Alüminyum konsantrasyonunun aı: nio/psi fotodedektörlerin yapısal,optiksel ve elektriksel özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of aluminum concentration on structural, optical and electrical properties of ai: nio/psi photodetectors
- Tez No: 970210
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER ÇETİNEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Fotodedektör, Alüminyum, Elektrokimyasal birikim, Nikel oksit, Gözenekli Silisyum, Elektron mikroskobu, X ışını fotoelektron spektroskopisi, Yarı iletken ince filmler, Photodetector, Aluminum, Electrochemical deposition, Nickel oxide, Porous Silicon, Electron microscope, X ray photoelectron spectroscopy, Semiconductor thin films
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, fotodedektör teknolojilerinde önemli bir yarıiletken olan nikel oksit (NiO) yapısının, alüminyum (Al) katkısıyla iyileştirilerek gözenekli silisyum (PSi) yüzeyler üzerinde fotodedektör performansının nasıl etkilendiğini incelemeyi amaçlamaktadır. NiO, geniş bant aralığı (yaklaşık 3,6–4,0 eV), kimyasal kararlılığı ve p-tipi iletkenlik özelliği sayesinde özellikle UV bölgesine duyarlı optoelektronik aygıtlarda sıkça tercih edilmektedir. Ancak saf NiO'nun düşük taşıyıcı yoğunluğu ve iletkenliği gibi sınırlayıcı yönlerinin giderilmesi amacıyla farklı elementlerle katkılandırılması gerekmektedir. Bu bağlamda, Al katkısı ile kristal yapıdaki düzenliliğin artırılması ve boşluk taşıyıcı yoğunluğunun iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında, gözenekli silisyum yüzeyler üzerine elektrokimyasal biriktirme yöntemiyle çeşitli Al konsantrasyonlarında (0,05 mM, 0,1mM, 0,5mM, 1mM, 3 mM, 5mM ve 7,5 mM) katkılanmış NiO ince filmleri sentezlenmiş, bu filmler için yapısal, optiksel ve elektriksel karakterizasyon testler yapılmıştır. Elektrokimyasal biriktirme yöntemi, düşük sıcaklık gereksinimi ve yüzeye doğrudan kontrollü film biriktirme kabiliyeti sayesinde, özellikle gözenekli yüzeylerde yüksek homojenlikte kaplamaların elde edilmesine olanak tanımaktadır. Gözenekli silisyum yüzeyin tercih edilme nedeni ise, ışık emilimini artıran geniş yüzey alanı sağlaması ve taşıyıcı üretimini artırma potansiyelleri nedeniyle tercih edilmektedir. Yapısal analizler X-ışını Kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak gerçekleştirilmiş, Al katkı oranlarının artmasıyla birlikte kristal yapıda belirgin iyileşmeler ve tane boyutlarında küçülmeler gözlemlenmiştir. Al iyonlarının NiO örgüsüne entegre olmasıyla birlikte kristal kusurların azaldığı yüzey morfolojisinin daha homojen hale geldiği ve film kalitesinin iyileştiği tespit edilmiştir ancak Al katkısının belirli bir eşik değerinin üzerine çıkması durumunda, film yapısında yeniden bozulmalar meydana gelmiş ve bu da performansta düşüşe neden olmuştur. Ayrıca, X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) analizleri ile Al katkısının, Ni²⁺/Ni³⁺ oranını etkileyerek boşluk taşıyıcı yoğunluğunu artırdığı ve p-tipi iletkenliği olumlu yönde geliştirdiği belirlenmiştir. Optik karakterizasyon sonuçlarına göre, Al katkılı NiO filmlerde bant aralığında hafif bir genişleme (~3,75 eV'den ~3,82 eV'ye) meydana gelmiş, bu durum UV ışığa karşı seçiciliğin arttığını göstermiştir. Optik geçirgenliğin özellikle görünür bölgedeki yüksekliği, Al katkısının NiO'nun saydamlık özelliklerini güçlendirdiğini ortaya koymuştur. Bu bağlamda, Al katkısı ile geliştirilen NiO filmlerin filtre gerektirmeyen UV fotodedektör uygulamalarına uygunluğu vurgulanmaktadır. Elektriksel karakterizasyonlar kapsamında, I–V (akım-gerilim) ve I–t (akım-zaman) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümler farklı ışık dalga boylarında (365 nm, 450 nm, 535 nm, 650 nm, 850 nm) ve çeşitli gerilim değerlerinde (1 V, 3 V, 5 V, 7 V, 9 V) yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, Al katkı oranı arttıkça cihazın ışık altında verdiği yanıtın güçlendiğini; özellikle 3 mM Al katkısında en yüksek duyarlılık (responsivity, R), dış kuantum verimi (quantum efficiency, QE) ve algılama yeteneği (detectivity, D) değerlerinin elde edildiğini göstermiştir. 0,05 mM gibi düşük katkılarda performans sınırlı kalırken, 7,5 mM oranında ise taşıyıcı yoğunluğunun aşırı artışı nedeniyle yeniden birleşme olaylarının hızlanarak verimi düşürdüğü tespit edilmiştir. Bu bağlamda 3 mM'lik Al katkısı, optimum katkı oranı olarak değerlendirilmiştir. Bu tez çalışması, Al katkısının NiO/PSi tabanlı fotodedektörlerin performansını yapısal, optiksel ve elektriksel açılardan belirgin biçimde iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Gözenekli silisyum yüzey üzerinde elektrokimyasal biriktirme yöntemiyle sentezlenen Al:NiO yapılar, yüksek duyarlılık, geniş spektral yanıt aralığı ve düşük karanlık akım değerleriyle fotodedeksiyon uygulamaları için oldukça uygun ve verimli alternatifler sunmaktadır. Özellikle düşük maliyetli, çevresel açıdan sürdürülebilir ve kontrollü üretim