Electric field dependent optoelectronic nature of InGaN/GaN quantum structures and devices

Geride bıraktığımız 20 yılda, çalışma dalgaboyları yeşilden yakın morötesine değişen InGaN/GaN tabanlı ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve lazer diyotlar gibi III-Nitrür tabanlı optelektronik aygıtların ortaya çıkışına ve hızlı bir şekilde gelişimine şahit olduk. Bu InGaN/GaN tabanlı aygıtlar artık görüntü, veri saklama ve aydınlatma gibi birçok alan için önem arz ediyor ve toplamda 10 milyar Amerikan dolarının üzerinde bir pazar büyüklüğü oluşturuyor. Bu InGaN/GaN yapıları şimdiye kadar yoğun olarak araştırılmış ve incelenmiş olsa da elektrik alana bağlı doğası çoğunlukla bilinmemektedir; kendinden kutuplu olma özelliği sebebiyle beklenmeyen davranışlar göstermeye eğilimlidir. Bu tez çalışmasında InGaN/GaN kuvantum yapılarının ve bunları içeren kipleyici ve LED gibi aygıtların elektrik alana bağlı özelliklerini incelediğimiz sistematik çalışmalarımızı sunmaktayız. Farklı yapısal özelliklere sahip çoklu kuvantum kuyusu (MQW) içeren kipleyici yapılarını inceleyerek, teorik modelimizle ve deneysel sonuçlarımızla uyumlu şekide, kendinden polarizasyon sebepli elektrik alan şiddeti azaldıkça elektrosoğrulmanın güçlendiğini bulduk. c-düzlemine büyütülmüş InGaN/GaN kuvantum yapılarının elektrik alana bağlı optoelektronik doğasını daha derinlemesine incelemek için LED'ler için kritik önem arz eden ışınımsal taşıyıcı dinamiğini inceledik. Zaman ve tayf çözünümlü fotoışıma ölçümlerimiz ve sayısal analizlerimiz taşıyıcı ömürlerinin, ışınımsal taşıyıcı ömürlerinin ve kuvantum verimliliklerinin hepsinin artan elektrik alan ile azaldığını gösterdi. Ayrıca wurtzite kristal yapısının polarizasyon sebepli elektrik alan içermeyen, polar olmayan, a-düzlemine büyütülen InGaN/GaN kuvantum yapılarının elektrosoğrulma ve taşıyıcı dinamiği ile ilgili fiziğini çalıştık. Buradan elde ettiğimiz sonuçları geleneksel olarak kullanılan c-düzlemine büyütülen polar yapılarla karşılaştırdık. Polar durumda artan elektrik alan ile maviye kayan soğrulma profili ve azalan taşıyıcı ömrü gözlemledik. Polar olmayan durumda, öte yandan, tamamen tersi olduğunu gösterdik: kırmızıya kayan soğrulma profili ve artan taşıyıcı ömürlerini bulduk. Bu gözlemlerimizi Fermi'nin altın kuralı ve kuvantum-kısıtlamalı Stark etkisi gibi temel fiziksel prensiplerle açıkladık. Ayrıca epitaksiyel yatay üst-büyütme (ELOG) tekniği kullanılarak dislokasyon yoğunluğu ile bağıntılı olarak InGaN/GaN kuvantum yapılarının elektrosoğrulma davranışını inceledik ve sabit hal ve zaman çözünürlüklü fotoışıma ölçümleriyle karşlaştırdık. Sonuçlarımız ELOG maske çizgi genişliğinin azalmasıyla elektrosoğrulmanın güçlendiğini gösterdi. ELOG pencere genişliğini sabit tutarken elektrosoğrulma performansı, ilginç bir biçimde, fotoışıma performansına göre daha çok değişim gösterip, elektrosoğrulmayı maske çizgi genişliğine daha hassas hale getirdi. Bu tez, InGaN/GaN kuvantum yapılarının ve aygıtlarının optoelekroniğinin, elektrik alana bağlı doğasını daha iyi anlaşılması için önemli içgörü ve önemli bilgi içermektedir.