Yeni nesil ince filmler ile optoelektronik uygulamaların araştırılması
Investigation of optoelectronic applications with novel thin films
Yazar: MEHMET DENİZ ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Tez çalışmamda temel olarak metal oksit ince film malzemeler kullanılarak üretimi kolay ve ucuz morötesi fotodedektörler geliştirilmesi ve bu aygıtlar üzerine işlenen nano yapılar ile aygıt performansının kontrollü iyileştirilmesi amaçlanmıştır. 
Bu amaçla çalışmamda, literatürde morötesi fotodedektör aygıtları yapımında kullanılan Titanyum Dioksit (TiO2) ve Çinko Oksit (ZnO) malzemeleri seçilmiştir. Bu malzemelerin üretimi için kolay ve ucuz bir yöntem olması açısından fiziksel kaplama metodu olarak saçtırma yöntemi kullanılması tercih edilmiş ve üretimi kolay ve ucuz olacak aygıt tipleri ve üretim teknikleri kullanılmıştır. 
Çalışmanın ilk safhasında TiO2 ince filmlerin üretimi ve aygıt üretim sürecinin optimizasyonu yapılmıştır. Isıl işleme veya Oksijen plazmasına tabi tutulmuş ince filmlerin özellikleri incelenmiş ve bu ince filmler ile üretilen fotodedektörlerin performansları karşılaştırılmıştır. Isıl veya plazma işlemlerine tabi tutulmuş ince filmler ile üretilen fotodedektörlerin performansının hiç işlem görmemiş fotodedektörlere göre belirgin bir fark göstermediği sonucuna varılmıştır. 50 V'dan yüksek kırılma gerilimleri, 2.1x10-8 A/cm2 gibi oldukça düşük bir karanlık akım yoğunluğu, 1.8 A/W gibi yüksek bir fotocevap, %1750 mertebesinde iç kuvantum verimi ve 9 s yükselme, 3.5 s düşme zamanları elde edilmiştir. Bu sonuçlar literatür ile karşılaştırıldığında ısıl veya plazma işlemlerine tabi tutulmuş aygıtlar ile aynı seviyede değerler olmasına karşın ince filme büyütme sonrası herhangi bir işlem yapılmaksızın üretilebildiği için üstünlük sağlayan sonuçlardır. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında bu yüksek performanslı, kolay ve ucuz üretim yöntemleri ile üretilmiş fotodedektörler üzerine nanoplazmonik yapılar tasarlanmış ve bu fotodedektörlerin izgesel cevabının uygulamaların ihtiyacına göre değiştirilebileceği gösterilmiştir. Nanoplazmonik yapıların fotodedektör ile entegre edilmesi ile fotodedektörün UVB bandındaki fotocevabı %60 mertebesinde düşürülerek morötesi fotodedektörlerde izgesel fotocevabın nanoplazmonik yapılar ile izgesel cevaplarının soğurma bölgesi içerisinde uygulama ihtiyacına göre modifiye edilebileceği, daha çok yakın kızılötesi ve görünür dalgaboylarında uygulanan nano plazmonik filtrelerin morötesi bölgesinde de uygulanabileceği gösterilmiştir.  
Kaplandığı hali ile ZnO ince filmler ile de benzer şekilde fotodedektörler üretilmiştir. Bu aygıtlar ile yine 100 V'tan büyük kırılma gerilimine sahip ve 100V'ta 100 pA/cm2 gibi literatürdeki değerlere göre çok düşük karanlık akım yoğunlukları ölçülmüştür. 22 ps yükselme ve 8 ns düşme zamanları ile çok yüksek hızlarda çalışabilen, 0.35 A/W gibi kabul edilebilir seviyede fotocevap verebilen bir morötesi fotodedektör üretilmiştir. Bir diğer çalışma ise ZnO ince filmlerin üretimi sırasında Ge nanoparçacıklarının katkılanması ile elde edilen ince filmlerin optik ve elektro-optik özelliklerinin değişiminin incelenmesidir. Üretilen ince filmlerin karakterizasyonlarının yanısıra bu ince filmler ile fotoiletken, Silisyum ile heteroeklemli ve literatürde örneği görülmeyen, TiO2 ince filmler ile heteroeklemli aygıtlar üretilerek bu aygıtların optoelektronik özellikleri incelenmiştir.

Abstract:
The aim of this study is to develop easy to fabricate and inexpensive ultraviolet photodetectors with metal oxide thinfilms and to improve or change the performance of those devices using designed nanostructures. 
For this purpose Titanium Dioxide (TiO2) and Zinc Oxide (ZnO) materials were selected which are used for ultraviolet photodetector fabrication. As the deposition method for those materials one of the physical deposition methods, RF Magnetron Sputtering was selected, which is easy to utilize and rather inexpensive in terms of operation.
During the early stages of the study, TiO2 thin film deposition and device fabrication optimization studies were performed. The properties of the annealed and Oxygen plasma treated thin films were investigated, the performances of the photodetectors fabricated using treated and untreated thin films were compared and found out that the photodetectors fabricated using untreated thinfilms were performing comparably with the photodetectors fabricated with treated thinfilms. The photodetectors fabricated with untreated thin films showed breakdown voltages  larger than 50 V, dark curent density less than 2.1x10-8 A/cm2, 1.8 A/W responsivity, %1750 internal quantum efficiency and 9 s and 3.5 s rise and fall times respectively. Although these results are similar with the results ontained from treated thin films given in the literature, they are interesting because the photodetectors were fabricated by simple and cheap processes without any post annealing or plasma treatment. The next stage of the study was to design nanoplasmonic structures on those well performing photodetectors to improve or modify the spectral response of the photodetector for specific applications. Integrating the designed nanoplasmonic structure with the photodetetor the response of the photodetector in UVB bant was reduced by 60%. This was a demonstration of the usage of nanoplasmonic structures (which are mostly used in IR bant) for the modification of spectral response of the photodetectors for specific applications and the first usage of nanoplasmonic filters in UV bant. 
During the following stages of the study, photodetectors were fabricated using as deposited ZnO thin films with breakdown voltage of larger than 100 V, dark current densities as low as 100 pA/cm2 at 100 V bias voltage, respective rise and fall times of as low as 22 ps and 8 ns and responsivity of 0.35 A/W were obtained. Another phase of the ZnO thin film photodetector study was investigating the optoelectronic properties of Ge nanoparticle doped ZnO thin films and developing devices using this material. The characterization of the deposited thin films were done and photoconductor, Si heterojunction and TiO2 heterojunction devices as the first concept in literature were fabricated and characterized.