Theses supervised by Prof. Dr. Yüksel Ergün
12 theses · Eskişehir Technical Üniversity, Anadolu University
A simulation study of terahertz quantum well photodetector at 3 THz
In the last few decades, scientists have been rapidly developing new techniques to exploit the THz part of the spectrum, and with the development of fast and reliable THz sources like THz Quantum Cascade Laser, the need to develop fast and reliable THz detectors became obvious and urgent, and the THz QWP is one of the best candidates to fill this gap. This thesis reports a new THz quantum well photodetector with a peak frequency operation of about 3.1 THz and presents a simulation study for the potential profile, the absorption coefficient and the dark current of the device using a developed MATLAB simulations that have been tested by replicating previously published results in the literature.
4x4 k.p yöntemiyle süperörgü sistemlerinin valans band hesaplamaları
Evaluating the band structure of semiconductors is one of the most important for building quantum lasers, MOS-FETs, bipolar transistors, diodes, semiconductor sensors. This thesis studies generalize k.p method to Compute the band structure of some materials such as zincblende. We calculated the band structure of AlGaAs and GaAs compounds, using both 4×4 Kane's model and Luttinger-Kohn's model approximations. The Kane's model provides incorrect effective mass for heavy hole band, neglected distance between bands and it considered only four bands. However, this model developed basis functions which are useful for Luttinger Kohn model. Luttinger Kohn model correct all Kane's model errors and classified bands as main interest bands named class A and some other bands called class B which influence the main interest bands (class A). In this master thesis the multi-band effective-mass theory also is used. This approximation is helpful for wide-band-gap semiconductors such has GaAs. This wide energy band gap, isotropic simple parabolic is used for conduction band while 4×4 Luttinger-Kohn Hamiltonian is used for valence band. Finally, finite-difference method is used to solve numerically results. Keywords: k.p method, Kane's Model, Luttinger-Kohn Model,
Band modelling of N-type superlattice detector systems with using empirical pseudopotential method
There are high performance infrared superlattice photodedector structures as nBn(J. B. Rodriguez, 2007) dedectors, M-structured (P. Y. Delaunay, 2009) dedectors, W structured (C. L. Canedy, 2007) dedectors, Complementary barrier infrared detectors (CBIRD) (David Z.-Y. Ting, 2009) , PbIbN (P: p-tipi materyal, N n-tipi materyal, b: bariyer, I: intrinsic [saf, katkısız yarıiletken]) -structured (N. Gautam, 2010) dedectors and N-structred (Ergun & Aydinli, 2012) dedectors taken place in the literature by my Supervisor as a new design. This structure based on a type-II superlattice pin diode is designed for investigating the e-hh wave function overlap functions under reverse bias (U. Kaya, 2013). The structure is called N-structure on the base of real space band profile of 𝐺𝑎𝑆𝑏/𝐴𝑙𝑆𝑏/𝐼𝑛𝐴𝑠 superlattice system. As long as band gap energies of the system has been calculated according to layer thickness correctly with First Principle Method which our team work before (U. Kaya, 2013); pseudo-potentials calculations with plane wave approach have to be done since Bloch functions of the system may not be calculated correctly with First Principle. Especially in 8-12atmospheric window monolayers are more, then, First Principle Calculations take a lot of time and also the absorption and scattering (electron - phonon) processes leads to calculations may not being correctly. For this reason, band calculations are necessary by using Empirical Pseudopotential Method (EPM). In this thesis 𝐼𝑛𝐴𝑠/𝐴𝑙𝑆𝑏/𝐺𝑎𝑆𝑏 type-II superlattice based new detector structure working in the (8-12 µm) atmospheric windows will be designed. Local terms related bulk band structure, band gap and effective mass values will be done in the most accurate way in different temperatures by using EPM.
