tavlama sonrası yüzeyde Ga atomlarının daha seyrek dağıldığını ve Azot oranının arttığını göstermiştir. XRD sonuçları, gama ışınlamasının kristal yapıda faz kaymalarına neden olduğunu ortaya koymuştur. Debye-Scherrer yöntemiyle hesaplanan kristal tane boyutlarının, gama ışınlaması sonrası hafif sapmalar gösterdiği tespit edilmiştir. XPS analizlerinde ise tavlama sonrası Ga-N bağlarının güçlendiği, Ga-Ga bağlarının ise azaldığı gözlemlenmiştir. Gama ışınlaması sonrasında Ga-N bağlanma enerjisinde artış olmuş ve yüzeyde Ga-O bağları oluşmuştur. Elektriksel özellikler açısından, tavlama işleminin taşıyıcı konsantrasyonunu düşürüp, mobiliteyi artırdığı görülmüştür. Tavlanmamış ve tavlanmış Al/n-GaN/p-Si/Al ve Al/n-GaN/n-Si/Ag heteroeklem diyotların ±2 V gerilim altında Akım-Gerilim (I-V) ölçümleri ve sıfır volt beslemede fotoakım ölçümleri gerçekleştirilmiştir. I-V analizlerinde ters doyum akımları, idealite faktörleri ve bariyer yükseklikleri hesaplanarak, gama ışınlamasının diyot parametreleri üzerindeki bozulma etkileri değerlendirilmiştir. Ayrıca, 350 nm ile 1250 nm dalga boyu aralığında yapılan fotoakım ölçümleri neticesinde, n-tipi Si üzerine büyütülen yapılarda dalga boyuna bağlı değişken polariteli fotoakım gözlemlenmiştir. Gama ışınlaması sonrasında fotoakım değerlerinde belirgin bir artış tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, GaN thin films with an approximate thickness of 50 nm were grown on glass, n-type, and p-type Si substrates using the thermal evaporation method. Thin films were subjected to an annealing process at 450°C for 30 minutes. As deposited and annealed samples were exposed to gamma radiation. These samples were irradiated with 3 kGy and 6 kGy gamma rays, and the structural changes were analyzed in detail using UV-Vis spectrophotometry, photoluminescence (PL), FESEM-EDX, XRD, and XPS measurements. The electrical conductivity changes were evaluated by the Hall effect, while the changes in diode and photodiode properties were investigated using I-V and spectral photocurrent measurements. As a result of the annealing process, a significant improvement in the optical properties of the material was observed, with light transmittance increasing from 2% to 84%. FESEM-EDX analyses showed that after annealing, Ga atoms were more sparsely distributed on the surface, and the nitrogen content increased. XRD results revealed that gamma irradiation caused phase shifts in the crystal structure. Crystal grain sizes, calculated using the Debye-Scherrer method, showed slight deviations after gamma irradiation. XPS analyses indicated that Ga-N bonds strengthened after annealing, while Ga-Ga bonds decreased. After gamma irradiation, an increase in Ga-N bond energy was observed, along with the formation of Ga-O bonds on the surface. In terms of electrical properties, the annealing process reduced the carrier concentration and increased mobility. Current-Voltage (I-V) measurements were performed on both annealed and unannealed Al/n-GaN/p-Si/Al and Al/n-GaN/n-Si/Ag heterojunction diodes under ±2 V, and photocurrent measurements were carried out at zero bias. In the I-V analyses, reverse saturation currents, ideality factors, and barrier heights were calculated to evaluate the degradation effects of gamma irradiation on diode parameters. Additionally, photocurrent measurements conducted in the wavelength range of 350 nm to 1250 nm showed wavelength-dependent variable-polarity photocurrents in structures grown on n-type Si. After gamma irradiation, a significant increase in photocurrent values was observed.