Barrier engineering for high-performance nBn infrared photodetectors

Yüksek performans uygulamaları için pn kızılötesi foto dedektörlerinde karanlık akımı azaltmak, yoğun çalışmalara rağmen hala zorlu bir problemdir. Son yirmi yıldır bariyer tipi kızılötesi dedektörler, yüksek performans ve yüksek çalışma sıcaklığı koşulları için bir çözüm olarak önerilmektedir. Ancak valans bandı süreksizliği bariyer dedektör mimarisinin uygulanabileceği dedektör malzemelerini sınırlamaktadır. Bu tez çalışmasında bant aralığı mühendisliği teknikleri kullanılarak bariyer dedektör mimarisindeki bazı malzeme sınırlamalarının ortadan kaldırılabileceği nümerik olarak gösterilmiştir. Bu çalışmada ticari Synopsys Sentaurus TCAD simülatörü kullanılarak akım, süreklilik ve Poisson denklemlerinin yüksek hassasiyetle hesaplandığı simülasyonlar ve analizler yapılmıştır. Bu çalışmada bant aralığı derecelendirme ve delta katkılı katmanlar kullanılarak InGaAs ve HgCdTe nBn dedektör yapıları elde edilmiştir. SWIR InGaAs nBn dedektörleri için örgü uyumlu InAlAs ve örgü uyumsuz InGaAs malzemeleri bariyer katmanı olarak kullanılmıştır. Yüzey sızıntı ve G-R akım mekanizmaları baskılanarak, konvansiyonel InGaAs pn dedektörüne kıyasla, foto tepkiden ödün vermeksizin karanlık akım seviyesinde InAlAs bariyerli dedektör için en az 40 kat ve InGaAs bariyerli dedektör için de en az 20 kat iyileşme gösterilmiştir. Ayrıca önerilen bu metot, e-SWIR/SWIR InGaAs çift bantlı nBn dedektör yapısının elde edilmesinde de başarıyla uygulanmıştır. Diğer bir çalışmada, HgCdTe malzemesi ile SWIR, MWIR ve LWIR dalga boyu aralıkları için nBn dedektörü tasarlanmıştır. Bu tasarlanan yapılarda G-R ve TAT akımlarının güçlü bir şekilde bastırıldığı ve önerilen bu yöntemin alternatif taban HgCdTe teknolojisi için de uygulanabilir olduğu gösterilmiştir. Yine bu tezde HgCdTe MWIR/LWIR çift bantlı nBn dedektör yapısı, aynı yöntem (bant aralığı derecelendirme ve delta katkılı katmanlar) kullanılarak nümerik olarak ortaya konulmuştur. Bu yöntemin esnekliği sayesinde kompozisyonla bant aralığı değiştirilebilen dedektör malzemeleri için bariyer yüksekliği ve kalınlığı ayarlanabilirken, aynı zamanda sıfır valans bant ofseti de elde edilebilmektedir.