Bizmut içeren III-V grubu yarıiletkenlerde elektronik transport mekanizmalarının incelenmesi
Investigation of electronic transport mechanisms in bismuth-containing III-V group semiconductors
Yazar: MUSTAFA AYDIN
Danışman: PROF. DR. ÖMER DÖNMEZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektromanyetik dalgalar = Electromagnetic waves ; Elektromanyetik etkileşmeler = Electromagnetic interaction ; Elektron elektron etkileşimi = Electron electron interaction ; Elektron fonon etkileşmesi = Electron phonon interaction ; Elektron saçılması = Electron scattering ; Ohmik iletim = Ohmic conduction ; Optoelektronik = Optoelectronic ; Tabakalı yarı iletkenler = Layered semiconductors ; İki boyutlu sistemler = Two dimensional systems ; İki boyutlu yapılar = Two dimensional structures

Özet:
Bu tez çalışmasında n-tipi ve p-tipi modülasyon katkılı Al0.15Ga0.85As/GaAs0.96Bi0.04 kuantum kuyusu yapısının elektronik transport özellikleri incelenmiştir. Örneklere büyütme sonrasında farklı sıcaklıklarda ısıl işlem uygulanmıştır. Elektronik transport özelliklerinin belirlenmesi için sıcaklığa bağlı Hall Olayı ve magnetodirenç ölçümleri ve elektrik alana bağlı akım-voltaj ölçümleri yapılmıştır. Üzerinde çalışılan örneklerin elektronik bant yapısı ve enerji seviyeleri Schrödinger-Poisson denklemi kuple olarak çözülerek belirlenmiştir. Sıcaklığa bağlı elektron mobilitesi kuramsal olarak hesaplanmış ve elektron mobilitesine etki eden saçılma mekanizmaları belirlenmiştir. Elektrik alana bağlı sürüklenme hızı modellenerek elektron sıcaklığı ve sürüklenme hızı karakteristiği belirlenmiştir.
n-tipi örneklerde Hall Olayı ölçümlerinden toplam serbest elektron yoğunluğu ve mobilitesi 4.2-300 K sıcaklık aralığında belirlenmiştir. Magnetodirenç ölçümlerinde gözlenen Shubnikov-de Haas osilasyonlarının analizinden elektron etkin kütlesi, Fermi seviyesi, kuantum kuyusu içerisindeki elektron yoğunluğu ve kuantum mobilitesi belirlenmiştir. 4.2 K sıcaklığında büyütüldüğü gibi olan örnek için kuantum kuyu mobilitesi, elektron etkin kütlesi sırası ile ~5900 cm2/Vs ve 0.077m0 olarak belirlenmiştir. Kuantum kuyu mobilitesi Bi içermeyen referans olarak büyütülen örnekten oldukça yüksektir. Hall Olayı ve magnetodirenç ölçüm sonuçlarının birlikte değerlendirilmesi ile elektronların hem bariyer hem de kuantum kuyusu içerisinde olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle elektron transportunun paralel-transport şeklinde gerçekleştiği anlaşılmıştır. Deneysel Hall mobilitesi, bariyer ve kuantum kuyusundaki elektron yoğunluk değerleri kullanılarak kuantum kuyusundaki elektronların deneysel Hall mobilitesi ayıklanmıştır. Kuantum kuyusundaki elektronlara ait Hall mobilitesi değeri, GaAs elektron mobilitesi değerinden biraz küçüktür. Kuantum kuyusundaki elektron mobilitesine tüm sıcaklık bölgesinde arayüzey pürüzlülüğü ve yüksek sıcaklıkta optik fonon saçılma merkezlerinin etki ettiği tespit edilmiştir.
n-tipi örneklerde elektron etkin kütlesinin Bi atomunun GaAs içerisine katılmasından etkilenmediği belirlenmiştir. Isıl işlem uygulanmış örnekte ikinci kuantize enerji seviyesi elektronlar işgal edilmiş ve bu seviyeyi  işgal eden elektronların etkin kütlesi kuşatma enerjisinin azalması nedeniyle daha küçük olarak bulunmuştur.
