TiO2 tabanlı ince film uv fototransistör üretimi ve karakterizasyonu
Tio2 based thin film uv phototransistor fabrication and characterization
- Tez No: 1010286
- Danışmanlar: PROF. DR. SELİM ACAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Titanyum dioksit (TiO2), geniş bant aralığı, kimyasal kararlılığı, düşük üretim maliyeti ve çevreyle uyumlu yapısı nedeniyle morötesi (UV) fotodetektör teknolojisinde öne çıkan yarıiletken oksitlerden biridir. Bununla birlikte, sınırlı iletkenlik, oksijen boşluklarının hassas kontrol gerektirmesi ve aygıt geometrisine karşı yüksek duyarlılık, TiO2 tabanlı fototransistörlerin performansını sınırlayan temel etkenlerdir. Bu çalışmada, RF reaktif magnetron saçtırma yöntemiyle büyütülen TiO2 ince filmler kullanılarak kanal genişliğinin alan etkili fototransistörlerin optoelektronik özelliklerine etkisi sistematik olarak incelenmiştir. P-tipi Si alttaş üzerine 150 nm kalınlığında TiO2 etkin katman biriktirilmiş ve 5, 6, 7,5 ve 9 µm kanal genişliğine sahip fototransistörler üretilmiştir. Üretilen aygıtlar 385 nm dalga boyunda UV ışık altında test edilmiştir. Düşük foton akısı koşullarında gerçekleştirilen ölçümler, aygıtların 6,4–22,9 µW/cm2 aralığında dahi kararlı ve ayırt edilebilir bir fotocevap üretebildiğini göstermiştir. En geniş kanallı aygıt (9 µm) için 22,9 µW/cm2 ışık şiddeti altında 10,5 A/W fotoyanıt ve 6,6 x1010 Jones tespit edilebilirlik ile en yüksek ışık duyarlılığını sergilemiştir. Özellikle en düşük ışık şiddeti olan 6,4 µW/cm2 seviyesinde bile belirgin akım modülasyonu gözlenmesi, aygıtın zayıf UV sinyallerini algılayabildiğini açıkça ortaya koymaktadır. Dar kanallı yapılar daha düşük fotoakım kazancı üretmekle birlikte daha keskin alt eşik eğimi (≈10–13 V/dec) göstermiştir. Taşıyıcı hareketliliği ve geçiş iletkenliği analizleri, geniş kanalların fototaşıyıcı toplanmasını artırarak yüksek kazanç sağladığını; dar kanalların ise daha hızlı anahtarlama ve daha güçlü kapı kontrolü sunduğunu ortaya koymaktadır. Yapısal karakterizasyon, filmlerin baskın olarak amorf fazda olduğunu, yüzey morfolojisinin homojen kaldığını ve bileşim kontrolünün başarılı şekilde sağlandığını göstermiştir. Süreç parametrelerinin eniyilenmesi kapsamında belirlenen 1,5 sccm O2 koşulu ve kontrollü işlem sıcaklığı, TiO2 filmlerinde düşük oksijen boşluğu yoğunluğu ve kararlı elektriksel davranış elde edilmesini sağlamıştır. Bu çalışma, literatürde ilk kez kanal geometrisi ile ince film eniyileme sürecini birlikte ele alarak TiO2 tabanlı fototransistörlerin performansını nicel olarak ortaya koymaktadır. Sonuçlar, çok düşük foton akısı koşullarında dahi UV ışınımını güvenilir biçimde ayırt edebilen, ölçeklenebilir ve yüksek duyarlılığa sahip bir TiO2 fototransistör platformu ortaya koymaktadır. Bu çalışma, zayıf UV sinyallerinin algılanmasına odaklanan yeni nesil fotodetektörler için performans ve aygıt mimarisi açısından özgün katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Titanium dioxide (TiO2) is one of the most prominent semiconductor oxides in ultraviolet (UV) photodetector technology due to its wide bandgap, chemical stability, low production cost, and environmentally benign nature. However, limited electrical conductivity, the need for precise control of oxygen vacancies, and strong sensitivity to device geometry are key factors that constrain the performance of TiO2-based phototransistors. In this study, the effect of channel width on the optoelectronic characteristics of field-effect phototransistors was systematically investigated using TiO₂ thin films grown by RF reactive magnetron sputtering. A 150 nm thick TiO2 active layer was deposited on a p-type Si substrate, and phototransistors with channel widths of 5, 6, 7.5, and 9 µm were fabricated. The devices were tested under 385 nm UV illumination. Measurements performed under low photon flux conditions showed that the devices generated a stable and distinguishable photoresponse even within the 6.4–22.9 µW/cm2 intensity range. The widest-channel device (9 µm) exhibited the highest light sensitivity, achieving a responsivity of 10.5 A/W and a detectivity of 6.6 x 1010 Jones under 22.9 µW/cm² illumination. Notably, clear current modulation was observed even at the lowest intensity level of 6.4 µW/cm2, demonstrating the device's capability to detect weak UV signals. While narrow-channel structures produced lower photocurrent gain, they exhibited sharper subthreshold swing values (≈10–13 V/dec). Carrier mobility and transconductance analyses revealed that wider channels enhance photocarrier collection and provide higher gain, whereas narrower channels enable faster switching and stronger gate control. Structural characterization confirmed that the films remained predominantly amorphous, with homogeneous surface morphology and well-controlled composition. Process optimization identified 1.5 sccm O2 flow and controlled process temperature as key parameters for achieving low oxygen vacancy density and stable electrical behavior in TiO2 films. This work is the first in the literature to correlate channel geometry and thin-film optimization in TiO2-based phototransistors quantitatively. The results demonstrate a scalable, highly sensitive TiO2 phototransistor architecture capable of reliably discriminating UV radiation even under extremely low photon flux conditions. The study provides an original contribution to next-generation photodetectors focused on weak UV signal detection, both in terms of performance and device architecture.
Benzer Tezler
- Metal oksit ince filmlerin saçtırma tekniği ile üretimi karakterizasyonu ve gaz sensörü uygulamalarının araştırılması
Production and characterization of metal oxide thin films by sputtering technique and investigation of gas sensor applications
FATİH ŞENASLAN
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN ÇELİK
- TiO2 tabanlı perovskite güneş pillerinde tekrarlanabilir üretim koşullarının belirlenmesi
Determination of the reproducible production conditions of the TiO2-based perovskite solar cells
ÇİSEM KIRBIYIK
Doktora
Türkçe
2017
Kimya MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT KUŞ
- Vanadyum Pentaoksit Fotoanot malzemesinin Nanokristal TiO2 tabanlı güneş pillerinin fotovoltaik özelliklerine etkisi
The Effect Of Vanadium Pentoxide Photoanodes materials in Nanocrystalline TİO2 based dye sensitized solar cell (DSSC) on photovoltaic properties
DAMLA EREKLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriKütahya Dumlupınar ÜniversitesiNanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÖÇMEZ
- Organik tabanlı güneş hücrelerinde kullanılabilecek ftalosiyaninlerin hesapsal olarak araştırılması, tasarımı ve sentezi
Design, computational screening and synthesis of novel phthalocyanines as organic based solar cell materials
MERAL ARI
- Perovskit güneş hücrelerinde nb katkılı elektron taşıma katmanının tavlama sıcaklığının performansa etkisi
Effect of annealing temperature of NB-doped electron transport layer on the performance of perovskite solar cells
ÖZNUR ARSLAN
Doktora
Türkçe
2025
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ KINACI