N yapılı InAs/AlSb/GaSb kızılötesi süperörgü dedektörlerin test piksel ve odak düzlem dizin fabrikasyonu ve karakterizasyonu
Bu tez çalışmasında, kısa ve orta dalgaboylarında algılama yapan N tasarımlı InAs/AlSb/GaSb süperörgü yapıların fotodedektör aygıt üretimleri ve karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. N tasarımlı süperörgü yapılarına, AlGaSb bariyer katmanı dahil edilerek pBin e-SWIR ve nBn tek ve çift renkli MWIR aralığında çalışan üç ayrı dedektör yapı tasarımı yapılmıştır. Çalışma kapsamında, test piksel ve odak düzlem dizin (FPA) dedektör fabrikasyon basamakları optimize edilmiş, tekrar edilebilir ve homojen aygıt üretim reçeteleri oluşturulmuştur. Test piksel dedektörü, pBin tasarımlı e-SWIR dalgaboyunda çalışan yapılardan üretilmiştir. Farklı boyutlardaki test piksellerinin sıcaklığa bağlı elektro-optik karakterizasyonları yapılmıştır. 125 K sıcaklığında ve ‒0,1V ön gerilim altında, karanlık akım yoğunluğu 3,9 × 10-6 A/cm2, %100 kesim dalgaboyu 3,2 μm, tepe noktası kuantum verimliliği %55 civarında ölçülmüştür. Literatürle karşılaştırıldığında, kısa dalgaboyunda geniş algılama aralığı ve oldukça iyi dedektör performans değerleri, N-yapılı süperörgü tasarımlarının potansiyelini net bir şekilde göstermiştir. Çalışmanın devamında, orta dalgaboyunda çalışan tek ve çift renkli dedektör yapılarından FPA'ler üretilmiştir ve soğutulan detektörlerden MWIR bantlarında termal görüntüler alınmıştır. Üretilen ve kızılötesi görüntüleme yapılan her bir dedektörün elektro-optik performans haritaları ve histogramları ayrıntılı olarak incelenmiş ve fabrikasyonun dedektör performansına etkisi değerlendirilmiştir. N yapılı MWIR/MWIR çift renkli dedektörden ilk termal görüntü uzun dalgaboyunda başarıyla alınmıştır.
Orta kızılötesi bölgede (3-5m) InAs/GaSb süper örgü p-i-n ışık algılayıcı yapıların elektromanyetik alan tepkisi
Bu tezde bir ince film topluluğuna gönderilen TE ve TM modundaki elektromanyetik dalgaların, matris yöntemiyle yansıtıcılığı ve geçirgenliği incelenmiştir. Burada yapılan hesaplamalarda ince film olarak bir ışık algılayıcı InAs/GaSb süper örgü p-i-n yapısı baz alınmıştır. InAs ve GaSb için dalga boyuna bağlı kırılma indisleri ve sönüm sabitleri Sellmeier ve Forouhi-Bloomer dağınım bağıntıları yardımıyla hesaplanmıştır. İnce film topluluğu üzerine gönderilen elektromanyetik dalganın geliş açısına ve polarizasyonuna bağlı olarak topluluğun yansıtıcılığındaki değişimler araştırılmıştır. Ayrıca ince film topluluğunun tabaka sayısına ve katkılama miktarına bağlı olarak topluluğun yansıtıcılığındaki değişimler de göz önünde bulundurulmuştur. Değişik polarizasyon, açı ve tabaka sayıları için yapılan hesaplamalar yardımıyla elde edilen sayısal simülasyonlar sunulmuştur.
GaSb/InAs tip-II süperörgülerde elektron-deşik etkileşmeleri
GaSb-InAs süperörgü yapılarında arınmış bölgedeki banddan banda uyarılma kızılötesi ışığı algılamada kullanılabilir. GaSb-InAs yapılarında elektron ve deşiklerin ayrı ara yüzeylerde bulunmalarından dolayı ara yüzeylerde dalga fonksiyonu örtüşmesi zayıf olur. Geri besleme voltajı uygulanarak elektron ve deşik dalga fonksiyonlarının örtüşmeleri artırılabilir. Böylece algılamayı azaltıcı bir mekanizma olan Auger mekanizmasını baskılanır.Bu tezde InAs/GaSb Tip II süperörgü yapılarında elektron deşik etkileşmeleri incelenmiştir. Kronig-Penney Yöntemi ve Etkin Kütle Yaklaşımı kullanılarak band aralığı enerjisi ve süperörgü minibantları hesaplanmıştır. Yapının n tipi ve p tipi katkılanması sonucu oluşan p-n ekleminde iç elektrik potansiyel değişimi ve Fermi enerjileri değişimi incelenmiştir. Ayrıca varyasyonel teknik kullanılarak eksiton bağlanma enerjisi hesaplanmıştır. Eksiton bağlanma enerjisinin elektrik alana bağlılığı incelenmiştir. Geri besleme voltajı uygulandığı durumda uygulanan voltaj arttığında periyot sayısı, arınmış bölge genişliği ve iç elektrik potansiyeli değişimi incelenmiştir.