teknikleri arayışında olan yeni nesil optoelektronik cihazlar için bu yaklaşım önemli bir katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This study aims to investigate how the performance of photodetectors is affected when the structure of nickel oxide (NiO), a significant semiconductor in photodetector technologies, is improved by aluminum (Al) doping and deposited onto porous silicon (PSi) substrates. NiO is frequently preferred in optoelectronic devices sensitive to the UV region due to its wide band gap (~3.6–4.0 eV), chemical stability, and p-type conductivity. However, to overcome the limitations such as low carrier concentration and electrical conductivity in pure NiO, it must be doped with various elements. In this context, it was aimed to improve the regularity of the crystal structure and to enhance the hole carrier concentration through Al doping. In the scope of this study, NiO thin films doped with various Al concentrations (0,05 mM, 0,1 mM, 0,5 mM, 1 mM, 3 mM, 5 mM, and 7,5 mM) were synthesized on porous silicon substrates using the electrodeposition method. This electrochemical deposition technique allows for the direct and controlled deposition of films at low temperatures and is especially effective in achieving high homogeneity on porous surfaces. The porous silicon surface is preferred because it provides a large surface area that increases light absorption and are favored for their potential to increase transporter production. Structural analyses were conducted using XRD (X-ray Diffraction) and SEM (Scanning Electron Microscopy), revealing that increased Al doping resulted in clear improvements in crystal structure and a reduction in grain sizes. The doping of Al ions into the NiO lattice decreased crystal defects, provided a more homogeneous surface morphology, and improved the overall film quality. Furthermore, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis showed that Al doping affected the Ni²⁺/Ni³⁺ ratio, increasing hole carrier concentration and enhancing p-type conductivity. According to the optical characterization results, a slight bandgap widening (~from 3,75 eV to ~3,82 eV) was observed in Al-doped NiO films, indicating increased selectivity towards UV light. The high optical transmittance in the visible region also confirmed that Al doping enhanced the transparency of NiO films. Thus, Al-doped NiO films were deemed suitable for UV photodetector applications without requiring additional filters. Electrical characterizations included I–V (current-voltage) and I–t (current-time) measurements, which were carried out under various light wavelengths (365 nm, 450 nm, 535 nm, 650 nm, 850 nm) and voltage values (1 V, 3 V, 5 V, 7 V, 9 V). The results showed that as the Al doping ratio increased, the device's photoresponse improved under illumination. The best performance was obtained with 3 mM Al doping, where the highest responsivity, quantum efficiency (QE), and detectivity values were recorded. While performance was limited at low doping levels such as 0,05 mM, excessive doping at 7,5 mM led to increased recombination events due to overly high carrier concentrations, thereby reducing efficiency. Accordingly, 3 mM was identified as the optimum Al doping concentration. This thesis demonstrates that Al doping significantly improves the structural, optical, and electrical performance of NiO/PSi-based photodetectors. Al:NiO structures synthesized via electrodeposition on porous silicon substrates offer high responsivity, broad spectral response range, and low dark current, making them highly suitable and efficient alternatives for photodetection applications. Especially for next-generation optoelectronic devices seeking low-cost, environmentally sustainable, and controllable production techniques, this approach offers notable potential.
Benzer Tezler
- Sıcak yapay gazdan katalitik amonyak giderimi
Catalytic ammonia removal from hot syngas
YELİZ ÇETİN
Doktora
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Poli(ε-kaprolakton-b-sikloheksen oksit) kopolimer sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of poly(ε-caprolactone-b-cyclohexene oxide)
LEVENT DURUKAN
- Metalotermik prosesle titanyum-bor-alüminyum alaşımlarının üretimi
Başlık çevirisi yok
ÇİĞDEM GÖZKOMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONURALP YÜCEL
- Yerli selestit cevherinden Al-Sr master alaşım üretimi ve özelliklerinin araştırılması
Production of Al-Sr master alloy from domestic celestite and investigation of its properties
RAŞİT SEZER
Doktora
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CÜNEYT ARSLAN
- Düşük boyutlu yarıiletken yapılarda sıcak elektronların enerji kayıp mekanizmalarının incelenmesi
An investigation of energy loss mechanism of hot electrons in low dimensional semiconductor structures
GÖKHAN ALGÜN
Doktora
Türkçe
2004
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇETİN ARIKAN