Terahertz and mid-infrared photodetectors based on intersubband transitions in novel materials systems
Yeni malzeme sistemlerinde bantlar arası geçişe dayalı terahertz ve orta kızılötesi fotodedektörler
- Tez No: 889799
- Danışmanlar: PROF. ROBERTO PAİELLA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boston University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Terahertz (THz) ve orta kızılötesi (MIR) spektral bölgelerinin endüstriyel, biyomedikal ve askeri sektörlerde birçok potansiyel uygulaması vardır. Ancak, elektromanyetik spektrumun bu bölgesinin geniş bir kısmı (özellikle THz aralığı), esas olarak uygun kaynakların ve fotodedektörlerin bulunmaması ve yeterince küçük bant aralığı enerjilerine sahip pratik yarı iletken malzemelerin bulunmaması nedeniyle hala nispeten keşfedilmemiştir. Kuantum heteroyapılarda kuantumlu enerji durumları arasındaki alt bantlar arası geçişler (ISBT'ler), uygun katman kalınlıkları ve bileşimleri seçilerek THz bölgesi dahil geniş bir spektral aralıkta ayarlanabilir dalga boyları sağlar. Bu çalışma, GaN/AlGaN ve Si/SiGe heteroyapılarındaki ISBT'leri temel alan THz ve MIR Kuantum Kuyu Kızılötesi Fotodetektörlerin (QWIP'ler) geliştirilmesine odaklanmaktadır. Büyük optik fonon enerjileri nedeniyle GaN malzemeleri, GaAs'a dayalı mevcut uzak kızılötesi fotodetektörlerin spektral erişiminin genişletilmesine olanak tanır ve daha yüksek sıcaklıkta çalışmaya olanak sağlayabilir. MIR optoelektronik cihazlar alanında, gerinim mühendisliği ile üretilmiş nanomembranlar formundaki Si/SiGe heteroyapılarındaki ISBT'leri temel alan QWIP'ler geliştirmeye odaklandım. Polar olmayan doğaları nedeniyle bu malzemelerde, geleneksel III-V yarı iletkenlerin aksine, reststrahlen absorpsiyonu ve ultra hızlı rezonans elektron/fonon saçılımı yoktur. Bu nedenle, Si/SiGe kuantum kuyuları (QW'ler), CMOS teknolojisiyle doğrudan entegrasyonun ek avantajıyla birlikte, yüksek sıcaklıkta yüksek performanslı ISB cihaz çalışması (özellikle THz bölgesinde) için de potansiyel adaylardır. Bu tez çalışmasında, önerilen cihazların aktif bölgesini tasarlamak için sayısal modelleme kullanılmış, ardından kilitli adımlı taramalı Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisine dayalı örnek üretim ve karakterizasyon yapılmıştır. Üç özel QWIP cihazı geliştirilmiştir. Bunlardan ilki, GaN/AlGaN heteroyapılarının içsel elektrik alanları tarafından sağlanan malzeme sınırlamalarını hafifletmek amacıyla yeni bir çift adımlı QW tasarımına dayanan bir III-nitrür THz QWIP'dir. Daha sonra, iç alanların zararlı etkilerinin neredeyse tamamen ortadan kaldırıldığı yarı kutuplu (2021) GaN üzerinde büyütülmüş bir THz GaN/AlGaN QWIP geliştirdim. Son olarak, SiGe QW'lerde normalde bulunan malzeme kalitesi sorunlarını çözmek için nanomembran gerinim mühendisliğinin kullanıldığı yeni bir üretim yaklaşımına dayanan bir Si/SiGe MIR QWIP gösterdim. Her durumda umut verici fotodetektör performansı elde edildi.
Özet (Çeviri)
The terahertz (THz) and mid-infrared (MIR) spectral regions have many potential applications in the industrial, biomedical, and military sectors. Yet, a wide portion of this region of the electromagnetic spectrum (particularly the THz range) is still relatively unexplored, due mainly to the absence of suitable sources and photodetectors, related to the lack of practical semiconductor materials with adequately small band gap energies. Intersubband transitions (ISBTs) between quantized energy states in quantum heterostructures provide tunable wavelengths over a broad spectral range including the THz region, by choosing appropriate layer thicknesses and compositions. This work focuses on the development of THz and MIR Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIPs) based on ISBTs in GaN/AlGaN and Si/SiGe heterostructures. Due to their large optical phonon energies, GaN materials allow extending the spectral reach of existing far-infrared photodetectors based on GaAs, and may enable higher- temperature operation. In the area of MIR optoelectronic devices, I have focused on developing QWIPs based on ISBTs in Si/SiGe heterostructures in the form of on strain-engineered nanomembranes. Due to their non-polar nature, these materials are free from reststrahlen absorption and ultrafast resonant electron/phonon scattering, unlike traditional III-V semiconductors. Therefore, Si/SiGe quantum wells (QWs) are also promising candidates for high-temperature high-performance ISB device operation (particularly in the THz region), with the additional advantage of direct integration with CMOS technology. In this thesis work, numerical modeling is used to design the active region of the proposed devices, followed by sample fabrication and characterization based on lock-in step-scan Fourier transform infrared spectroscopy. Three specific QWIP devices have been developed. The first is a III-nitride THz QWIP based on a novel double-step QW design in order to alleviate the material limitations provided by the intrinsic electric fields of GaN/AlGaN heterostructures. Next, I have developed a THz GaN/AlGaN QWIP grown on semi-polar (2021) GaN, where the detrimental effects of the internal fields are almost completely eliminated. Finally, I have demonstrated a Si/SiGe MIR QWIP based on a novel fabrication approach, where nanomembrane strain engineering is used to address the materials quality issues normally found in SiGe QWs. Promising photodetector performance is obtained in all cases.
Benzer Tezler
- Optical and thermal dynamics of long wave quantum cascade lasers
Uzun dalgaboylu kuantum çağlayan lazerlerin ısıl ve optik dinamikleri
SİNAN GÜNDOĞDU
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Millimeter wave/terahertz detection of target signatures with low infrared visibility
Kızılötesinde düşük görünürlüğe sahip hedef izlerinin milimetre dalga/terahertz tespiti
BERAT AYTAÇ
Doktora
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALTAN
- SiGe constructive wave oscillator based terahertz frequency multipliers
Başlık çevirisi yok
GÖKER ARIYAK
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNorth Carolina A&T State UniversityDr. NUMAN S. DOĞAN
- Altın nanoparçacık temelli terahertz (THz) metamalzemeler
Gold nanoparticle based terahertz (THz) metamaterials
KADİR TUĞRUL BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CELAL YILDIZ
- Microwave region electromagnetic absorber design and applications
Mikrodalga bölgesi elektromanyetik soğurucu tasarım ve uygulamaları
KHALID SAEED LATEEF AL-BADRI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EVREN EKMEKÇİ