GaSb/InAs süperörgü sistemlerinde karanlık akım hesaplamaları
Bu tezde GaSb/InAs süperörgü yapılarında etkin band aralığının, elektron minibandının kuyu ve bariyer katman kalınlıklarına bağlı olarak değişimi ve GaSb/InAs süperörgü sistemi için karanlık akımın düşük geri besleme durumları için voltaja bağlı nasıl değiştiği ele alınmıştır. Kalınlık hesaplamalarında Kronig-Penney modeli esas alınarak Mathematica paket programında hazırlanan kodlar vasıtasıyla band enerjileri elde edilmiştir. Ayrı ayrı, GaSb ve InAs kalınlıkları değiştirilerek kesilim dalgaboyu ve etkin band genişliğinin değişimi incelenmiştir. Daha sonra da sonuçların literatürle uyumlu olup olmadığı araştırılmıştır. GaSb/InAs yapının n ve p tipi katkılanması sonucu elde edilen PN eklemine geri besleme voltajı uygulandığı durumda karanlık akıma etki eden mekanizmalar açıklanmış ve karanlık akımın düşük geri besleme voltajı altında voltaja bağlı değişimi incelenmiştir.
GaSb/InAs süperörgülerinde optik destekli elektron-deşik yaratılması ve Matlab'da benzeşimi
GaSb/InAs tip II süperörgü yapıları günümüzde kızıl ötesi ışınları algılama, yani insan gözünün algılayamadığı belli IR dalga boyu aralıklarını tespit etmemize imkân sağlar. Bu yapılar belli bir elektrik alan altında çalışır. Bu tip süperörgü yapıları savunma sanayisinde kullanılan kızıl ötesi görüş sistemlerinin temel parçalarından biridir.GaSb/InAs süperörgü yapılarının çalışma prensipleri, elektron -deşik dalga fonksiyonları ve elektrik alan altında gösterdiği tepkimeyi gözlemek için bazı bilgisayar programlarından faydalanılabilir. Böylece, yapılan benzeşimlerden elektrik alan altında sistemin gösterdiği tepkime kolay bir şekilde incelenebilir.Bu tezde GaSb/InAs tip II süperörgülerinin elektrik alan altındaki benzeşimleri MATLAB aracılığı ile gözlemlenmiştir. Ayrıca bu tezde yazılan kodların geliştirilmesi ve daha kolay hale getirilmesi için yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Temel olarak tek kuyu ve bariyer problemini Kronig Penney yöntemi ile çözümü yapılıp ,dalga fonksiyonlarının davranışlarından bahsedildi, Bunun yanında GaSb/InAs tip II sıralı süper örgü yapısı oluşturulup katkı yapılarak p-n eklemi elde edilmesi ve p-n ekleminin elektrik alan altında gösterdiği değişimler açıklanmıştır.En önemlisi ise yazılan kodların daha verimli ve hızlı çalışan bir program haline getirilmesi ile ilgili teknikler verilmiş ve hazırlanan arayüz programı ile MATLAB'dan bağımsız çalışma ortamı sağlanması gibi konulardan bahsedilmiştir.
GaAs/ AlxGa1-xAs kuantum kuyu kızılötesi fotodedektörlerin optoelektronik özelliklerinin incelenmesi
Bu çalışmada moleküler demet epitaksi sisteminde büyütülmüş asimetrik GaAs/ AlxGa1-xAs çoklu kuantum kuyularını içeren yapıların elektriksel ve optiksel özellikleri incelenmiştir. Yapılar fotolitografi yöntemi kullanılarak aygıt formuna getirilmiştir. Yapıların elektriksel özelliklerinin incelenmesi için sıcaklık bağımlı karanlık akım- voltaj karakteristikleri deneysel olarak ölçülmüştür. Asimetrik kuantum kuyularından oluşan yapıların karanlık akım- gerilim karakteristiklerinin de asimetrik davranış sergilediği görülmüştür. Isısal yayım kaynaklı karanlık akım Levine Modeli, 3D Taşıyıcı Sürükleme Modeli ve Salım Yakalama Modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Deneysel bulguların ve hesaplanan sonuçların karşılaştırılması neticesinde deneysel sonuca en iyi uyan modelin Levine modeli olduğu tespit edilmiştir. Her bir yapı için taban enerji seviyeleri Kronig- Penney Metodu kullanılarak hesaplanmıştır. Yapıların optik özelliklerinin incelenmesi kapsamında sıcaklığa bağlı fotolüminesans ölçümleri alınmıştır.
