Optimization, fabrication, and characterization of dual-band InGaAs NBN photodetectors
Çift bantlı InGaAs NBN fotoalgılayıcıların optimizasyonu, üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 763573
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERDAR KOCAMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Birçok uygulama 1-3 um aralığındaki kızılötesi dalga boylarını kullandığı için Kısa Dalga Boylu Kızılötesi (KDK) ve Genişletilmiş Kısa Dalga Boylu Kızılötesi (gKDK) bölgeleri oldukça ilgi çekmektedir. Gaz algılama, spektroskopi, gıda güvenliği, astronomi, görüntüleme ve optik iletişim bu uygulamalar arasında yer almaktadır. Tipik olarak KDK/gKDK bantlarındaki düşük radyasyon seviyeleri KDK/gKDK fotoalgılayıcılarının yüksek kuantum verimliliği ve düşük karanlık akım değerlerine sahip üstün bir performans göstermesini gerektirmektedir. InP'a örgü eşlenik InGaAs malzemeler ile üretilen fotoalgılayıcılar, yüzey kaçak akımlarından dolayı olumsuz etkilenmelerine rağmen kabul edilebilir maliyetlerle en iyi performansı sunmaktadır. Ancak algılama kesim dalga boyunun 1.7 um seviyesinden 2.5 um seviyesine doğru uzaması, 1.7 um dalga boyundan uzun dalga boylarında InGaAs ve InP örgü eşlenik olmadığı için malzeme kalitesinin ciddi ölçüde düşmesine sebep olmaktadır. Görece daha yeni olan nBn tipi algılayıcılar ise yüzey kaçak akımları ve malzeme kaynaklı karanlık akım mekanizmalarına karşı etkili çözümler sunmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, çift bant algılama kabiliyetine sahip 1.7 um / 2.0 um dalga boyunda çalışan nBn tipi InGaAs fotoalgılayıcı tasarlanmış, üretilmiş ve karakterize edilmiştir. İstem dışı seviyede katkılanmış InAlGaAs katmanı, iki InGaAs n-tipi emici katman arasına bariyer olarak yerleştirilmiştir. Bariyere p-tipi delta katkılama uygulanarak bütün cihazın bant yapısı, valans bandında fotouyarılmış taşıyıcıların akışını engelleyecek bir kayma oluşmayacak şekilde ayarlanmıştır. 300 K sıcaklıkta ve büyük alanlı bir piksel üzerinde yapılan karanlık akım ölçümü KDK ve gKDK kısımları için sırasıyla 3.40 mA/cm^2 ve 0.61 uA/cm^2 karanlık akım değerlerini vermiştir. 200 K sıcaklıktaki karanlık akım yoğunluğu değerleri gKDK bandı için 8.05 uA/cm^2 seviyesine düşerken KDK bandı 1.09 nA/cm^2 seviyesinde karanlık akım yoğunluğu vermiştir. Arrhenius grafikleri hem KDK hem de gKDK bantları için tünelleme ve yüzey bileşenlerinin başarılı bir şekilde elendiği anlamına gelen sabit bir eğim göstermiştir. Yüzey kaçak akımlarının bastırıldığı değişik alanlı pikseller üzerinde yapılan karanlık akım yoğunluğu ölçümleriyle ayrıca doğrulanmıştır. Yansıma önleyici kaplama olmaksızın gerçekleştirilen optik ölçümler gKDK ve KDK kısımları için sırasıyla 67% ve 53% tepe kuantum verimliliği değerleri ölçülmüştür. Yüksek kuantum verimliliği değerleri valans bandında bir kayma olmadığını doğrulamıştır.
Özet (Çeviri)
Shortwave and extended shortwave infrared regions are attracting significant attention since many applications utilize infrared wavelengths between 1-3 um. Gas sensing, spectroscopy, food safety, astronomy, imaging, and optical communication are among the applications that utilize SWIR/eSWIR detectors. Typically Low radiation levels at SWIR/eSWIR bands require SWIR/eSWIR photodetectors to have outstanding performance, including high quantum efficiency and very low dark current. Photodetectors built with InGaAs lattice matched to InP provide the best performance at affordable costs, although they suffer from surface leakage currents. However, extending the cut-off wavelength from 1.7 um to 2.5 um causes material quality to decrease significantly due to the lattice mismatch between InGaAs/InP. nBn detectors, introduced relatively recently, offer effective solutions to dark current mechanisms due to surface leakage and material-related problems. In the scope of this thesis study, an nBn type InGaAs photodetector at 1.7 um / 2.0 um with dual-band capacity was designed, fabricated, and characterized. An unintentionally doped InAlGaAs layer was placed between two n-type InGaAs absorbers as the barrier material. p-type delta doping was applied to the barrier to arrange the band structure of the overall device so that there is no valance band offset that hinders the flow of the photoexcited minority carriers. Dark current measurements at 300 K on a large area pixel yield 3.40 mA/cm^2 and 0.61 um A/cm^2 for the eSWIR and SWIR sides, respectively. Dark current values at 200 K for the eSWIR decreased to 8.05 uA/cm^2, while the SWIR side provided 1.09 nA/cm^2. Arrhenius plots for both SWIR and eSWIR sides presented a fixed slope, meaning tunneling and surface components were successfully eliminated. Suppression of surface leakage currents was also verified with dark current measurements on different area pixels. Optical measurements without anti-reflective coating yielded 67% and 53% peak quantum efficiencies for eSWIR and SWIR sides, respectively. High quantum efficiency values acknowledged the absence of valance band offset.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of nbn Inas/Gasb/B-Al(x)ga(1-x)sb type-II superlattice detectors with dual-color detection in mwir
Orta dalga boyunda çift renkli algılama yapabilen nbn Inas/Gasb/B-Al(x)ga(1-x)sb tip-II süperörgü dedektörlerin fabrikasyonu ve karakterizasyonu
UTKU ÇEKMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Mechanical behavior of additively manufactured polymer composite structures and interfaces
Eklemeli imalat ile üretilen polimer kompozit yapıların ve arayüzeylerin mekanik özellikleri
MEHMET KEPENEKCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEZER ÖZERİNÇ
- Design, fabrication and characterization of an ultra-broadband metamaterial absorber using bismuth in the near infrared region
Yakın kızılötesi bölgesinde çalışan çok geniş bantlı bir metamalzeme soğurucunun bizmut kullanılarak tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
İMRE ÖZBAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL SAYAN
- Design, fabrication, and characterization of normally-off GaN hemts
Normalde kapalı YEMT aygıtların tasarım, fabrikasyon ve karakterizasyonu
MELİSA EKİN GÜLSEREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Design, fabrication and characterization of interdigitated back contact silicon solar cells
Arka kontak arka eklemli silisyum güneş gözelerinin tasarım, üretim ve karakterizasyonu
EMİNE HANDE ÇİFTPINAR
Doktora
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAŞİT TURAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK YERCİ