InGaAs light-emitting devices based on Gunn Diode


Erol A. (Executive), Mutlu S.

TUBITAK Project, 2020 - 2023

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: August 2020
  • End Date: February 2023

Project Abstract

Gunn olayına dayalı ışıma, negatif diferansiyel direncin (Negative Differantial Resistance-NDR) gözlendiği eşik değerinin üzerindeki elektrik alanlarda impakt iyonizasyon mekanizması ile oluşan elektron – boşluk çiftlerinin banttan banda rekombinasyonudur. İlk kez 1960’lı yılların sonunda bulk (külçe) GaAs Gunn aygıtında yayılan yüksek alan domenlerinden kendiliğinden ışıma gözlenmiştir. Sonrasında, n-tipi GaAs’ın aktif bölgesini oluşturduğu ilk Fabry-Perot ve dikey kaviteli yüzey ışıması yapan Gunn ışık yayan aygıtlar geliştirilmiş ve bu aygıtlardan 77K’de 830nm-850nm aralığında ışıma gözlenmiştir. Gunn diyot tabanlı ışıma yapan aygıtlara dayalı en son çalışma Al0.08Ga0.92As tabanlı dalga kılavuzlu ve dalga kılavuzsuz Gunn aygıtları üzerinde olmuş ve bu aygıtlardan oda sıcaklığında çizgi genişliği 35nm olan 806nm’de ışıma gözlenmiştir. Bu konuda literatürdeki çalışmalar GaAs ya da AlGaAs tabanlı Gunn aygıtları ile sınırlıdır.

Bu proje kapsamında Gunn olayına dayalı olarak yaklaşık 1550nm ışıma yapan InGaAs tabanlı ışık yayan aygıtlar ilk kez geliştirilecektir. Yalnızca tek tip katkılı yarıiletkenin aktif bölgesini oluşturduğu ve elektrik alanın epitabakaya paralel uygulandığı Gunn ışıma yapan aygıtlar bu özellikleriyle ileri yönde beslenen p-n ekleminden oluşmuş klasik yarıiletken diyot tabanlı ışıma yapan aygıtlardan çok daha basit bir yapıya sahip olup, her iki voltaj polaritesinde de çalışabilmektedirler. Aygıtın aktif bölgesini InP altaş üzerine büyütülmüş olan n-tipi InGaAs epitabaka oluşturacak olup, farklı katkı konsantrasyonlu yapılar katkı konsantrasyonunun NDR, Gunn osilasyonlarının karakteristiği, aygıtın ideal çalışacağı elektrik alanın belirlenmesi için kullanılacaktır. Işıma şiddetinin düşük NDR eşiği elektrik alanında en yüksek şiddette olduğu ve kararlı Gunn osilasyonlarına sahip olan katkı konsantrasyonuna sahip olan aygıt yapısı belirlendikten sonra, bu yapılar dalgakılavuzu içerecek şekilde büyütülecektir. Dalgakılavuzu yapısı, InGaAs epitakanın daha geniş bant aralıklı InAlAs ya da AlGaAs arasına sandviçlendiği tasarımda olacaktır. Dalgakılavuzu kullanılarak yayılan fotonların InGaAs tabakasında sınırlanıp, foton yoğunluğu arttırılarak daha yüksek şiddette ve daha dar çizgi genişliğinde ışıma yapan aygıtlar üretilmesi amaçlanmaktadır. Gunn diyotlarının karakteristikleri aygıt geometrisine bağlılık gösterdiğinden, aygıtlar farklı kanal uzunluklarında (2mm-500mm) ve farklı genişliklerde üretilecektir. InGaAs alaşımının bant aralığının belirlenmesi için fotolüminesans, impakt iyonizasyonun oluştuğu elektrik alan değerlerini belirlemek ve Gunn osilasyonlarını gözlemek üzere pulslı Akım-Voltaj ölçümleri, aygıtın ışıma yaptığı dalga boyunu ve elektron sıcaklığını belirlemek için elektrolüminesans, ışımanın gerçekleşeceği eşik elektrik alanını belirlemek için ışıma şiddeti-elektrik alan ölçümleri ve taşıyıcı mobiliteleri ile taşıyıcı konsantrasyonlarını belirlemek için Hall Olayı deneyleri yapılacaktır.

Çalışmada kullanılacak olan yapılar Sivas Cumhuriyet Üniversitesi Nanofotonik Uygulama ve Araştırma Merkezi’nde MOCVD sistemi ile büyütülecektir. Aygıtların fabrikasyonu ve karakterizasyonu İstanbul Üniversitesi Fizik Bölümü Nano ve Optoelektronik Araştırma Laboratuvarları’nda yapılacaktır.

Projenin 30 ayda tamamlanması hedeflenmektedir. Proje süresince bir yüksek lisans ve iki doktora öğrencisine burs verilmesi amaçlanmaktadır. Proje sonucunda elde edilecek bulguların SCI kapsamındaki dergilerde yayınlanma olasılığı ve aygıtların patent alma olasılığı çok yüksek olup, proje önerisi InGaAs tabanlı Fabry-Perot ve yüzey dikey kaviteli InGaAs tabanlı Gunn laserlerin yerli ve milli kaynaklarla geliştirilmesi kapsamında yeni projelerin oluşturulması için de temel teşkil edecek niteliktedir.