Oda sıcaklığında yapılan akım-voltaj ölçümlerinden elde edilen elektron sürüklenme hızının maksimum değeri büyütüldüğü gibi olan örnek için ~6x106 cm/s'dir. Sürüklenme hızının analizinden kuantum kuyusu içerisindeki elektronların elektrik alana bağlı elektron sıcaklığının ~500 K'ya kadar çıktığı belirlenmiştir. Kuantum kuyusundaki sıcak elektronların daha düşük enerjiye sahip bariyer katmanına geçemezken, GaAsBi alaşımının daha yüksek enerjili L-vadisine geçtiği tespit edilmiştir.
Büyütme sıcaklığından daha düşük sıcaklıklarda kısa süreli ısıl işlem uygulanmasının transport ve optik özellikleri iyileştirdiği belirlenmiştir. 350 ℃'de 180 s süresince uygulanan ısıl işlem sonucunda magnetodirenç ölçüm sonuçlarının analizinden kuantum kuyusunda ikinci kuantize enerji seviyesinin de elektronlar tarafından işgal edildiği belirlenmiştir. Isıl işlem sonrasında kuantum kuyusundaki elektron mobilitesinin optimum büyütme şartlarındaki GaAs ile kıyaslanabilir mertebede olduğu bulunmuştur. Kuantum kuyusunda ilk iki kuantize enerji seviyesinin elektronlar tarafından işgal edilmesi, elektrik alana bağlı elektron sıcaklığının daha yüksek sıcaklıklara çıkmasını engellediği ve sürüklenme hızının daha yüksek elektrik alanlarda Ohmik rejimde kalmasını sağladığı belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis,  electronic transport properties of n-type and p-type modulation doped Al0.15Ga0.85As/GaAs0.96Bi0.04 quantum well structure were investigated. Post-growth thermal annealings were applied at different temperatures and duration times. In order to determine the electronic transport properties of the samples, temperature-dependent Hall Effect, magnetoresistance measurements, and electrical field-dependent current-voltage measurements were carried out. The electronic band structure and Eigenenergy levels of the studied samples were determined by solving the Schrödinger-Poisson equation set. Temperature-dependent electron mobility was calculated theoretically, and dominant scattering mechanisms were defined. Electric field dependence of the hot electron temperature and drift velocity characteristics of the samples were determined by modifying well-known theoretical models.
In n-type samples, total free electron density and Hall mobility were determined from Hall Effect measurements between 4.2 - 300 K. Electron effective mass, Fermi level, electron density, and quantum mobility for electrons in the quantum well were determined from the analysis of Shubnikov-de Haas oscillations observed in magnetoresistance measurements. For the as-grown sample, at 4.2 K the quantum well mobility and electron effective mass were determined as ~5900 cm2/Vs and 0.077m0, respectively. Quantum well mobility is considerably higher than the Bi-free reference sample. By evaluating together both the Hall Effect and magnetoresistance measurement results, it has been determined that some of the electrons are in the barrier and others are in the quantum well layer. Therefore, it has been understood that the transport of electrons takes place in parallel conduction mode. Experimental Hall mobility of the electrons in the quantum well is extracted by using the experimental Hall mobility, calculated mobility of barrier layer, and electron density in the quantum well layer. The extracted Hall mobility of electrons in the quantum well is slightly smaller than the well-known that of GaAs. It has been defined that the extracted electron mobility in the quantum well is dominantly affected by interface roughness affects whole temperature regions and by optical phonon scattering centers at high-temperature regions.
In n-type samples, it has been determined that electron-effective mass is not affected by introducing Bi atoms into the GaAs host. The effective mass of the second quantized energy level in thermally annealed sample becomes lower due to the lowering of the confinement energy.  
For as-grown sample, the maximum value of drift velocity in the Ohmic regime has been determined as ~6x106 cm/s from current-voltage measurements at room temperature. Analysis of drift velocity has shown that the electron temperature increases up to ~500 K for electrons in the quantum well. While hot electrons in the quantum well do not pass through the barrier which has lower energy, they transfer to the L-valley of the GaAsBi which has higher energy than that of the barrier layer.
It has been determined that applying post-growth rapid thermal annealing for a temperature lower than the growth temperature improves the transport and optical properties. As a result of applied thermal annealing at 350 °C for 180 s, it is determined from analysis of the magnetoresistance measurement that the second sub-band of the quantum well has been occupied by electrons as well. It is found that the mobility of the electrons in the quantum well after annealing was of comparable order with GaAs at optimum growing conditions. Because of the occupation of the first two quantized energy levels, the electron's temperature is prevented from increasing even at a higher electric field. So it causes the drift velocity to remain Ohmic regime even at a higher electric field regime.