The growth, fabrication and characterisation of high performance AlxGa1-xN metal-semiconducto-metal photodiodes

Abstract

ÖzetYÜKSEK PERFORMANSLI AlxGa1-xN METAL-YARIİLETKEN-METAL FOTODİYOTLARIN BÜYÜTÜLMESİ, ÜRETİLMESİ VEKARAKTERİZASYONUSerkan BütünFizik Yüksek LisansTez Yöneticisi: Prof. Dr. Ekmel ÖzbayEylül 2006Askeri, telekomünikasyon ve biyolojik görüntüleme gibi alanlar içinyüksek performanslı mor-ötesi (MÖ) fotodedektörler her zaman önem arzetmektedir. AlxGa1-xN malzeme sistemi bu tür uygulamalar için oldukçauygundur. Malzemenin doğru bant aralığı Al konsantrasyonu değiştirilerek 200nm den 360 nm ye kadar olan bölge taranabilir. Bu çalışmada tasarımını yapıpsafir üzerine büyüttüğümüz Al0.75Ga0.25N katmanını ve bu katman üzerindeürettiğimiz 229 nm kesme dalgaboyuna sahip derin MÖ fotodiyotları sunuyoruz.Üretilen fotodiyotlardan 50 V gerilim ve 222 nm MÖ ışık altında 0.53 A/Wresponsivite ve buna karşılık gelen 1.64 Ã 1012 cmHz1/2/W dedektivite değerleriölçüldü. On milyon kat mor-ötesi/görünür kontrastı elde edildi. Buçalışmamızda değindiğimiz ikinci çalışma ise güneş-körü uygulamalar içindüşük karanlık akımlı GaN fotodiyot üretimiydi. Bunun için önce safir üzerinebir yarı-yalıtkan GaN katmanı büyütüldü. Aynı zamanda karşılaştırma amacıylabaşka bir GaN katmanı da geleneksel yöntemle büyütüldü. Neticede ikiiiifotodiyotun karanlık akımları karşılaştırıldı. Yarı yalıtkan malzeme üzerinebüyütülen fotodiyotun dört bin kat daha az karanlık akım geçirdiği gözlendi. Budüşük karanlık akım nedeniyle çok yüksek dedektivite değeri ölçüldü. Bunedenle fotodiyot çok zayıf ışık sinyalleri altında denendi ve birkaç pW gibidüşük ışık tespit edilebildi.Anahtar sözcükler: Fotodedektör, Fotodiyot, GaN, AlGaN, Metal-yarıiletken-metal, Yarı-yalıtkaniv

AbstractTHE GROWTH, FABRICATION, AND CHARACTERIZATION OFHIGH PERFORMANCE AlxGa1-xN METAL-SEMICONDUCTOR-METAL PHOTODIODESSerkan BütünM.S. in PhysicsSupervisor: Prof. Dr. Ekmel ÖzbaySeptember 2006High performance UV photodetectors have attracted unwarrantedattention for various applications, such as in military, telecommunication, andbiological imaging, as an AlxGa1-xN material system is also rather suitable forsuch applications. Its direct band gap covers the spectrum from 200 nm to 360nm by way of changing the Al concentration in the compound. In this presentthesis, the design and growth of an Al0.75Ga0.25N template on sapphire substrateand a deep-UV photodiode with a cut off wavelength of 229 nm that wasfabricated on the Al0.75Ga0.25N template is presented. A responsivity of 0.53A/W was attained corresponding to a detectivity of 1.64 Ã 1012 cmHz1/2/W at a50 V bias and 222 nm UV light illumination. The UV/VIS rejection ratio ofseven orders of magnitude was achieved from the fabricated devices. Thesecond work that was conducted in this thesis was the growth of a semi-insulating (SI-) GaN template. We also fabricated visible-blind photodetectorson this semi-insulating (SI-) GaN template. Furthermore, we fabricated identicalsamples on a regular GaN template in order to investigate any possibleiimprovement. The improvement found was obvious in terms of dark current. Adark current density of 1.96 Ã 10-10 A/cm2 at a 50 V bias voltage for an SI-GaNphotodetector was obtained, which is four orders of magnitude lower thandevices on a regular GaN template. Devices on an SI-GaN had very highdetectivity, and therefore, SI-GaN was used for low level power detection. Thephotogenerated current was well above the dark current that was under theillumination of just a few picowatts of UV light.Keywords: Photodetector, Photodiode, GaN, AlGaN, Metal-semiconductor-metal, Semi-insulatingii