9xx-10xx nm dalga boyunda ışıyan yüksek güçlü lazer diyot yapısının tasarımı ve mocvd yöntemi kullanılarak epitaksiyel tabakaların büyütülmesi
Design and epitaxial layer growth of 9xx-10xx nm wavelenght high power laser diodes by using mocvd system
Yazar: ALİYE ALEV KIZILBULUT
Danışman: PROF. DR. SEZAİ ELAGÖZ
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu doktora tezi 9xx-10xx nm dalga boyunda kenar ışıması yapan lazer yapılarının büyütülmesi ve büyütülen yapıların çeşitli karakterizasyon yöntemleri kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenmesiyle ilgilidir. Kontak tabakası, dalga kılavuzu ve kılıf tabakaları için kullanılan GaAs ve AlGaAs tek tabakaları büyütme parametrelerini elde etmek ve zamanı optimize etmek için GaAs alttaşlar üzerine büyütüldü. Sonra bütün tek katmanlar n-tipi ve p-tipi olarak katkılandı. Büyütme ve tek tabakaların optimizasyonundan sonra, büyütülen katmanların yapısal, optik ve elektriksek özellikleri yüksek çözünürlüklü x-ışını kırınımı, fotolüminesans, hall ve ECV-profiler kullanılarak belirlendi. Ayrıca 900 nm, 915 nm, 967 nm ve1050 nm dalga boylarında ışıma yapan lazer yapılarının aktif bölgesini oluşturmak için farklı indiyum alaşımına sahip InGaAs/AlGaAs çoklu kuantum kuyu yapıları büyütüldü ve karakterize edildi.
Tek tabaka ve çoklu kuantum kuyu büyütmeleri ile optimize edilen büyütme parametreleri kullanılarak, farklı p-tipi katkı malzemelerinin kullanıldığı iki farklı InGaAs/AlGaAs tek kuantum kuyulu lazer diyot yapısı büyütüldü. Bu lazer diyotlardan bir tanesinde p-tipi katkı malzemesi olarak çinko (Zn) kullanıldı. Diğer lazer diyot yapısında ise p-tipi katkı malzemesi olarak karbon (C) kullanılmıştır. Bu çalışmadaki ana amaç, tavlamanın karbon ve çinko katkılı lazer yapıları üzerindeki atomik iç difüzyonu nasıl etkilediğini görmektir. Bu amaçla büyütülen her iki lazer diyot yapısı, 60 saniyede 850°C ve 925°C sıcaklık aralığında hızlı termal tavlayıcı (RTA) ile azot akışı altında tavlandı.  Tavlama işleminden sonra fotolüminesans kullanılarak enerji bant aralığındaki kayma miktarı belirlendi ve X-ışını eğri ölçümleri, örgü yapısındaki değişimi belirlemek amacıyla uygulandı. Lazer yapılarının elektriksel özellikleri üzerine termal tavlamanın etkisini belirlemek için elektrokimyasal kapasitans voltaj ölçümleri uygulandı.
Son olarak 900nm dalga boyunda ışıma yapan lazer yapısı büyütüldü. Bu yapıya ERMAKSAN AŞ.' de fabrikasyon işlemleri uygulandı. Büyütülen yapının eğri verimi, iç kuantum verimi, dış kuantum verimi gibi karakteristik özellikleri belirlendi.

Abstract:
This doctoral thesis deals with the epitaxially growth of high-power semiconductor lasers emitting light at 9xx-10xx nm wavelength by using Metal Organic Vapor Deposition system and comprehensively characterization of grown structure by means of state of the art techniques. Single layer of GaAs and AlXGa1-XAs which are used for contact layers, waveguide layer, cladding layer were grown on GaAs substrates to optimize the growth parameters and times. Then all single layers doped as n-type and p-type. After the growth and optimization of single layers, structural, optical and electrical properties of grown layers determined respectively by using high resolution x-ray diffraction, photoluminescence, hall and ECV profiler. Also, we have grown InGaAs/AlGaAs multi quantum well with different indium alloys to create the active region of light emitting laser structure at 900 nm, 915 nm, 967 nm and 1050 nm wavelengths.
Using optimized growth parameters with single layer and multi quantum well growth; we have grown two different InGaAs/AlGaAs single quantum well laser diode (SQW-LD) structures as used with different dopant materials. One of these laser diode (LD) structures, carbon was used as p type dopant material. For other LD structure, zinc was used as p type dopant material. In this study, our main aim is determinethe effect of atomic interdiffusion for carbon and zinc doped laser structures after annealing. After growth, LD structures were annealed under the nitrogen flow in a rapid thermal annealer (RTA) in the temperature range of 850◦C to 925◦C for 60 sec. After the annealing procedure, these samples measured by photoluminescence for investigate the energy shift and X-ray rocking curve measurements were performed to determine the amount of lattice contraction. Electrochemical capacitance-voltage measurements were performed to determine the effect of annealing temperature on the electrical properties of laser structures.
Finally, the laser structure which is light emitting at 900 nm wavelength was grown. Fabricated this structure in ERMAKSAN AŞ. Characteristic properties such as slope efficiency, internal quantum efficiency and external quantum efficiency of grown structure were determined.