Ultraviolet solar blind Ga2O3 based photodetectors
Ultraviyole güneş körü Ga2O3 tabanlı fotodedektörler
- Tez No: 765584
- Danışmanlar: PROF. DR. WINSTON V. SCHOENFELD
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Central Florida
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Optik ve Fotonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 266
Özet
Derin ultraviyole (DUV) bölgesi (~200-280 nm) içindeki algılama, belirli optik izleri araştırmak için benzersiz temel avantajlar sunar. Bu nedenle, alev ve füze algılama, görüş hattı olmayan ve uzaydan uzaya iletişim gibi birçok uygulama ortaya çıkmıştır. Ga2O3, içsel ultra geniş optik bant aralığı (~4.85 eV), dışsal n-tipi katkılanabilirlik ve mükemmel kimyasal ve fiziksel stabilitesi sayesinde DUV tespiti için doğal bir seçim haline geldi. Ga2O3'ın bugüne kadar yeterli bir p-tipi katkısı yoktur ve fabrikasyon fotodedektörler, tüm güneş körü bölgesinin (~200-245 nm) yalnızca bir kısmını kapsayabilir. Ayrıca, β-Ga2O3 ve alaşımları için çeşitli büyüme parametrelerinin malzeme özelliklerini (yani kusurları) nasıl etkilediği ve bunların nihai olarak işlevsel cihaz özelliklerinde nasıl bir rol oynadığı konusunda literatürde sınırlı bir anlayış vardır. Bu tez, yukarıda bahsedilen zorlukları moleküler ışın epitaksisi (MBE) ile epitaksiyel büyümeyi, cihaz üretimini ve karakterizasyonunu kapsayan sistematik çalışmalarla ele almayı ve bunların optik, yapısal, bileşimsel ve cihaz özelliklerini nasıl etkilediğine dair kapsamlı bir anlayış ortaya koymayı amaçlamaktadır. Deneyler, yığınsal n-Ga2O3, safir üzerinde Ga2O3 homoepitaksiyel ve heteroepitaksiyel büyümesiyle başlar ve monolitik entegrasyon için MBE ile silikon üzerinde büyütmeyle ilerler. n-Si substrat üzerinde yeni bir Ga2O3 çekirdekleme tekniği, yüksek duyarlılığa sahip en hızlı işlevsel DUV fotodedektörlerinden birinin elde edilmesini sağladı. Ayrıca, In ve Sn ile Ga2O3'ın alaşımlanması yoluyla bant aralığı mühendisliği, DUV kapsamını iyileştirdi, kesme dalga boyunu ~245 nm'nin üzerine çıkarırken, daha yüksek duyarlılıklardan yararlandı. Sn alaşımlama ile düzlemsel cihazlar arasında rekor kıran bir ışık duyarlılığı (~35 kA/W) elde edildi. Bu cihazlarda alışılmadık derecede yüksek fotoiletken kazanımlara yol açan mekanizmalar, temel nedeni belirlemek için araştırıldı. Nokta kusurları, özellikle galyum boşluğu ile ilgili kompleksler, Schottky bariyer fotodedektörlerinin uzay-yük-bölgesinde (space-charge region) deşik (hole) yakalama yoluyla ultra yüksek kazançların en olası kaynağı olarak tanımlandı. Ayrıca, bu kompleksler nedeniyle bant genişliği ve duyarlılık arasında doğrudan bir ilişki gözlemlendi.
Özet (Çeviri)
Detection within the deep ultraviolet (DUV) region (~200-280 nm) offers unique fundamental advantages to probe certain optical traces. Therefore, many applications have emerged including flame and missile detection, and non-line of sight and space-to-space communication. Ga2O3 has become a natural choice for DUV detection owing to its intrinsic ultra-wide optical bandgap (~4.85 eV), extrinsic n-type dopability, and excellent chemical and physical stability. However, Ga2O3 has no viable p-type doping to date, and fabricated photodetectors show only partial coverage of the entire solar-blind region (~200-245nm). Furthermore, there is a limited understanding of how various growth parameters for Beta-Ga2O3 and its alloys impact the material properties (i.e. defects), and how these ultimately play a role in functional device characteristics. This dissertation aims to address the aforementioned challenges with systematic studies spanning across epitaxial growth by molecular beam epitaxy (MBE), device fabrication, and characterization, leading to a comprehensive understanding of how these impact the optical, structural, compositional, and device properties. The experiments start with homoepitaxial and heteroepitaxial growth of Ga2O3 on bulk n-Ga2O3, sapphire, and advance to the growth on Si by MBE for monolithic integration. A novel nucleation technique of Ga2O3 on n-Si substrate allowed achieving one of the fastest functional DUV photodetectors with high responsivities. Furthermore, bandgap engineering via alloying Ga2O3 with In and Sn improved the DUV coverage, extending the cut-off wavelength beyond ~245 nm, while benefitting higher responsivities. A record-setting photoresponsivity (~35 kA/W) among planar devices was achieved with Sn alloying. The mechanisms leading to the unusually high photoconductive gains in these devices were investigated to determine the root cause. Point defects, particularly gallium vacancy-related complexes, are identified as the most likely source of ultra-high gains by hole-trapping at space-charge-region of Schottky barrier photodetectors. Moreover, a direct trade-off between bandwidth and responsivity was observed due to these complexes.
Benzer Tezler
- Ga2O3/p-Si P-N hetero eklemli UV fotodedektörlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of Ga2O3/p-Si P-N hetero junction UV photodetectors
UĞUR HARMANCI
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHarran ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET TAHİR GÜLLÜOĞLU
PROF. DR. ABDULLAH YILDIZ
- Ultraviolet-visible nanophotonic devices
Morötesi-görünür bölge nanofotonik aygıtlar
BAYRAM BÜTÜN
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- High performance AlxGa1-xN based UV photodetectors for visible/solar-blind applications
Görünür/güneş körü uygulamalar için yüksek performanslı AlxGa1-xN temelli mor-ötesi fotodetektörler
NECMİ BIYIKLI
Doktora
İngilizce
2004
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. EKMEL ÖZBAY
PROF. ORHAN AYTÜR
- 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
- TiO2 and Ce-TiO2 Photocatalysts for water remediation and energy applications
Su iyileştirme ve enerji uygulamaları için TiO2 ve Ce-TiO2 fotokatalizörleri
SELDA TOPÇU
Doktora
İngilizce
2016
EnerjiState University of New York (SUNY)Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. PERENA GOUMA