GaAs/AlGaAs ve AlGaAs/AlAs kuantum kuyulu yapılarda manyetotaşınım özelliklerinin incelenmesi
Bu çalışmada, MBE tekniğiyle büyütülen GaAs/AlGaAs ve AlGaAs/AlAs kuantum kuyulu heteroyapıların manyetotaşınım özellikleri incelenmiştir. Çalışmada kullanılan örneklerde kontak kalitesini görmek için 10-300 K sıcaklık aralığında akım-gerilim ölçümleri alınmıştır. Baskın saçılma mekanizmalarını anlamak ve bazı yapı içi parametreleri belirmek için 77-300 K sıcaklık aralığında klasik Hall olayı ölçümleri yapılmıştır. Örneklerin manyetotaşınım özelliklerini irdelemek amacıyla farklı sıcaklıklarda ve farklı elektrik alanlarda manyetodireç ölçümleri yapılmıştır. Yapılarda Shubnikov-de Haas osilasyonları ve negatif manyetodirenç gibi kuantum etkiler gözlenmiş ve çeşitli teorik öngörülerle bu etkilerin nedenleri açıklanmıştır. Ayrıca, elde edilen deneysel sonuçlar bazı teorik hesaplarla karşılaştırılarak örnek parametreleri belirlenmiştir.
(GaAs)n/(InAs)n (n=1,2,3) süperörgü yapılarının teorik incelemesi
Bu tez çalışmasında, son yıllarda maddelerin özelliklerinin incelenmesinde yaygın olarak bilim insanları tarafından kullanılan ab initio yöntemlere dayanarak (GaAs)n/(InAs)n (n=1,2,3) süperörgü yapılarının yapısal özellikleri ve örgü dinamikleri incelenmiştir. Hesaplamalar bölgesel yoğunluk yaklaşımı çerçevesinde norm-korunumlu pseudopotansiyeller kullanılarak yoğunluk fonksiyonel ve yoğunluk fonksiyonel pertürbasyon teorisi ışığı altında optimize edilmiş pseudopotansiyeller ve düzlem dalga temelinde yapılmıştır. Hesaplamaların ilk aşamasında GaAs ve InAs yapıları için optimizasyon sonuçları elde edilerek gerekli veriler elde edilmiş ve bu optimizasyon sonuçlarının literatürde mevcut verilerle uyumlu oldukları gözlendikten sonra bu yapılar için bant yapısı, durum yoğunlukları, fonon dağılım eğrileri ve fonon durum yoğunluğu grafikleri elde edilmiş, daha sonra, bu işlemler (GaAs)n/(InAs)n (n=1,2,3) süperörgü yapıları için yapılmıştır. Hesaplama sonuçlarının büyük çoğunlukla ulaşılabilir literatür verileriyle uyumlu oldukları gözlenmiştir.
1.3 mikrometre dalga boyunda ışıma yapan GaInNAs yüzeyden yayımlı yarıiletken lazer sistemi
Bu tezde ince film topluluğuna gelen bir elektromanyetik dalganın varlığında, sıkça kullanılan matris yöntemiyle şiddet yansıma katsayısı hesapları yapılmış; tabaka sayısının, tabakaların diziliminin ve kalınlıklarının sistemin yansıtıcılığına olan etkileri araştırılmıştır. Ayrıca yarıiletken lazerlerin aktif bölgelerindeki tabaka kalınlığının ve mod seçiminin bu bölgedeki elektrik alan yoğunluğuna dolayısıyla da kuşatma faktörüne olan etkileri incelenmiştir. Yapılan hesaplamalar yüzeyden yayımlı ve aktif tabaka kalınlığı alt ve üst Bragg yansıtıcılarından yansıyan ışığın ışıma dalga boyunda antifazda olma koşuluna göre belirlenmiş bir yarıiletken lazer sisteminde ışıma şartlarının incelenmesi için kullanılmıştır. Böyle bir yapı için fazın ve şiddet yansıma katsayısının dalga boyuna, elektrik alan yoğunlunun ise üst Bragg yansıtıcılarının tabaka sayısına bağlı olarak değişiminin sayısal simülasyonları sunulmuştur. Yüzeyden yayımlı lazerlerde üst Bragg yansıtıcıları, aktif tabaka ve alt Bragg yansıtıcıları üç tabakalı bir dalga kılavuzu meydana getirir. Bu nedenle elektrik alan yoğunluğunun tüm sistem içerisindeki dağılımını belirleyebilmek için yapı üçlü bir dielektrik ortama indirgenmiş ve asimetrik dalga kılavuzu analizi yapılmıştır.