Dalga kılavuzu entegreli grafen – SOI tabanlı fotodiyot üretimi ve karakterizasyonu
The fabrication and characterization of waveguide integrated graphene - SOI  based photodiode
Yazar: ELANUR SEVEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ; PROF. DR. ELİF ORHAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, tek modlu sırt (ridge) dalga kılavuzu tabanlı grafen – yalıtkan üstü silikon (silicon-on-insulator-SOI) hibrit Schottky diyotların üretilmesi ve elektriksel özelliklerinin karakterize edilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Elektron ışın litografisi (EBL) ve plazma aşındırma (PE) yöntemleri kullanılarak, 1,5 μm gömülü oksit tabakalı iki SOI alttaş üzerine 220 nm derinlik, 450 nm genişliğe sahip tek modlu sırt dalga kılavuzları oluşturulmuştur. Ardından, 5 nm kalınlıklı Al2O3 yalıtkan tabakalar, dalga kılavuzlu iki SOI alttaş üzerine ayrı ayrı Atomik Katman Biriktirme (ALD) tekniği ile biriktirilmiştir. Ayrıca, Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) tekniği kullanılarak bakır (Cu) folyolar üzerinde tek tabakalı ve çok tabakalı Grafen (Gr) nanotabakalar sentezlenmiştir. Gr nanotabakalar, X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ve Raman Spektroskopisi ile karakterize edilmiş ve Polimetil Metakrilat (PMMA) ıslak transfer tekniği ile iki sırt dalga kılavuzlu Al2O3/SOI yapısı üzerine aktarılmışlardır. Son aşamada ise, Gr/Al2O3/SOI yapılar üzerine termal buharlaştırma yöntemi ile 50 nm kalınlıklı Al/Ag (saflık; %99,99) omik ve doğrultucu kontaklar oluşturulmuştur. Tek tabakalı Gr/Al2O3/SOI ve çok tabakalı Gr/Al2O3/SOI diyotların akım - gerilim (I-V) ölçümleri -8 V ile + 8 V aralığında 300 K'de gerçekleştirilmiştir.
Bulgular: Çok tabakalı Gr/Al2O3/SOI Schottky diyotun seri direnç (Rs), bariyer yüksekliği (ɸB0) ve idealite faktörü (n) gibi diyot parametreleri Termiyonik Emisyon (TE) ve Norde yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Çok tabakalı Schottky diyot için idealite faktörü 4,25 , bariyer yüksekliği 0,80 eV ve seri direnç değeri 1533,33 k olarak bulunmuştur.
Sonuç: Tek tabakalı ve çok tabakalı Gr tabanlı diyotların, SOI tek modlu sırt dalga kılavuzu üzerinde üretilebildiğini gösterdik. Sentezlenen grafen nanotabakaların Raman analizi, G pikinin ve 2D pikinin varlığını doğruladı. İki diyot için üretim süreçleri aynı olmasına rağmen, çok tabakalı Gr/Al2O3/SOI diyot doğrultucu davranış sergilerken, tek tabakalı-Gr/Al2O3/SOI diyot omik davranış göstermiştir. Elde edilen sonuçlar, çok tabakalı Gr/Al2O3/SOI Schottky diyotun, yakın kızılötesi (NIR) bölgede aktif SOI tabanlı yarı iletken cihaz uygulamaları için kullanılabileceğini göstermektedir.
	Anahtar Kelimeler:  yalıtkan-üstü-silikon (SOI),  sırt (ridge) dalga kılavuzu, tek tabakalı / çok tabakalı grafen, seri direnç, idealite faktörü, bariyer yüksekliği

Abstract:
Purpose: In this thesis, it was aimed to fabricate single-mode ridge waveguide-based graphene – silicon on insulator (SOI) hybrid Schottky diodes and characterize their electrical properties.
Method: Using electron beam lithography (EBL) and plasma etching (PE) methods, single-mode ridge waveguides with a depth of 220 nm and a width of 450 nm were formed on to two SOI substrates with 1,5 μm embedded oxide layers. Subsequently, 5 nm thick Al2O3 insulating layers were deposited on two waveguided SOI substrates by Atomic Layer Deposition (ALD) technique separetly. In addition, single-layer and multi-layer Graphene (Gr) nano layers were synthesized on copper (Cu) foils using the Chemical Vapor Deposition (CVD) technique. Gr nanosheets layers were characterized by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Raman Spectroscopy and transferred onto the Al2O3 / SOI structure with two ridge waveguides by Poly (methyl methacrylate) (PMMA) wet-transfer technique method. In the last stage, 50 nm thick Al / Ag (purity; 99,99%) ohmic and rectifier contacts were formed on Gr/Al2O3/SOI structures by the thermal evaporation method. Current-voltage (I-V) measurements of single layer Gr/Al2O3/SOI and multilayer Gr/Al2O3/SOI diodes were performed at 300 K in the range of -8 V to + 8 V.
Findings: The diode parameters of multilayer-Gr/Al2O3/SOI structure such as series resistance (Rs), barrier height (ɸB0) and ideality factor (n) were calculated using Thermionic Emission (TE) and Norde method. For the multilayer Schottky diode, the ideality factor was found as 4,25, the barrier height was found as 0,80 eV and the series resistance value was found as  1533,33 k.
Results: We have shown that monolayer/multilayer Gr based diodes can be fabricated on the SOI single mode ridge waveguide. Raman analysis of the synthesized graphene nanosheets confirmed the presence of the G peak and 2D peak. Although the manufacturing processes for the two diodes were the same, the multilayer Gr/Al2O3/SOI diode showed rectifier behavior while the monolayer-Gr/Al2O3/SOI diode showed ohmic behavior. The results show that the multilayer Gr/Al2O3/SOI Schottky diode can be used for active SOI based semiconductor device applications in the near infrared (NIR) region.
Keywords: insulator-on-silicon (SOI), ridge waveguide, monolayer/multilayer graphene, series resistance, ideality factor, barrier height