III-V grubu alaşım yarı iletkenlerde Gunn olayına dayalı ışımanın incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, dalgakılavuzlu ve dalgakılavuzsuz n-tipi Al0.08Ga0.92As tabanlı Gunn aygıtlarının, dalgakılavuzsuz n-tipi GaAs tabanlı Gunn aygıtının ve alt Dağıtılmış Bragg Yansıtıcıları'na (Distrubuted Bragg Reflectors, DBR) sahip n-tipi GaAs tabanlı Gunn aygıtlarının Gunn Olayı'na dayalı ışıma özellikleri incelenmiştir. Gunn aygıtlarının optik karakterizasyonu için oda sıcaklığında fotolüminesans spektroskopisi kullanılmıştır. Alt DBR aynalarına sahip n-tipi GaAs tabanlı Gunn aygıtının yansıtma spektrumu transfer matris yöntemi kullanılarak hesaplanmış ve kavite dalgaboyu oda sıcaklığında yansıtma spektroskopisi kullanılarak belirlenmiştir.Elektriksel karakterizasyon için tüm Gunn aygıtlarının fabrikasyonu fotolitografi tekniği kullanılarak basit bar ve Hall bar şeklinde yapılmıştır ve Hall bar şekli Hall ölçümlerini gerçekleştirmek için kullanılmıştır. n-tipi Al0.08Ga0.92As tabanlı Gunn aygıtlarının yarılmış yüzeyleri bir Fabry-Pérot kavitesi oluşturmaktadır. Sıcaklığa bağlı Hall ölçümleri, n-tipi GaAs Gunn aygıtının elektron yoğunluğu ve elektron mobilitelerini belirlemek için kullanılmıştır. Gunn aygıtlarının elektriksel karakterizasyonu 77 K ve 300 K'de yüksek hızlı akım-voltaj (I-V) ölçümleri kullanılarak yapılmıştır. Işıma karakteristiğini incelemek için elektrik alana bağlı elektrolüminesans, ışımanın eşik elektrik alan değerini belirlemek için 77 K ve 300 K'de ışık-elektrik alan ölçümleri yapılmıştır.Akımda gözlenen zamana bağlı değişimler, yani Gunn osilasyonları dalgakılavuzlu ve dalgakılavuzsuz n-tipi Al0.08Ga0.92As tabanlı Gunn aygıtlarının eşik elektrik alan değeri üzerindeki Negatif Diferansiyel Direnç (Negative Differential Resistance, NDR) rejimindeki elektrik alan değerlerinde gözlenmiştir. Gunn osilasyonlarının genliğinin ve periyodunun uygulanan elektrik alana bağlı olarak değiştiği gözlenmiştir. Al0.08Ga0.92As tabanlı Gunn aygıtlarının NDR eşik elektrik alanında hem kenardan hem de yüzeyden elektrolüminesans spektrumları alındı. Güçlü ışımalı rekombinasyona ve Fabry-Pérot kavitesinde kayıpların üstesinden gelebilecek kadar foton yoğunluğuna sebep olan impakt iyonizasyondan dolayı uygulanan elektrik alan ile elektrolüminesans spektrumunun yarıgenişliği (Full Width at Half Maximum, FWHM) azalmış ve elektrolüminesans şiddeti de artmıştır. Işıma dalgaboyu Al0.08Ga0.92As yarıiletkeninin bant aralığına karşılık gelen değerde gözlenmiştir. Elektrik alanın artmasıyla elektrolüminesans şiddetindeki ani artış, NDR'ın gözlendiği elektrik alan değerinde gözlenmiştir. n-tipi GaAs Gunn aygıtlarında ise, Gunn osilasyonlarının gözlenmesinden hemen sonra aygıtlar hasar görmüş ve elektrolüminesans gözlenememiştir. Bu aygıtlardaki bozulma mekanizmasının sebeplerini anlamak için Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron Microscopy, SEM) ve Enerji Dağılımlı X- Işını Analizi (Energy Distributed X-Ray Spectroscopy, EDS) ölçümleri yapılmıştır. Sonuçlar, GaAs tabanlı aygıtlarda katottan anoda doğru metal göçünün olduğu ve bu nedenle aygıtların yüksek elektrik alanda kısa devre olarak hasar gördüğünü ortaya koymuştur.Elde edilen sonuçlar, ilerleyen Gunn domainlerinde gerçekleşen impakt iyonizasyon sonucu ışıma yapmaları sayesinde n-tipi Al0.08Ga0.92As tabanlı Gunn aygıtlarının kırmızı altı (infrared, IR) bölgede ışık kaynağı olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

In this study, characteristic of light emission based on Gunn effect is investigated on non-waveguided and waveguided n-type Al0.08Ga0.92As devices, non-guided n-type GaAs device and n-type GaAs device with Distributed Bragg Reflectors (DBRs). Room temperature photoluminescence (PL) spectroscopy is used for optical characterization of the Gunn devices. The reflectance spectrum of the GaAs-based Gunn device with DBRs is calculated by using transfer matrix method and the cavity wavelenght is determined by using room temperature reflectance spectrum.All Gunn devices are fabricated in simple bar geometry using orthodox photolithography methods for electrical characterization, as well as Hall bar geometry is used for carrying out Hall measurements. The cleaved sides perpendicular and parallel to the lenght of the samples form a Fabry-Pérot cavity. Temperature dependent Hall effect measurement is employed to determine electron density and electron mobility of the GaAs based Gunn devices. Electrical characterization of the Gunn devices are carried out by using high speed current-voltage (I-V) measurements at 77K and 300K. The electric field dependent Electroluminescence (EL) and integrated EL are performed at 77K and 300K to investigate emission characteristic and to determine the thereshold electric field of the emission, respectively. The currents instabilities, i.e. Gunn oscillations, are observed just above negative differantial resistance (NDR) thereshold of the I-V curves for the non-waveguided and waveguided Al0.08Ga0.92As-based Gunn devices at both 77K and 300K. The amplitude and period of the Gunn oscillations are observed to be electric-field dependent.At the NDR threshold, both edge and surface emission of the Al0.08Ga0.92As-based devices are detected. The EL emission intensity increases and FWHM of the EL peak decreases with increasing applied electric field because enhanced impact ionization leads to stronger radiative recombination and makes density of the emitted photons is enough to overcome losses in the Fabry-Pérot cavity. As for GaAs-based Gunn devices, once Gunn oscillations are observed, the devices are damaged and EL cannot be observed. To understand the reason of the failure mechanism in these devices, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS) measurements are performed. The results reveal that metal migration occurs from cathode to anode, leading to a short circuit and degrades the samples and either improper contact geometry or metallization process for operation at high electric fields can be the reason of breakdown of the devices.The obtained results reveal that Al0.08Ga0.92As-based Gunn devices can be used as a light source in infrared (IR) region of electroluminescence spectrum thanks to light emission associated with impact ionization mechanism in travelling Gunn domains.