AlGaN UV photodetectors: From micro to nano
AlGaN UV fotodedektörler: Mikrodan nanoya
- Tez No: 297738
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 158
Özet
AlGaN temelli alaşımların soğurma kesimi Al oranı değiştirilerek derin UV dalgaboylarından yakın UV dalgaboylarına kadar ayarlanabilir. Bu özellik, malzemeyi, askeri, çevresel ve biyolojik görüntüleme gibi pek çok teknolojik alanlarda kullanma imkanı sağlamaktadır. Bu çalışmamızda, farklı uygulamalara yönelik UV fotodedektörler tasarladık ve ürettik. Çoklu bantlarda soğurma yapabilen dedektörler UV ışığı farklı dalgaboylarında algılayabilmektedirler. Bu amaçla, tek seferde büyütülmüş çoklu AlGaN katmanları üzerinde iki ve dört bantlı fotodedektörler ürettik. Bu, yukarı doğru azalan Al oranlarında AlGaN katmanları büyütülerek sağlandı. İki farklı tipte aygıt tasarımı yapıldı. Birinci tipte fotodedektör dört aktif soğurma katmanından oluştu. Her katman aynı zamanda diğer bantlar için filtre görevi gördü. İkinci tipte ise, her bant için farklı Al oranında bir aktif soğuma ve bir pasif filtre katmanı vardı. İki bantlı fotodedektörün her bandı için yarı doruk genişliği (YDG) kısa ve uzun bantlar için sırasıyla 11 ve 22 nm olarak ölçüldü. Bantlar arası bin kattan fazla kontrast ölçüldü. Birinci tip dört bantlı fotodedektör uzun banttan kısa banda doğru 18, 17, 22 ve 9 nm YDG gösterirken ikinci tip dört bantlı fotodedektör 8, 12, 11 ve 8 nm YDG gösterdi. Ayrıca bantlar arası kontrast on kattan yüz kata çıktı. Fotonik aygıtların plazmonik yapılarla güçlendirilmesi geçtiğimiz on yıldır çok ilgi çekmektedir. Fakat UV bölgede, bu konuda yapılmış çalışma hemen hemen hiç yoktur. Çalışmamızın ikinci kısmında ürettiğimiz çeşitli nano-yapıları GaN fotodedektörler ile bütünleştirdik ve fotodedektör cevabında bir iyileşme gözlemlerdik. Elektron mikroskobu ile safir üzerine Al nano-parçacıklar ürettik. Spektral geçirgenlik ölçümleri ile bu parçacıkların karakterizasyonu yaptık. Aynı nano-parçacıkları GaN fotodedektörler üzerine koyduğumuzda dedektör cevabında bir buçuk kata varan iyileşme gözlemledik. İkinci olarak, dalgaboyu altı fotodedektörler ürettik. Bu dedektörleri Al kırınım ağı ile bütünleştirdik. Kırınım ağının plasmonik çınlama dalgaboyu civarcında yüzeye dik aydınlatma ile fotodedektör cevabında sekiz kata varan bir iyileşme tespit ettik. Bilgisayar simülasyonları bu iyileşmenin hem yüzey plazmonlarına hem de yüzeyde oluşan sızıntı radyasyonuna bağlı olduğunu gösterdi. Son olarak AlGaN temelli malzemelerde Schottky tipi bariyerlerindeki akım mekanizmalarını inceleyen temel araştırmalar yaptık. Sonuçlara göre baskın akım mekanizmasının tünelleme akımı olduğu tespit edildi. Ayrıca metal-yarıiletken arayüzüne koyulacak ince yalıtkan katmanların istenmeyen ara-yüzey enerji seviyelerini düşürdüğü ve bu sayede aygıt performansını artırdığı gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
The absorption edge of AlGaN based alloys can be tuned from deep UV to near UV by changing the composition. This enables the use of the material in various technological applications such as military, environmental monitoring and biological imaging. In this thesis, we proposed and demonstrated various UV photodetectors for different purposes. The multi-band photodetectors have the unique ability to sense the UV spectrum in different portions at the same time. We demonstrated monolithically integrated dual and four-band photodetectors with multi layer structures grown on sapphire. This was achieved through epitaxial growth of multi AlGaN layers with decreasing Al content. We suggested two different device architectures. First one has separate filter and active layers, whereas the second one has all active layers which are used as filter layers as well. The full width at half maximum (FWHM) values for the dual band photodetector was 11 and 22 nm with more than three orders of magnitude inter-band rejection ratio. The self-filtering four band photodetector has FWHMs of 18, 17, 22 and 9 nm from longer to shorter bands. Whereas photodetector with separate filter layers has FWHMs of 8, 12, 11 and 8 nm, from longer to shorter bands. The overall inter-band rejection ration was increased from about one to two of magnitude after incorporating the passive filter layers. The plasmonic enhancement of photonic devices has attracted much attention for the past decade. However, there is not much research that has been conducted in UV region. In the second part of this thesis, we fabricated nano-structures on GaN based photodetectors and improved the responsivity of the device. We have fabricated Al nano-particles on sapphire with e-beam lithography. We characterized their response via spectral extinction measurements. We integrated these particles with GaN photodetectors and had enhancement of %50 at the plasmonic resonance of the nano-particles. Secondly, we have fabricated sub-wavelength photodetectors on GaN coupled with linear gratings. We had 8 fold enhancement in the responsivity at the plasmonic resonance frequency of the grating at normal incidence. Numerical simulations revealed that both surface plasmons and the unbound leaky surface waves played a role in the enhancement. We, finally, conducted basic research on the current transport mechanisms in Schottky barriers of AlGaN based materials. Experiments revealed that the tunneling current plays a major role in current transport. In addition incorporation, of a thin insulator between metal-semiconductor interface reduces the undesired surface states thereby improving the device performance.
Benzer Tezler
- The growth, fabrication and characterisation of high performance AlxGa1-xN metal-semiconducto-metal photodiodes
Yüksek performanslı AlxGa1-xN metal-yarıiletken-metal fotodiyotların büyütülmesi, üretilmesi ve karakterizasyonu
SERKAN BÜTÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF.DR. EKMEL ÖZBAY
- Silicon carbide based nanoelectronic and optoelectronic devices for harsh environment applications
Zorlu ortam uygulamaları için silikon karbür bazlı nanoelektronik ve optoelektronik cihazlar
HABEEB MOUSA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAŞİF TEKER
- Alkil sübstitüentli ditiyenotiyofenlerin sentezi ve elektronik özelliklerinin incelenmesi
Syntheses of alkyl substituted dithienotiophenes and investigation of their electronic properties
FATMA DİKÇAL
- Yarı iletken gaz boşalma sisteminde plazma süreçlerinin özellikleri
Pecularities of plasma processes over semiconductor gas discharge system
AYŞE İNALÖZ
Doktora
Türkçe
2010
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TOFİG MAMMADOV
- GaN/AlGaN-based UV photodetectors wıth performances exceedıng the pmts
Pmt performansını geçen GaN/AlGaN-tabanlı UV fotodedektörler
TURGUT TUT
Doktora
İngilizce
2008
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY