KUANTUM KUYULU KIZILTES FOTODEDEKTRLER (QWIP) Deniz KARTAL YKSEK LSANS TEZ ELEKTRK-ELEKTRONK MHENDSL ANABLM DALI 2006

KUANTUM KUYULU KIZITES FOTODEDEKTRLER (QWIP)

Deniz KARTAL YKSEK LSANS TEZ ELEKTRK-ELEKTRONK MHENDSL ANABLMDALI 2006

Danman: Yrd. Do. Dr. Mustafa HOTUT

FEN BLMLER ENSTTS MDRLNE Bu alma, jrimiz tarafndan, Elektrik-Elektronik Mhendislii Anabilim Dalnda Yksek Lisans Tezi olarak kabul edilmitir.

Bakan: Prof. Dr. Yksel ERGUN ye: Do. Dr. Rafael HUSEYNOV.. ye: Yrd. Do. Dr. Mustafa HOTUT.

ONAY Yukardaki imzalarn, ad geen retim yelerine ait olduunu onaylarm. //2006 FEN BLMLER ENSTTS MDR Prof. Dr. Halil GRSOY

Bu tez, Cumhuriyet niversitesi Senatosunun 05.01.1984 tarihli toplantsnda kabul edilen ve daha sonra 30.12.1993 tarihinde C.. Fen Bilimleri Enstits Mdrlnce hazrlanan ve yaynlanan Yksek Lisans ve Doktora Tez Yazm Klavuzu adl ynergeye gre hazrlanmtr.

i

NDEKLER NDEKLER....................................................................................................... i ZET...................................................................................................................... ii SUMMARY...........................................................................................................iii TEEKKR.......................................................................................................... iv EKLLER DZN .............................................................................................. v ZELGELER DZN ....................................................................................... vi SMGELER DZN ........................................................................................... vii 1. GR.................................................................................................................. 1 2. ATMOSFERK PENCERE.............................................................................. 2 3. KIZILTES DEDEKTRLER ..................................................................... 5 3.1 Giri .............................................................................................................. 5 3.2 Termal Dedektrler..................................................................................... 5 3.3 Foton Dedektrler ....................................................................................... 6 3.3.1 Katksz yariletken fotodedektrler................................................... 8 3.3.2 Katkl yariletken fotodedektrler..................................................... 9 3.3.3 Fotoelektrik fotodedektrler ............................................................. 10 3.3.4 Kuantum kuyulu fotodedektrler..................................................... 11 3.4 Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektrler (QWIPs)......................... 12 3.4.1 QWIP Dedektrler ve HgCdTe Dedektrler ................................... 14 3.4.2 Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektr (QWIP) eitleri ........ 17 3.4.2.1 B-B (Bound-to-bound) QWIP ................................................... 17 3.4.2.2 B-C (Bound-to-Continuum) QWIP ........................................... 19 3.4.2.3 B-QB (Bound-to-Quasibound) QWIP ....................................... 20 3.4.2.4 B-M (Bound-to-Miniband) QWIP ............................................. 20 3.4.2.5 Geni Bant QWIP........................................................................ 21 3.4.2.6 Kuantum Fotodedektrler................................................... 22 3.4.2.7 Voltaj Ayarl QWIP .................................................................... 25 3.5 Kzltesi Grntleme ............................................................................. 27 3.5.1 Tarayc Grntleme Sistemi .......................................................... 28 3.5.2 Staring Grntleme Sistemi ............................................................ 29 4. YNTEM VE TEKNKLER ......................................................................... 33 5. TARTIMA ve SONU.................................................................................. 38 5.1 Aygt Parametreleri................................................................................... 38 5.2 Sonular...................................................................................................... 39 KAYNAKLAR..................................................................................................... 45 ZGEM ......................................................................................................... 48

ii

ZET

Yksek Lisans Tezi

Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektrler

Deniz KARTAL

Cumhuriyet niversitesi Fen Bilimleri Enstits Elektrik-Elektronik Mhendislii Anabilim Dal

Danman: Yrd. Do. Dr. Mustafa HOTUT

8-12

m

dalgaboyundaki

kzltesi

malar

dedekte

edebilen,

GaAs/AlGaAs materyal tabanl ve kuyudan oluan yap incelendi. l asimetrik kuantum kuyusundan oluan yap ierisinde foton absorbsiyonu, elektronlarn band ii geilerine neden olmaktadr. Voltaj ayarl, ok renkli almas beklenen, kuantum kuyulu yapnn bilgisayarda simlasyonu yapld. Kuantum kuyulu yapnn pozitif ve negatif elektrik alan altndaki davran incelenerek, duyarllk ve karanlk akm karakteristikleri elde edildi. Anahtar Kelimeler: Kuantum Kuyusu, Kzltesi Dedektrler, Kzltesi Ima, GaAs/AlGaAs, ok Renklilik, Voltaj Ayarllk, Duyarllk, Karanlk Akm.

iii

SUMMARY

MsC Thesis

Quantum Well Infrared Photodetectors

Deniz KARTAL

Cumhuriyet University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electrical and Electronics Engineering

Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Mustafa HOTUT GaAs/AlGaAs based triple-coupled device that can detect 8-12 m radiations has been examined. Photon absorbtion in the tripled-coupled asymmetric quantum well structure causes electron intersubband transitions. Quantum well structure which can be operated as voltage tunable and multicolor is simulated by computer. By investigating behavior of system under applied electric field, characteristics of responsivity and dark current have been achieved.

Keywords:

Quantum

Well,

Infrared

Detectors,

Infrared

Radiation,

GaAs/AlGaAs, Multi-color, Voltage Tunable, Responsivity, Dark Current.

iv

TEEKKR Bu tez konusunu bana neren ve almann ilerlemesinde yardmlarn esirgemeyen, danman hocam Yrd. Do. Dr. Mustafa HOTUTa sonsuz teekkrlerimi sunarm. Ayrca bilgi, deneyim ve dnceleriyle bize yardmc olan Prof. Dr. Yksel ERGUNa teekkr bir bor bilirim.

v

EKLLER DZN ekil 2.1: Elektromanyetik Spektrum ..................................................................... 2 ekil 2.2: Atmosferin Geirgenlik Spektrumu........................................................ 4 ekil 3.1: Katksz Yariletken Fotodedektrlerde Elektronun Valans Bandndan letim Bandna Geii.............................................................................................. 8 ekil 3.2: Katkl dedektrlerin band diyagram ve elektron geii........................ 9 ekil 3.3: Schottky bariyer dedektrlerin ematik gsterimi................................ 10 ekil 3.4: Schottky bariyer dedektrlerin band profili.......................................... 10 ekil 3.5: Tip-I ve Tip-II Kuantum Kuyularnn Band Dizilii ............................ 11 ekil 3.6: Alt bantlar aras absorbsiyonun ematik diyagram ............................. 13 ekil 3.7: B-B kuantum kuyulu kzl tesi fotodedektrlerde uyarlma ve tnelleme (Levine, 1993) ...................................................................................... 18 ekil 3.8: B-C QWIP dedektrlerde uyarlma ve tayc iletimi (Levine, 1993). 19 ekil 3.9: B-QB QWIP dedektrler ...................................................................... 20 ekil 3.10: Bir B-M QWIP dedektr yaps.......................................................... 21 ekil 3.11: Geni bant QWIP yapnn ematik diyagram .................................... 22 ekil 3.12: Kuantum dedektrlerin ematik diyagram .................................. 23 ekil 3.13: Dalga fonksiyonlar ve enerji dzeyleri.............................................. 24 ekil 3.14: Absorbsiyon Spektrumu ..................................................................... 25 ekil 3.15: Enerji band diyagram (a) pozitif voltaj altnda (b) negatif voltaj altnda .................................................................................................................... 25 ekil 3.16: Deiik voltaj deerlerinde dedekte edilen dalgaboylar ................... 26 ekil 3.17: Bir Kzltesi Grntleme Sisteminin ematik Diyagram .............. 27 ekil 3.18: Tarayc Grntleme Sisteminin ematik Resmi ............................. 28 ekil 3.19: eitli monolitik kzltesi FPAler.................................................... 29 ekil 3.20: Hibrid kzltesi FPAler (a) Flip chip bonding teknii.................. 30 ekil 3.21: (a) Farkl dedeksiyon dalgaboyuna sahip QWIP yaplar (b) Voltaj ayarl iki renkli QWIP yap ................................................................................... 31 ekil 4.1: Kuantum kuyulu yapnn potansiyel profili.......................................... 33 ekil 5.1: Kuantum kuyulu yapnn ak parametreleri ........................................ 38 ekil 5.2; letim bant profili ve dalga fonksiyonlar ............................................. 39 ekil 5.3: Kuantum kuyulu yapnn absorbsiyon spektrumu ................................ 39 ekil 5.4: Duyarlln ters elektrik alanla deiimi ............................................. 40 ekil 5.5: Ters elektrik alanda iletim bant profilleri ............................................. 41 ekil 5.6: Ters elektrik alan altndaki duyarllk spektrumlar ............................. 41 ekil 5.7: Duyarlln dz elektrik alanla deiimi ............................................. 42 ekil 5.8: Dz elektrik alan altndaki iletim bant profili ...................................... 42 ekil 5.9: E=30 kV/cm iin duyarllk spektrumu ................................................ 43 ekil 5.10: Karanlk akm erisi ........................................................................... 44

vi

ZELGELER DZN Tablo 2.1: Kzltesi Grntleme Uygulamalar .................................................. 3 Tablo 3.1: Termal ve foton dedektrlerin avantajlar ve dezavantajlar ................ 7 Tablo 3.2: Silisyum ve germanyum materyallerinin iyonizasyon enerjisi ve kesim dalgaboyu ................................................................................................................ 9 Tablo 3.3: QWIP dedektrlerin avantajlar ve dezavantajlar .............................. 17 Tablo 3.4: eitli dizilimlerin parametreleri 32 Tablo 4.1: Aygt parametreleri ............................................................................. 33

vii

SMGELER DZN

LP kBA

Absorbsiyon katsays Aktif blgenin uzunluu Boltzmann sabiti Dedektr yzeyi Duyarllk Elektrik alan Fermi enerji dzeyi Fermi-Dirac dalm fonksiyonu Ik hz Karanlk akm Kuantum verimlilii Uyarlan elektron says Mobilite Optiksel kazan Ortalama tayc hz Permeabilite Scaklk Sprlme hz Tek bariyer iin tnelleme olasl

RPF

EF f (E )

cId

n * (V )

gv (V ) P T

VST ( E ,V )

1

1. GR Kzltesi dedeksiyon, son on yl boyunca kzltesi teknolojinin gelimesinde kilit rol oynamtr. InSb ve HgCdTe ieren birok materyal, dedektr uygulamalarnda kullanld. Bununla birlikte materyal bytme teknolojisindeki hzl ilerlemelerden dolay, kzltesi dedektr gelitirmek zere sperrg ve kuantum kuyulu aygtlar zerinde alld. Kuantum kuyulu kzltesi fotodedektrler (QWIP), kzltesi teknolojideki en nemli aygtlardan birisidir. QWIP dedektrlerdeki bu ilerlemelerden dolay yksek znrlkl, yksek performansl geni alanl FPAlerin yaplabilmesi mmkn hale gelmitir. Bunlara ek olarak, QWIP dedektrlerin dier bir nemli avantaj da bant aralnn, kuyu ve bariyer geniliinin ve katklama konsantrasyonunun kontrol edilebilmesidir. Bylelikle kzltesi dedektrler ok renkli hale getirilebilir ve dier hzl aygtlarla entegrasyonu salanabilir. Dier bir yandan ok renkli kzltesi dedektrlerin gelitirilmesi hassas alglama ve grntleme sistemleri iin nemlidir. ok renkli kzltesi dedektrler, scaklk farklarnn gsteriminde, kimyasal analizlerde ve hedef tanmlama uygulamalar iin olduka cazip sistemlerdir. Bu almada, asimetrik kuantum kuyusu birletirilerek bir periyot oluturuldu. Bylelikle, voltaj ayarl almas beklenen ve asimetrik kuantum kuyusu ieren her periyot farkl dalgaboyunu (rengi) dedekte edebilecektir.

2

2. ATMOSFERK PENCERE 1800de William Herschel tarafndan bulunan kzltesi ma bir eit elektromanyetik enerjidir. Kzltesi mann dier elektromanyetik malardan fark sahip olduu dalgaboyudur. ekil 2.1de elektromanyetik spektrumun tamam ve spektrumun deiik blgeleri gsterilmitir. Kzltesi ma, deiik dalgaboyu deerlerine gre 5 deiik gruba ayrlrlar. 0,7-1,1 m dalgaboylar arasndaki ma NIR (Near Infrared Radiation), 1,1 - 2,5 m dalgaboylar arasndaki ma SWIR (Short Wavelength Infrared Radiation), 3-5 m dalgaboylar arasndaki ma MWIR(Mid-Wavelength Infrared Radation), 8-14 m dalgaboylar arasndaki ma LWIR (Long Wavelength Infrared Radiation) ve 14 mden byk dalgaboylarndaki ma VLWIR (Very Long Wavelength Infrared Radiation) olarak adlandrlmaktadr.

ekil 2.1: Elektromanyetik Spektrum

3

Planck kanununa gre btn nesneler kzltesi ma yaparlar. Kzltesi mann dedeksiyonu ve analiz edilmesi, bir nesne hakknda bilgi edinilmesini salar. Bu durum elektromanyetik spektrumun dier blgelerinde mmkn deildir. Kzltesi ma kefedildiinden beri askeri, endstriyel, medikal ve bilimsel alanda birok uygulama yaplmtr[1]. Tablo 2.1de bu alanlarda yaplan birka uygulama listelenmitir. Tanmlama ya da keif yapma, konum belirleme vb. Yeryz kaynaklarnn bulunmas, kirlilik kontrol vb. Sula mcadele etme, yangnla mcadele etme vb. retime yardmc olma, retim ile ilgili testler yapma vb. Mamografi, yumuak doku zedelenmelerinin tespiti, damar tkanklklarnn tespiti vb.

Askeri Uygulamalar evre Ticari Uygulamalar Sivil Endstriyel Medikal

Tablo 2.1: Kzltesi Grntleme Uygulamalar Kzltesi ma temel olarak dz bir hat boyunca ilerler. Kzltesi ma, ok ince olmamak artyla metallerden geemez. Bunun yannda birok kristal, plastik ve atmosferde bulunan gazlarn ierisinden geebilir. Kzltesi grntleme sistemlerinin neredeyse tamam atmosfer ierisinde altndan kzltesi mann absorbsiyonu ve atmosferden gei bilgileri ok nemlidir. ekil 2.2de kzltesi mann atmosferdeki gei spektrumu verilmektedir. ekil 2.2de grld gibi yksek gei blgeleri atmosferik pencere olarak adlandrlr ve ou dedektr MWIR (3-5 m) ve LWIR (8-14 m) atmosferik pencerelerinin avantajlarndan yararlanrlar.

4

ekil 2.2: Atmosferin Geirgenlik Spektrumu

5

3. KIZILTES DEDEKTRLER 3.1 Giri Kzltesi ma kefedildiinden beri deiik tipte kzltesi dedektrler gelitirildi. Kzltesi dedektrler, termal dedektrler ve foton dedektrler olmak zere iki temel gruba ayrlmaktadrlar. Bu blmde, termal dedektrler ve foton dedektrlerin alma prensipleri ve eitleri, bir foton dedektr olan Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektrler (QWIP) ve tipleri, kzltesi grntleme sistemleri ve FPA (focal plane arrays) teknolojisi incelenmitir. 3.2 Termal Dedektrler Herhangi bir kzltesi dedektr, zerine etkiyen may sourabilmeli ve sourulan mann younluuna bal olarak llebilir bir sinyal vermelidir. Termal dedektrler ve foton dedektrler arasndaki fark, gelen souran materyalin nasl etkilendii belirler. Termal dedektrler ve foton dedektrlerin avantajlar ve dezavantajlar Tablo 3.1de verilmitir. Termal dedektrlerde, sourulan k materyalin scaklnn ykselmesine neden olur, bylelikle materyalin fiziksel bir zellii deiir. Materyalin fiziksel zelliindeki bu deime alglanr ve bir sinyal retilir. Termal dedektrler dalgaboyundan bamsz duyarlla ve foton dedektrlere gre olduka yava tepki hzna sahiptirler. Ayrca oda scaklnda da altrlabilirler. Spesifik dalgaboylar gerekmedii srece termal dedektrler 77 K zerindeki alma scaklklarnda ok iyi performansa sahiptirler[3]. Cival (Mercury-bulb) termometreden sonra termal dedektrlerde ilk ilerleme termoelektrik etkinin avantajndan yararlanan termopile olmutur. ki farkl metal bir termokupl oluturacak ekilde birletirildiinde ve termokuplun iki ucu farkl scaklklarda olduundan scaklk fark ile orantl olarak bir voltaj meydana gelir. Bylelikle ekleme etkiyen kzltesi mada art olduunda ular aras scaklk fark artacandan dolay voltajda artacaktr. Termokupllarn elektriksel direnleri ok kk olduundan birka termokupl seri balanarak voltaj tepkisi ve direnci daha yksek olan termopile olutururlar. Bununla birlikte

6

termopilelerin frekans tepkileri termokupllardan daha dktr. nk termopileler daha yksek s kapasitesine sahiptirler[2]. Golay pnmatik dedektr veya Golay hcresi kk miktarda gazn ince metal film ile temasndan meydana gelir. Metal film, sourarak snr ve s gaza iletilir. Sonu olarak snan gazn basnc hcre ierisindeki aynann asn deitirir. Bylelikle yanstlan k optiksel ykseltece ynetilmi olur[2]. Pyroelektrik dedektr ierisindeki sourucu materyalin dielektrik sabiti scaklktaki artma veya azalma nedeniyle deimeye urar. Pyroelektrik materyal kutuplanm kapasitr ierisinde yer almaktadr. Bu kapasitr, materyalin dielektrik sabitinin deiim hz ile orantl olan akmn kaynadr. Kapasitansn deerindeki deiim direkt olarak elektriksel sinyale evrilmektedir[2]. Bolometreler scaklkla elektriksel direnci deien kzltesi termal dedektrlerdir. Kzltesi ma sourulduunda materyalin scakl deieceinden dolay bolometre ierisinden geen akmda deiecektir[2]. 3.3 Foton Dedektrler Foton dedektrler genel olarak dedektrn sourduu a elektronik dzeyde cevap veren aygtlardr. Foton enerjisinin ok hzl bir ekilde materyalin elektronik dzeyine transfer edilmesinden dolay foton dedektrler ok yksek frekanslarda altrlabilirler. Foton dedektrler fotoiletken ve fotovoltaik olmak zere iki gruba ayrlrlar. Fotoiletken ve fotovoltaik dedektrler yaplar ve kullanldklar elektriksel alglama devreleri bakmndan farkllk gsterirler. Fotoiletken dedektrler, dedektr etkileyen ma olmad srece iyi iletken deillerdir ve iletkenlikleri fotonla retilmi tayclar tarafndan artrlabilir. Fotovoltaik dedektrler, foton dedekte edildiinde elektromotor kuvvet oluturan diyotlardr. Bu elektromotor kuvvet bir akm ve voltaj retir. Foton dedektrler iin asl olan yariletkenlerin enerji aral olduundan foton dedektrler bant yaplarna gre drt gruba ayrlrlar. Bunlar katksz yariletken dedektrler, katkl yariletken dedektrler, fotoelektrik dedektrler ve kuantum kuyulu dedektrlerdir[2]. Tablo 3.1 de termal dedektrler ile foton dedektrlerin avantaj ve dezavantajlar verilmitir.

7

Dezavantajlar

Foton dedektrlere gre grntlemede dk maliyetlidir. Daha geni kzltesi blgede hassasla sahiptir. Hafif, salam ve gvenilirdir. Baz uygulamalar iin yeterince hzldr. Atomik yapnn snmasndan dolay yava tepki verirler. Foton dedektrlere gre alglama yetenei dktr. Bileiin bant aralnn deitirilmesi dolaysyla dedekte edilecek dalgaboyunun deitirilmesi kolaydr.

Avantajlar Termal Dedektrler

Foton Dedektrler

Avantajlar

Yksek alglama yeteneine sahiptir. Teorik ve pratik olarak gelimilie sahiptir. Materyal zellikleri iyidir. Birok uygulama iin hzl tepki verirler. Materyal ilemede zorluklar vardr. Yksek maliyetlidirler.

Dezavantajlar

Tablo 3.1: Termal ve foton dedektrlerin avantajlar ve dezavantajlar

8

3.3.1 Katksz yariletken fotodedektrler Bu tipteki foton dedektrlerde optiksel absorbsiyon, elektronlarn valans banttan iletim bandna uyarld bantlar aras geie neden olur. Byle bir gei iin gereken enerji, yariletkenin bant aralndan yksektir. Sorulacak dalgaboyu, materyalin bant aral ile ters orantl olduundan uzun dalga boyu dedekte etmek iin dar band aralna sahip yariletkenler ilgi ekmektedirler.

ekil 3.1: Katksz Yariletken Fotodedektrlerde Elektronun Valans Bandndan letim Bandna Geii Eer yapnn elektrotlarna elektron-delik iftlerini sprmesi iin bir elektrik alan uygulanrsa, optiksel olarak retilen elektron-delik iftleri bir elektriksel sinyale dntrlr. Uygulanan elektrik alana gre katksz fotodedektrler, fotoiletkenler ve fotodiyotlar olmak zere iki gruba ayrlrlar. Fotoiletken dedektrlerde, harici kutuplama altnda uyarlm elektron yariletken boyunca tanr ve k akmna katkda bulunur. Fotovoltaik dedektrlerde yariletken yapya etkiyen foton p-n eklemi ierisinde elektron-delik ifti oluturur ve tayclar, dhili kutuplanma oluturarak zt ynlere sprlrler. Dar bant aralkl yariletkenler, katksz fotodedektrler iin en nemli materyal sistemlerdir. Bileik yariletkenler direkt bant aralkl olduklarndan zel bir yere sahiptirler ve IV-VI, II-VI ve III-V yariletken materyal sistemleri kzltesi sistemler iin kullanlrlar[2].

9

3.3.2 Katkl yariletken fotodedektrler Bu tip fotodedektrlerde optiksel absorbsiyon, bir elektronun valans banttan safszlk dzeyine uyarlmasyla meydana gelir. Bu tip dedektrler iin dedekte edilebilecek en uzun dalgaboyu safszlk dzeyinin iyonizasyon enerjisi ile ters orantldr. Tablo 3.2de eitli safszlk atomlar ile katklanan silisyum ve germanyum materyallerinin iyonizasyon enerjisi ve kesim dalgaboyu verilmitir[4]. Safszlk dzeyinin termal iyonizasyonunu engellemek iin dedektr ok dk scaklklarda altrlmaldr. alma scakl, safszlk dzeyinin iyonizasyon enerjisi ile doru, dedektrn optimum dalgaboyu ile ters orantldr. ekil 3.2de katkl dedektrlerin band diyagram ve elektron geii gsterilmitir[4].

ekil 3.2: Katkl dedektrlerin band diyagram ve elektron geii

Yariletken

Safszlk Atomu Au

yonizasyon Enerjisi (eV) 0.15 0.041 0.0333 0.0104 0.155 0.0706 0.044

Kesim Dalgaboyu (m) 8.3 30 38 120 8 18 28

Ge

Cu Zn B In

Si

Bi B

Tablo 3.2: Silisyum ve germanyum materyallerinin iyonizasyon enerjisi ve kesim dalgaboyu

10

3.3.3 Fotoelektrik fotodedektrler Fotoelektrik veya Schottky bariyer dedektrler, katkl yariletkenin zerini kaplayan ok ince metalden olumutur. ekil 3.3te Schottky bariyer dedektrler ematik olarak gsterilmitir[4]. N-tipi Si yariletken materyalin bir metal ile temas durumunda yariletken materyalin fermi enerji dzeyi ile metalin fermi enerji dzeyi ile ayn hizaya gelir. Fermi enerji dzeyleri ayn hizaya geldiinde metal-yariletken yzeyinde bir potansiyel bariyer oluturur. Bu durum ekil 3.4te gsterilmitir[4]. Dedektre etkiyen fotonlar metal katmanda sourulur ve elektron-delik ifti oluur. Uyarlm elektronlar, metal-yariletken yzeye ulancaya kadar metal ierisinde rasgele tanrlar. Sadece yeterli enerjiye sahip elektronlar bariyeri geerek yariletkene ularlar. Bylelikle optiksel sinyal sourularak elektriksel sinyale evrilecektir. Fotoelektrik dedektrler, kullanlan metal kaplamaya bal olarak geni duyarllk spektrumuna sahiptir.

ekil 3.3: Schottky bariyer dedektrlerin ematik gsterimi

ekil 3.4: Schottky bariyer dedektrlerin band profili

11

3.3.4 Kuantum kuyulu fotodedektrler Kuantum kuyulu foton dedektrler genel olarak kuantum mekaniini temel alan band tasarm tekniinden faydalanrlar. Kuantum kuyulu fotodedektrler MBE (Molecular Beam Epitaxy) ve MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition) gibi epitaksiyel bytme tekniklerinin ilerlemesinden sonra nem kazanmtr. Ayn materyal sistemleri yerine farkl materyal sistemleri bir arada kullanlarak QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) ya da kuantum kuyulu kzltesi fotodedektr (QWIP) ad verilen yeni bir tr dedektr oluturuldu[5, 6, 7, 8]. QWIP dedektrler, tek balarna MWIR ve LWIR blgesindeki nlar souramayan geni bant aralkl materyallerden oluturulmutur. Bununla birlikte MWIR ve LWIR blgelerindeki nlarn absorbsiyonu, elektronun kuantum kuyusu iindeki enerji dzeyleri arasnda uyarlmas ile mmkn hale gelir. Tip-II dedektrleri son yllarda nemli gelimeler kaydetmitir[9]. Bu tip dedektrlerin bu ekilde isimlendirilmelerinin nedeni kuantum kuyusu band sralannn aadaki ekil 3.5deki gibi olmasdr.

ekil 3.5: Tip-I ve Tip-II Kuantum Kuyularnn Band Dizilii

12

Birinci tip band dizilii GaAs/AlGaAs ve GaInAs/InP gibi materyal sistemlerinde kullanlr. kinci tip band dizilii ise InAs/GaSb gibi materyal sistemlerinde kullanlr. Birinci tip band diziliinde, iletim band en dk enerji dzeyine, valans band ise en yksek enerji dzeyine sahiptir. kinci tip band diziliinde, iletim ve valans band en dk enerji seviyesine sahiptir. kinci tip band diziliine sahip fotodedektrlerde sourulma, elektronun, bir materyalin valans bandnn en yksek enerji dzeyinden ikinci materyalin iletim bandnn en dk enerji dzeyine gemesine neden olur. Bu durumun bir bantlar aras gei gibi grnmesine ramen, ikinci tip band diziliine sahip fotodedektrler MWIR ve LWIR blgelerindeki may sourabilmeleri, materyallerin bu blgelerdeki may tek balarna sourabilmeleri iin gereken enerjiden daha kk enerji gerektirir. kinci tip dedektrlerin dier bir nemli avantaj da, titizce tasarlanm band aral sayesinde Auger birleme orannn nemli lde azalmasdr. Bu sayede tayc mr artacaktr. Daha uzun tayc mr daha yksek duyarlla ve belki de daha yksek alma scaklklarna imkn verecektir. 3.4 Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektrler (QWIPs) Kuantum kuyulu kzltesi fotodedektrler (QWIP), iletim band veya valans band ierisindeki absorbsiyona bal olarak kzltesi nlar dedekte edebilen yariletken materyal sistemlerdir. Kzltesi malarn dedeksiyonu iin bir kuantum kuyusundan yararlanma fikri ilk olarak 1977 ylnda Esaki ve Sakaka tarafndan ortaya atld. Ve bu durum kuantum mekaniinin temel prensipleri kullanlarak aklanabilir[10]. Kuantum kuyusu, kuantum mekanikte iyi bilinen ve zamandan bamsz Schrdinger denklemi ile zlebilen, kutu ierisindeki parack problemine edeerdir. Bu problemin zmleri, kuantum kuyusu ierisinde paracn bulunabilecei enerji dzeylerini tanmlayan enerji zdeerlerdir. QWIPler, tek balarna MWIR ve LWIR blgelerindeki malar souramayan geni bant aralkl materyaller kullanlarak elde edilmitir. Elektron, iletim band ierisindeki temel enerji dzeyinden birinci uyarlm dzeye uyarlarak, MWIR ve LWIR blgelerindeki malar sourulur. Elektronun iletim

13

band veya valans band ierisinde enerji dzeyleri arasnda uyarlmas band ii gei olarak tanmlanr(ekil 3.6). Kuantum kuyulu yapnn tasarlanmasnda, kla uyarlm tayclarn kuantum kuyusundan kamas ve k akm olarak toplanmas nemli rol oynamaktadr. QWIP dedektrler byk esneklie sahiptir. nk tepe ve kesim dalgaboyu, materyal katmanlarnn kalnl (kuantum kuyusu genilii) ve materyallerin birleme oran (bariyer ykseklii) deitirilerek ayarlanabilir. Uygun kuyu genilii ve bariyer ykseklii seilerek bir QWIPin dedeksiyon dalgaboyu MWIR blgesinden LWIR blgesine kadar ayarlanabilir. Yakn zamana kadar kzltesi dedektrlerin en nemlisi HgCdTe katksz fotodedektr (MCT) idi. HgCdTe, kzltesi dedektrler iinde en fazla alma yaplan yariletken materyaldir ve dier btn kzltesi fotodedektrlerin karlatrld tek yariletken materyal sistemidir[11, 12, 13]. HgCdTe fotodedektr ok yksek kuantum verimliliine ve dedektiviteye sahiptir. 77 Kde kuantum verimlilii %70i ve dedektivitesi 1012 cmHz1/2W-1 deerini amtr. 640x480 FPA ve ift renk 128x128 FPA HgCdTe fotodedektrler ile gelitirilebilmitir[14, 15]. Btn bu avantajlara ramen bu materyalin gelecei belirsizdir. nk bu materyallerin bytlmesi, ilenmesi ve materyal sistemin kararll ile ilgili zorluklar sz konusudur. Ayrca bir FPA retmek iin gereken maliyet 10.000-60.000 $ kadar yksektir[16].

ekil 3.6: Alt bantlar aras absorbsiyonun ematik diyagram

14

Dier yandan QWIP dedektrler, GaAs ve InP temelli lazerler, LEDler ve mikrodalga devrelerindeki ilerlemeler nedeniyle ok olgun durumda bulunan III-V materyal sistemlerini kullanlrlar. QWIP dedektrlerin bytlmesi ve fabrikasyonu bu teknolojilerden faydalanlarak ayn parametrelere sahip aygtlarn tekrarlanabilir zellikleri bakmndan da olduka nem kazanr. QWIP dedektrler yksek hzl uygulamalar iin iyi bir materyal sistemidir[17]. QWIP dedektrler ile oluturulan FPAler, HgCdTe fotodedektrler ile oluturulan FPAlerden daha iyi performans gsterirler ve daha dk maliyet gerektirirler[18]. GaAs/AlGaAs materyal sistemi, zerinde en fazla allan III-V yariletken materyal olduundan, QWIP dedektrler iin en fazla kullanlan materyal sistemidir. lk n-tipi QWIP 1987 ylnda Levine ve ekibi tarafndan iletim band ierisinde alt bantlar aras absorbsiyona dayandrlarak, GaAs/AlGaAs materyal sistemi zerinde gelitirilmitir[19]. Bu aygtn spektrumsal tepe duyarll 10.8 m olarak kaydedilmitir. Ayrca ilk p-tipi QWIP 1991 ylnda yine Levine ve ekibi tarafndan gelitirilmitir[20]. 1991 ylnda ise Bethea ve ekibi ilk kzltesi grnty elde etmeyi baardlar[21]. 3.4.1 QWIP Dedektrler ve HgCdTe Dedektrler Eer QWIP dedektrler, kendi ayaklar zerinde durabilen bir teknoloji haline gelmek ve ticari baarya sahip olmak istiyorlarsa kzltesi dedeksiyon iin en iyi seim olan HgCdTe (MCT) dedektrlerden stn zellikler sergilemelidirler. Ancak bu ok kolay bir i deildir nk son 30 yl ierisinde dedektr uygulamalar iin zerinde en fazla allan materyal sistemi HgCdTedir[22]. HgCdTe materyal sistemi ok iyi materyal zelliklerine sahiptir ve bu materyal sisteminin direkt bant aralna sahip olmas, kuantum verimliliinde etkin rol oynamaktadr. 70 K zerindeki scaklklarda tek dedektr olarak altrldnda spesifik dedektivitesi emsalsizdir. Ancak HgCdTe dedektrlerde, materyal bytme ve ilemedeki zorluklar unutulmamaldr. Materyal sisteminin bu olumsuzluu ar sayda kusura, materyal dzensizliine yol aar dolaysyla

15

ayn yapy tekrar retebilmek ok zor olacaktr. Materyalin yumuak ve krlgan olmas ilenmesini zor hale getirmektedir. Sonu olarak HgCdTe FPAlerin gelitirilmesindeki ilerleme yava gitmektedir. HgCdTeye karlk olarak QWIP dedektrler, GaAs ve InP temelli lazerler ve LEDlerdeki gelimelerden dolay olgun durumda bulunan III-V materyal sistemini kullanlrlar. QWIP dedektrlerin bytlmesi ve fabrikasyonu iin direkt olarak bu teknolojiler kullanlabilmektedir. imdiye kadar alt bantlar aras geiler, QWIP dedektrlere %10 orannda kuantum verimlilii kazandrmtr. Bu oran HgCdTe dedektrlerin kuantum verimliliinden ok dktr. QWIP yaplar ayrca HgCdTe dedektrlerden daha yksek termal uyarlma oranna sahiptir. Dier yandan QWIP dedektrlerde alt bantlar aras enerjiye yakn enerjideki malar dedekte edilebilmektedir. Bu yzden spektrumda geiler keskindir Ancak HgCdTe dedektrlerde absorbsiyon bantlar aras olduundan band aralndan byk enerjiye sahip malar absorbe edilir [20]. HgCdTe dedektrlerin altrlma scaklklar 50 Kin altna drldnde, bu dedektrlerin btn avantajlar yok olur. Dk kutuplama gerilimlerinde ve 60 Knin zerindeki scaklklarda, HgCdTe dedektrn karanlk akmnda difzyon akmlar etkin rol oynar. 50 K altndaki scaklklarda lokalize olmu kusurlara bal olarak tnelleme akm baskn duruma gelir[23]. HgCdTe materyali ierisindeki kusurlar olduka yksek karanlk akmna yol aar. QWIP dedektrlerde 45 K altndaki scaklklarda kusurlara bal tnelleme, karanlk akmn domine eder. QWIP dedektrler ok daha dk kusur younluuna sahip III-V materyal sisteminden oluturulduundan dolay, bu dedektrlerin karanlk akm bu scaklklarda HgCdTe dedektrlere oranla daha dktr. HgCdTe dedektrlerde kesim dalgaboyunun VLWIR blgesine uzatlmas birok problem ortaya karmaktadr. MWIR blgesi iin materyalin birleme oranlarnn deitirilmesi dalgaboyunda nemsiz deimelere neden olur. Ancak LWIR ve zellikle VLWIR blgeleri iin kesim dalgaboyu, birleme oranlarna ok fazla bamldr. rnein Hg1-xCdxTe alamnda x=0.199 seilirse kesim dalgaboyu 14m, x deeri ok az deitirilerek x=0.184 seilirse kesim dalgaboyu

16

20m olarak llmtr. Sonu olarak HgCdTe materyalinin birleme oranlarnn deitirilmesi zellikle VLWIR blgesinde kesim dalgaboyunun kontrol edilmesinde zorluklar ortaya karmaktadr. Bu durum HgCdTe dedektrler iin bir dezavantajdr. QWIP dedektrlerde, kesim dalgaboyunu kontrol etmek gibi bir problem sz konusu deildir. nk kesim dalgaboyu bu dedektrlerde kuantum kuyusunun zelliklerine daha az baldr. Ayrca QWIP dedektrlerin kesim dalgaboyunun VLWIR blgesine uzatlmas ok kolaydr. VLWIR blgesinde alan QWIP dedektrler iin materyal zellikleri, bytlmesi, ilenmesi LWIR blgesinde alan QWIP dedektrler rnek alnarak oluturulabilir. Bu durum HgCdTe dedektrler iin geerli deildir. Dier bir nemli konu tek dedektrden geni alanl dizilimlere kadar leklenebilirliktir. Hemen hemen btn kzltesi fotodedektrlerde zellikle hedef tanmlama, ayrm yapma veya hedef izleme uygulamalarnda FPA gereklidir. FPAler birbirinden ayr yz binlerce dedektr ierebileceinden bu durum dedektr performans asndan yeni bir ilgi alan ortaya karmtr. Bu ilgi alanlarndan en nemlisi piksel alabilirliidir. Piksel alabilirlii belirli toleranslar iinde dizilimdeki dedektrlerin alma yzdesini gsterir. HgCdTe materyal sistemindeki kusurlu olma eilimi byk miktarda bozuk piksele neden olur. Bu durum bir dizilim iin istenmeyen zelliktir. HgCdTe FPAlerde karanlk akmnn, duyarlln, kesim dalgaboyunun blgesel deiimleri sonucu ortaya kan grlt QWIP FPAlerden daha byktr. Bu nedenle QWIP dedektrler materyal kalitesi ve kesim dalgaboyunun kontrolnden dolay HgCdTe dedektrlerden daha stndr. QWIP FPAlerin dier bir avantaj ise integrasyon zamandr. Daha uzun integrasyon zaman daha dk grlt anlamna gelir. nk HgCdTe dedektrler daha dk aygt direnci-alan arpmna sahiptir. Bylelikle her pikselden daha fazla akm akacaktr. Bu durum genellikle k kapasitrnn doyuma gitmesine neden olur. Bu problemi engellemenin tek yolu ise integrasyon sabitini azaltmaktr. QWIP dedektrlerde aygt direnci-alan arpm ok daha

17

byktr. Dolaysyla QWIP FPAler olduka uzun integrasyon zamanna sahiptir. Sonu olarak, son yirmi yldan beri QWIP dedektrlerdeki hzl gelimeler, dedektrlerin kzltesi yerini grnt elde etmede QWIP dedektrlerin Tablo 3.3te MCT QWIP alabileceini gstermektedir.

dedektrlerin avantajlar ve dezavantajlar gsterilmitir. Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektrler Oturmu III-V bytme teknolojisine sahiptir. Geni bant aralkl materyallerin bytlmesi dar bant aralkl materyallerin bytlmesinden daha kolaydr. Avantajlar Dezavantajlar QWIP dedektrlerden oluturulmu FPA ok dzgndr. VLWIR blgesinde dedeksiyon, standart QWIP teknolojisi ile gelitirilebilir. ok renkli FPAler gelitirilebilir. Kuantum verimlilii dktr. 12 mden kk dalgaboylar iin, katksz fotodedektrlerden daha dk scaklklar gerektirir.

Tablo 3.3: QWIP dedektrlerin avantajlar ve dezavantajlar 3.4.2 Kuantum Kuyulu Kzltesi Fotodedektr (QWIP) eitleri 3.4.2.1 B-B (Bound-to-bound) QWIP lk B-B QWIP dedektr, Levine ve ekibi tarafndan gelitirildi. 50 periyottan oluan yap, 0.5 m kalnlnda st kontak ve 1m kalnlndaki alt kontak arasna yerletirilmitir. Materyal sisteminde kuyu genilii 65 A olan GaAs yariletken materyalinden, bariyer genilii 95 A olan Al0.25Ga0.75As

18

yariletken materyalinden oluturulmutur. Kuyular ND=1,4.1018 cm-3 ve kontaklar ND=4.1018 dzeyleri cm-3 olacak biimde bant katklanmtr. 10m Bu genilikler ve Al kompozisyonu ile kuyu ierisinde iki enerji dzeyi oluturulmutur ve bu enerji arasndaki aral dalgaboyundaki malar sourabilmitir[24]. B-B QWIP dedektrlerde alt bantlar aras absorbsiyon, kuantum kuyusu ierisindeki iki enerji dzeyi arasnda meydana gelir. Tayclar, kuyudan bariyer boyunca tnelleyerek ya da termionik emisyon yoluyla kaarlar. Termionik emisyon, tayclarn termal yolla kuyu dna uyarlmas eklinde tanmlanabilir. B-B QWIP dedektrlerde uyarlma ve tnelleme olay ekil 3.7de gsterilmitir. B-B QWIP dedektrler, dar absorbsiyon spektrumuna ve byk karanlk akmna sahiptir. Karanlk akm, tayclarn kuantum kuyusundan tnellemesini kolaylatran ince bariyerlerden dolay yksektir. B-B QWIP dedektrlerin daha sonraki versiyonlarnda Choi ve ekibi karanlk akma neden olan tnellemeyi azaltmak iin biraz daha kaln ve yksek bariyerler kullanmtr. Choi ve ekibinin bariyer kalnln 95 Adan 140 Aa ve bariyer yksekliini x=0.25ten x=0.36ya karmasyla karanlk akm nemli lde azald. Fakat karanlk akm ve duyarlln uygulanan voltaja kar lineer olmad gzlenmitir. Bunun nedeni olarak yksek elektrik alandaki kompleks tnelleme sreci gsterilmitir[25].

ekil 3.7: B-B kuantum kuyulu kzltesi fotodedektrlerde uyarlma ve tnelleme (Levine, 1993)

19

3.4.2.2 B-C (Bound-to-Continuum) QWIP B-C QWIP dedektrlerde alt bantlar aras absorbsiyon, kuyu ierisindeki enerji dzeyi ile kuyu zerindeki srekli enerji band arasndaki elektron geiine dayandrlmtr. Absorbsiyon spektrumunun tepe deeri B-B fotodedektre gre daha kktr. nk kuyu zerindeki uyarlm enerji dzeylerinin dalga fonksiyonlar bariyer blgesi zerine yaylmtr. Ayrca absorbsiyon spektrumunun, bariyer zerinde enerji band bulunmasndan dolay daha geni olmas beklenir. B-C QWIP dedektrlerin en nemli avantaj, bariyer boyunca tnellemeye gerek kalmadan uyarlm elektronlarn kuantum kuyusundan kaabilmeleridir(ekil 3.8). Bylelikle elektronlarn kontaklarda toplanabilmesi iin gerekli kutuplama gerilimi azaltlabilir dolaysyla daha dk karanlk akm elde edilebilir. Uyarlm elektronlarn bariyerlerden tnellememesi iin bariyerin kalnl artrlabilir. Bariyer kalnln birka yz Adan 500 Aa ykselterek temel dzey ardl tnelleme (ground state sequential tunneling) azaltlabilir[24].

ekil 3.8: B-C QWIP dedektrlerde uyarlma ve tayc iletimi (Levine, 1993)

20

3.4.2.3 B-QB (Bound-to-Quasibound) QWIP B-QB QWIP dedektrlerde birinci uyarlm enerji dzeyi ekil 3.9da grld gibi bariyerin en st noktas ile ayn hizadadr. B-C dedektrler, B-QB dedektrlerden nceki en iyi kzltesi fotodedektrlerdi. B-C dedektrlerde birinci uyarlm enerji dzeyinin, bariyerin en st noktasndan yaklak olarak 10 meV yukarda srekli enerji band idi. Birinci enerji dzeyini bariyerin en st noktas ile ayn hizaya getirerek, daha yksek scaklklarda, karanlk akmnn BC dedektrlere gre daha dk deerlerde olduu gzlenmitir. B-QB dedektrlerin B-C dedektrlere gre avantaj, ekilde grld gibi termionik emisyon iin gerekli olan enerji ile foto iyonizasyon iin gerekli olan enerji miktarnn ayn olmasdr. Szgelimi B-C dedektrlerde termionik emisyon enerjisinin foto iyonizasyon enerjisinden 10-15 meV daha kk olmas karanlk akmnn daha yksek olmasna neden olur[24].

ekil 3.9: B-QB QWIP dedektrler 3.4.2.4 B-M (Bound-to-Miniband) QWIP B-M QWIP dedektrlerde, kuyu ierisinde lokalize olmu temel dzeyden, sperrg bariyerlerin enerji dzeylerinin oluturduu minibanda gei sz konusudur(ekil 3.10). Bu tip dedektrlerde kzltesi ma katkl kuantum kuyusu iinde absorbe edilir ve bir elektron minibanda uyarlarak, miniband ierisinde, kontaklarda toplanana kadar veya baka bir kuantum kuyusu ierisine girinceye kadar tanr. Bu tip dedektrlerin almas, B-C dedektrlerin

21

almasna benzer. B-M dedektrler, B-C dedektrlere gre daha dk fotoiletkenlik kazancna sahiptir nk uyarlm elektron iletimi birok ince bariyer boyunca meydana gelir. Dolaysyla daha dk mobilite sz konusudur[24].

ekil 3.10: Bir B-M QWIP dedektr yaps 3.4.2.5 Geni Bant QWIP Geni bant QWIP dedektrler, deiik parametrelere sahip kuantum kuyularndan oluan birimlerin tekrar edilmesinden oluur. Sz edilen parametreler, kuantum kuyusunun genilii ve bariyer yksekliidir. Bu konudaki ilk yap ekil 3.11de gsterilmitir. Bandara ve ekibi tarafndan gelitirilen bu yap, 575 A kalnlndaki AlGaAs ile birbirinden 75 A kalnlndaki bariyer ile birbirinden ayrlm kuyudan olumutur. Kuyularn genilikleri, srasyla 13m, 14m, 15m dalgaboyundaki malar dedekte edebilecek ekilde ayarlanmtr[24].

22

ekil 3.11: Geni bant QWIP yapnn ematik diyagram Yapnn tmndeki bariyerlerin Al konsantrasyonu 13m dalgaboyunda ma yapan kuyu B-QB durumunda alacak biimde seilmitir. Uyarlm enerji dzeyinin genilii, ince bariyerlerle birbirinden ayrlm kuantum kuyularnn uyarlm enerji dzeyleri ile balantl dalga fonksiyonlarnn st ste binmesinden dolay artmtr. Enerji bant hesaplamalar, uyarlm enerji dzeyinin 28 meV geniliinde olduunu gstermektedir. VB=-3V iken deneysel olarak llen duyarllk erisinin 5.5 m geniledii grlmektedir. Bu genileme, B-QB dedektrlerle karlatrldnda %40 orannda bir arta isabet etmektedir. 3.4.2.6 Kuantum Fotodedektrler Standart bir QWIP dedektrde, k akmn toplayabilmek ve kuantum kuyularn foto iyonize etmek iin oklu kuantum kuyulu yapya elektrik alan uygulanr. Bu elektrik alan deeri yksek kuantum verimlilii (uyarlm elektronlarn kuyudan kaabilme ihtimali) ve dk grlt (dk karanlk akm) parametrelerinin birisinden vazgememize neden olur. Bu nedenle, dk karanlk akmna ve yksek kuantum verimliliine sahip yaplar aratrlmtr. L. Gendron ve ekibi kuantum fotodedektrler eklinde adlandrlan bir yap

23

tasarlamtr[26]. Bu yap fotovoltaik modda, elektrik alan uygulanmakszn altndan karanlk akm sfrdr. Hofstetter ve ekibi [27] kuantum lazerlerin kzltesi blgede fotovoltaik davran zerine almtr. Graf ve ekibi ayn konu zerinde TeraHertz dzeyinde almalar yapmtr[28]. Schneider ve ekibi [29, 30] drt blgeli yap fikrini ortaya atmtr. Son yllarda elektronlarn art arda oluturulmu kuantum kuyular boyunca transfer edilmesine dayanan fotovoltaik dedektr gelitirilmitir. Bu dedektre kuantum dedektr ad verilmektedir. Kuantum kuyulu yap, sfr potansiyel altnda aydnlatldnda, elektronun art arda oluturulmu kuantum dzeyleri boyunca yer deitirmesine imkn verecek biimde tasarlanmtr. Bu yap, foto iletken dedektrlerde var olan karanlk akmn ortadan kaldrmak iin ve alma scaklna snr getirmek iin tasarlanmtr.

ekil 3.12: Kuantum dedektrlerin ematik diyagram ekil 3.12de bir kuantum dedektrn alma prensibi grlmektedir. Birinci kuyu elektronlarn poplsyonunu artrmak iin n katkldr. Bir fotonun h=E5-E1 veya h=E6-E1 enerjilerinde sourulmas bir elektronu birinci enerji dzeyinden beinci veya altnc enerji dzeyine karr. Elektronlarn ilk iki kuyu zerinde delokalize olmas elektronlarn fonon yaymlayarak E5/E6 enerji dzeyinden E4 enerji dzeyine gemesine neden olur. Kuyular ierisinde lokalize ve delokalize olmu enerji dzeyleri ve dalga fonksiyonlar ekil 3.13te

24

gsterilmitir. Bu enerji dzeyleri arasndaki elektron geilerinden doan absorbsiyon spektrumu ekil 3.14de verilmitir. Elektronlarn ikinci ve nc kuantum kuyularnda ve dierlerinde de ayn ekilde delokalize olmas, elektronlarn bir enerji dzeyinden dierine gemesine neden olur. Elektronlarn son kuantum kuyusuna iletilmesiyle potansiyel farkllk kmsenmeyecek bykle ular. Son kuantum kuyusu ile ilk kuantum kuyusuyla ayndr bylelikle potansiyel fark artrmak iin yap tekrarlanabilir. Devre kapatlarak herhangi bir potansiyel uygulamadan nemli lde k akm elde edilmi olunur.

ekil 3.13: Dalga fonksiyonlar ve enerji dzeyleri

25

ekil 3.14: Absorbsiyon Spektrumu 3.4.2.7 Voltaj Ayarl QWIP QWIP yaplarn bant aralnn deitirilebilme zelliinden faydalanarak, bu dedektrlerin fonksiyonellii artrlabileceinden farkl kuantum kuyulu yaplar kullanlarak ok renkli dedektrler tasarlanabilir. M. Z. Tidrow ve ekibinin tasarlad ok renkli dedeksiyon yapabilen kuantum kuyulu yap ekil 3.15te grlmektedir[31].

(a) altnda

(b)

ekil 3.15: Enerji band diyagram (a) pozitif voltaj altnda (b) negatif voltaj

26

Bu yapnn farkl voltajlarda farkl dalgaboyuna sahip malar dedekte edebildii ortaya konmutur. Burada 8-12 m atmosferik pencerede farkl dalgaboyunun dedeksiyonu tanmlanmtr. Her dalgaboyu veya renk uygulanan voltajn deitirilmesi ile ayr ayr elde edilebilir. Bu durum zellikle kzltesi kaynaklarn analizinde ve tanmlanmasnda ok yararldr. M. Z. Tidrow ve ekibinin tasarlad bu yap ince bir bariyerle birbirinde ayrlm iki kuyudan olumutur. Enerji dzeyleri E1, E2 ve E3 ekil 3.15de grlmektedir. Geni olan kuyu katkl olduundan foton tarafndan uyarlan elektron E1 enerji dzeyinden E2 ve E3 enerji dzeylerine gemektedir. E2-E1=138 meV ve E3-E1=108 meV olmas, bu yapnn 9 m ve 11.5 m dalgaboyundaki malar absorbe edebileceini ortaya koymaktadr.

ekil 3.16: Deiik voltaj deerlerinde dedekte edilen dalgaboylar

27

Negatif veya pozitif voltaj altnda yap farkl dalgaboyuna tepki vermitir. Negatif voltaj altnda E1 ile E2 enerji dzeyleri arasndaki etkileimden dolay kuantum kuyulu yap sadece 9.6 m dalgaboyundaki may dedekte edebilmektedir. Kk osilatr gc nedeniyle E1 ile E3 arasndaki elektron geii de kktr ve kaln bariyer nedeniyle elektron iletimi azdr. Pozitif voltaj uygulandnda hem E1-E2 hem de E1-E3 enerji dzeyleri arasnda elektron geii sz konusudur. ekil 3.16da -4V, +6V ve +10V iin dedeksiyon dalgaboylar verilmitir. Kuantum kuyulu yapya +6V, -4V, +10V uygulandnda srasyla 8.4 m, 9.6 m, 10.3 m dalgaboyundaki malar dedekte edilebilmektedir. 3.5 Kzltesi Grntleme Kzltesi uygulamalarn ou kzltesi grntleme sistemleri zerine dayanr. 1840 ylnda John Herschel evaporografi metodu olarak adlandrlan ilk grntleme oluturuldu. Bu metoda gre karbon kapl yzeyden buharlatrlan alkol tarafndan grnebilir bir resim retildi. 1946 ylnda ilk kzltesi hat tarayc gelitirildi. Birok hat tarayc birlikte konularak iki boyutlu grnt elde edildi. 1966 ylnda saniyede 20 grnt elde edebilen ilk gerek zamanl ticari grntleme cihaz gelitirildi.

ekil 3.17: Bir Kzltesi Grntleme Sisteminin ematik Diyagram

28

ekil

3.17

kzltesi

grntleme

sistemlerinin

ematik

alma

diyagramn gstermektedir. Sistem, optiksel sensr nitesi(dedektr), sinyal ykselteci, grnt ileme mekanizmas ve monitrden olumaktadr. Dedektre etkiyen kzltesi ma sistemin optik gereleri tarafndan toplanr ve dedektr ierisinde sinyal retir. Sinyal ykseltilerek grnt ileme birimine gnderilir. Grnt ileme birimi genel olarak A/D evirici, grnt biimlendirme ve dzeltme birimi, D/A evirici, filtreler gibi birimleri ierir. Grnt ileme birimi, grlty bastrma ve veriyi monitr gereksinimleri ile tutarl hale getirmek iin kullanlr. Son olarak k video sinyali, televizyon ekrannda grntlenebilir veya dijital formatta bilgisayara kaydedilebilir. Dedektrler dk scaklklarda altrldndan, soutma birimleri rnein sv azot, termoelektriksel soutma gerektirmektedir. Bugn tarayc sistem ve staring sistem olmak zere iki ana grntleme sistemi kullanlmaktadr. Bu iki sistem optiksel alglama birimleri bakmndan farkllk gstermektedirler. 3.5.1 Tarayc Grntleme Sistemi Bir tarayc grntleme sisteminde, optiksel sensr tek dedektrden veya birden fazla dedektrn oluturduu hattan meydana gelir. Grnt retimi srasnda k voltaj retebilmek iin bir tarayc dedektrn anlk grnt alan evresinde optiksel olarak hareket eder. Tarayclarn hareket eden paralarndan dolay tarayc grntleme sisteminin gvenilirlii staring grntleme sisteminin gvenilirliinden daha dktr. ekil 3.18de bir tarayc grntleme sisteminin ematik resmi grlmektedir.

ekil 3.18: Tarayc Grntleme Sisteminin ematik Resmi

29

3.5.2 Staring Grntleme Sistemi Bir staring grntleme sisteminde optiksel sensr, odaksal yzey dizilimi anlamna gelen FPA(Focal Plane Array)dir. Yksek znrlkl ve soutulmam FPAlerin 1990l yllarda ortaya kmas kzltesi dedektrlerdeki en byk ilerlemedir. Bir FPA, spektrometre, kamera, teleskop gibi optiksel sistemin odaksal yzeyine yerletirilmi dedektr dizilimidir. 256x256, 640x512 gibi formatlar bir dizilimde ka satr ve stun bulunduunu gsterir. FPA zerindeki her element, piksel olarak adlandrlan bamsz kzltesi dedektrlerdir. Piksel periyotlar arasndaki mesafe pitch olarak adlandrlr. Modern bir FPA iin piksel ve pitch boyutlar genellikle 50 mden kk olmaldr. Termal ve foton dedektrlerin her ikisi de spesifik uygulamalara bal olarak FPA yapmak iin kullanlabilir. Staring dizilim, monolitik ve hibrid olmak zere ikiye ayrlr.

ekil 3.19: eitli monolitik kzltesi FPAler

30

Monolitik grntleme diziliminde, dedektrlerin ve k devresinin (ROIC, Readout circuit) her ikisi de ayn substrate (rnein Si) zerindedir. oullama fonksiyonunun bazlar, harici k devresinin iinde deil, dedektr materyalinin ierisinde yaplmaktadr. Farkl monolitik kzltesi FPA emalar ekil 3.19da gsterilmitir. Farkl monolitik kzltesi FPA teknolojileri arasnda Schottky bariyer dedektrl FPA teknolojisi en olgun teknolojidir. Hibrid FPAlerde, dedektr ve k devresi farkl substrateler zerinde yaplmtr ve birbirlerine flip chip bonding veya loophole teknii ile balanmlardr(ekil 3.20). Flip chip bonding tekniinde birletirme materyali olarak indiyum kullanlr. Bu teknik iin iki hibridizasyon yaklam vardr. Birinci yaklamda, indiyum knt dedektr ve ROIC devresi zerinde oluturulmutur. kinci yaklamda ise indiyum kntlar sadece ROIC devresi zerinde oluturulmutur. Dedektr dizilimi ROIC devresi ile ayn hizaya getirilerek scaklk artrlr. Eriyen indiyumun dedektr zerine akmas ile kontak oluturulur. Loophole balant tekniinde dedektr ve ROIC devresi, dedektrn fabrikasyonundan nce tek bir yonga haline gelebilmeleri iin birbirlerine yaptrlr.

ekil 3.20: Hibrid kzltesi FPAler (a) Flip chip bonding teknii (b)Loophole teknii

31

Kzltesi grntleme sistemlerinin yeni jenerasyonlarnn ok renkli yaplabilmesi bu sistemler iin nemli bir zelliktir. Farkl dalgaboylarn dedekte edebilen QWIP dedektrler ayn substrate zerinde birletirilerek ok renkli QWIP dedektrler elde edilebilir. ekil 3.21 (a)da farkl dalgaboylarn dedekte edebilen materyal sistemlerinin dedeksiyon dalgaboylar grlmektedir[2].

(a)

(b) ayarl iki renkli QWIP yap

ekil 3.21: (a) Farkl dedeksiyon dalgaboyuna sahip QWIP yaplar (b) Voltaj ok renkli grntleme dizilimi, ekil 3.21 (b)deki gibi bir dedektr sisteminin tek renkli ROIC devresine balanmasyla elde edilir. Byle bir dizilimde her dedektr iin bir tane indiyum knt gerekir. Uygulanan voltaj deitirilerek, termal grntleme ayr ayr MWIR ve LWIR blgelerinde elde edilir. Byle bir sistemde iki renkli grntnn ayn anda elde edilebilmesi iin ROIC devresine ekstra bir kontak (ekstra bir indiyum knt) gerekir. Dolaysyla iki renkli yeni bir ROIC devresi gerekmektedir. ok renkli QWIP dizilimlerinde grnty btn renklerde ayn anda ve tek renkli ROIC devresi ile elde edebilmek sadece interlace teknii ile mmkndr[2]. rnein iki renkli 256x256 diziliminde iki tane 128x256 znrle sahip grnt elde edilebilir. Son yllarda FPA teknolojisi olduka hzl ilerlemelere sahne olmutur. Bugn gelinen noktada kzltesi grntleme sistemleri 1024x1024 piksel znrle sahiptir. Tablo 3.4de 128X128 piksel, 256x256 piksel, 640x486 piksel, 640x512 piksel ve 1024x1024 piksel FPA parametreleri verilmitir[32, 33, 34, 35].

FPA

Materyal

Pik Dalgaboyu p(m) Kesim Dalgaboyu c(m), / NEDT (mK) Pik Dedektivitesi D*p(cmHz1/2/W) Reflektr Tipi

Pik Duyarll Rp (mA/W)

128x128 14.9, %13

GaAs/AlGaAs

14.2 30 at 45K

420

1.6x1010 (at55K)

Random reflectors

256x256 8.5, %12

Ga0.47In0.53As/InP

8.1 29

55

6.27x1010(at70K)

Corrugated

640x486 ki Renk 9.1, %16(LWIR) 15,%10(VLWIR) 8.9, %10 20 83 8.5

GaAs/AlGaAs

8.4(LWIR) 14.4(VLWIR) 29 (LWIR) 74 (VLWIR)

509 (LWIR) 382(VLWIR)

4x1012(at 55K) 3x1010(at 55K) 1x1011(at 56K)

2-D Periodic grating 2-D Periodic grating

640x512 Dar Band

GaAs/AlGaAs

32

Tablo 3.4: eitli dizilimlerin parametreleri5 9.1 11 14.2 %26 %15 %17 %11 21 45 14 44 1500 1000 2000 2000 13.5 15.4 %42 55 250 4.6 8.4 5.1, %15 8.8, %10 13 (MWIR) 17 (LWIR) 170 130

640x512 Drt Band

In0.33Ga0.67As/Al0.3Ga0.7As* GaAs/AlGaAs 4-6*, 8.5-10, 10-12, 13-15

4x1011(at 55K) 3x1011(at 55K) 3x1011(at 50K) 3x1011(at 40K)

2-D Periodic grating

640x512 Geni Band

Three GaAs/AlGaAs stack

3x1010(at 55K)

Random reflectors

1024x1024 MWIR LWIR

InGaAs/AlGaAs

4x1011(at 90K) 1x1011(at 70)

2-D Periodic grating

33

4. YNTEM VE TEKNKLER 8-12 m dalgaboyundaki malar dedekte edebilen ve voltaj ayarl almas beklenen ok renkli kuantum kuyulu yariletken yap Schrdinger denkleminin Airy fonksiyonlar uygulamalar ile analiz edilmitir. Yariletken yap ekil 4.1de, aygt parametreleri ise Tablo 4.1de verilmitir. zmlenen yapnn bilgisayarda simlasyonu yaplarak sistemin negatif ve pozitif elektrik alan altndaki duyarll ve karanlk akm incelenmitir.

ekil 4.1: Kuantum kuyulu yapnn potansiyel profili

n 1 2 3 4

Vnb (Vnw )[eV ]

b w z n ( z n )[ A]

w E n,i E nw, f

0.31(0) 0.28(0) 0.25 (0)

500(900) 940(1340) 1385(1785) 1840

0.06370.213 0.05270.182 0.04290.16

Tablo 4.1: Aygt parametreleri ekil 4,1de verilen yapnn potansiyel profili,VG = VGnn =1 3

(1) (2)

b Vmin = Vmin S ( z z 4 )

34

b w Vnb , z n < z < z n w b VGn = Vnw , z n < z < z n +1 , S adm fonksiyonu 0, elsewhere

(3)

olmak zere, V = VG + Vmin eklinde yazlr ve sistemin Hamiltoniyeni, H= olur. k nw =b kn =

(4)

p2 +V 2m

(5)

2m * ( E Vnw ) 2 h 2m * b (Vn E ) h2

(6) (7)

sras ile etkin ktle yaknmas iin, kuyu ve bariyerlere ait, dalga numaralar olmak zere, kuyu ve bariyerlerdeki Hamiltoniyenin z fonksiyonlar; well = An e ikn z + Bn e ikn z barrier = C n e eklinde ifade edilir. Dalga fonksiyonlarnn hesaplanabilmesi iin, ekil 4.1deki kaln noktal izgilerle gsterilen, V1b yksekliindeki yalanc bariyer sistemin sa ve sol tarafnda yer almaktadr. Bylece bu blgede snmlenen dzlemsel dalgalar elde edilir. Daha sonra Det[H12x12] =0 bantsn kullanarak zlebilen 12x12lik bir matris elde edilir. Bantlar aras geii gzleyebilmek iin sistem elektrik alan altnda analiz edilir. Elektrik alan altnda kuyular ve bariyerler iin potansiyel profili, F uygulanan elektrik alan olmak zere,b kn z w w

(8) (9)

+ Dn e

b kn z

VnwF = Vnw eFz , Vnb, F = Vnb eFz

(10) (11)

35

eklinde ifade edilir. Bu koullar altnda Schrdinger denkleminin zm,w 2 n ~w w ~w ~ w2 Z n n (Z n ) = 0 Znb 2 n ~b b ~b ~ b 2 Z n n (Z n ) = 0 Zn

(12)

(13)

~ 3 ~ ~ ~ ~z Z nw = ~ [( E Vnw ) q F~ F

2

(14)

~ ~ ~~ 3 ~ Z nb = ~ [(Vnb E ) q F~ z F

2

(15)

~ ~ ~ E ~ qFL , F= , Burada Z nw ve Z nb , L=Lmax uzunluunda bir yap iin E = E0 E0

2h2 ( z % , boluk ve elektronlar iin q = +1 (-1) normalizasyonlar z = , E0 = 2m* L2 Lkullanlarak hesaplanabilr. Denklem (12) ve (13)n kuyu ve bariyer blgeleri iin sras ile, ~ ~ ~ nw ( Z nw ) = E n Ai( Z nw ) + Fn Bi( Z nw ) (16)b n ( Z nb ) = Gn Ai( Z nb ) + H n Bi( Z nb )

~

~

~

(17)

Airy fonksiyonlar kullanlarak zlebilir[37-38]. Burada En, Fn, Gn ve Hn%w katsaylar, z n

ve

%b zn

noktalarnda dalga fonksiyonlarnn sreklilii ve

normalizasyon koullarndan elde edilen 12x12lik matristen yararlanlarak yazlabilir. Kuantum kuyulu yapnn optiksel absorbsiyon katsays,

E f Ei( z ) E f E (fiz ) Pcm * k B Te 2 2 2 = 2 2 cos M fi ln 1 + exp / 1 + exp * i f h m0 Ln r w k BT k BT ( / 2) ........................................................................................(18) (hw E fi ) 2 + ( / 2) 2eklinde yazlabilir.

36

Burada,M fi = m0 ( Ei( z ) E (f z ) ) ih

L/2

L / 2

* ( z ) zi ( z )dz f

(19)

olarak verilmektedir. E fi = E (f z ) Ei( z ) , Ei( z ) ve E (f z ) kuantize olmu ilk ve son enerji dzeylerini, P permeabiliteyi, c k hzn, kB Boltzmann

sabitini, T scakl, polarizasyon vektr ile kuantum kuyusunun normali arasndaki ay, nr krlma indisini, Ef kuyu ierisindeki elektron younluuna bal olan Fermi Enerji dzeyini ve hat geniliini (linewidth) ifade etmektedir. Duyarllk, dedektr tarafndan retilen elektriksel akmn toplam optiksel gce oran olarak tanmlanr. Foton enerjisinin bir fonksiyonu olan duyarlln maksimum deeri RP ;RP = IP q = . a . pe .g P. cos h

(20)

ile matematiksel olarak tanmlanmtr. a absorbsiyon kuantum verimlilii veg optiksel kazan olarak tanmlanmtr. Kuantum kuyulu blgenin uzunluu l

olarak verildiinde;

a =g=

1 exp( 2. .l ) 2

(21) (22) gei zaman ve L ise scak elektronlarn ald

V L L L = = l T l l V

olarak yazlabilir. T =

mesafedir. kuantum verimlilii;

= a . pe =

R p .h. q.g

(23)

eklinde yazlr. Kuantum verimlilii absorbe edilen foton karsnda, k akmna katkda bulunan tayc saysn gsterir.

37

QWIP dedektrlerde karanlk akm;I d (V ) = n * (V ).q.v (V ). A

(24)

eklinde hesaplanr. n* (V ) kuyudan srekli enerji dzeyine uyarlan elektronlarn says, v (V ) ortalama tayc hz ve A dedektr yzeyi olarak verilmektedir. n* (V ) ;m* n (V ) = .h 2 .LP*

E1

f ( E ).T ( E ,V ).dE

(25)

eklinde hesaplanr. LP aktif blgenin uzunluu, T ( E ,V ) tek bariyer iin tnelleme faktr[36] vef (E ) ise Fermi faktr olarak verilmitir.

4 Lb 2m 1 / 2 3/ 2 3/ 2 T ( E ,V ) = exp 2 * (V0 E ) (V0 E eV ) 3eV h

[

]

(26)

f (E) = 1+

1 exp( E E1 E f ) k .T

(27)

denkleminde E f fermi enerji dzeyi, k Boltzman sabiti ve T scaklktr. Ortalama tayc hz;

v(V ) =

1+ (

.F .FVS

(28)

)

2

eklinde hesaplanr. mobilite, F elektrik alan ve VS sprlme hz olarak verilmitir.

38

5. TARTIMA ve SONU 5.1 Aygt Parametreleri

Bu almada, voltaj ayarl ve ok renkli almas beklenen GaAs/AlGaAs materyal tabanl, asimetrik kuyulu yariletken yap incelenmitir. 8.2, 9.5, 10.8 m dalgaboyundaki kzltesi malar dedekte edebilen kuyulu yap yirmi periyottan oluturulmutur. Her periyot, 400 A kalnlndaki AlxGa1-xAs bariyerlerle birbirinden ayrlm kuyudan olumutur. Kuyular srasyla 40 A, 45 A, 55 A kalnlndaki GaAs materyalinden oluturulmutur. Al konsantrasyonlar ise 0.31, 0.28, 0.25, 0.23 olarak seilmitir. Her periyot katklama konsantrasyonu 1x1018 cm-3 olan 500A kalnlnda GaAs katman ile birbirinden ayrlmtr. Kuantum kuyularnn katklama konsantrasyonu 1x1018 cm-3 ve bariyerler katklanmamtr. Yariletken yapnn tamam 0.5 m kalnlndaki Si katkl kontaklar arasna yerletirilmitir. GaAs Kontak Tabakas Nd=1018 cm-3 z=5000A GaAs Kuyu Nd=1018 cm-3 z=500A AlxGa1-xAs Bariyer Nd=0 cm-3 z=400A x=0.23 GaAs Kuyu Nd=1018 cm-3 z=55 A AlxGa1-xAs Bariyer Nd=0 cm-3 z=400A x=0.25 GaAs Kuyu Nd=1018 cm-3 z=45 A AlxGa1-xAs Bariyer Nd=0 cm-3 z=400A x=0.28 GaAs Kuyu Nd=1018 cm-3 z=40A AlxGa1-xAs Bariyer Nd=0 cm-3 z=400A x=0.31 GaAs Kontak Tabakas Nd=1018 cm-3 z=5000A SI-GaAs Substrateekil 5.1: Kuantum kuyulu yapnn ak parametreleri

20periyodluk birim

39

5.2 Sonular

Kuantum kuyulu yapnn sfr elektrik alan altndaki iletim bant profili ve dalga fonksiyonlar ekil 5.2de gsterilmitir. B-QB (bound to quasi-bound) dedektr olarak tasarlanan yariletken yap, LWIR blgesinde yer alan 8.3m, 9.6m ve 10.6m dalgaboyundaki malar absorbe edebilmektedir. ekil 5.3te asimetrik kuyulu yapnn absorbsiyon spektrumu verilmitir.

ekil 5.2; letim bant profili ve dalga fonksiyonlar

ekil 5.3: Kuantum kuyulu yapnn absorbsiyon spektrumu

40

Sistemin duyarll (20) denkleminden hesaplanmtr. ekil 5.4te ters elektrik alan altndaki kuantum kuyulu yapnn duyarllk-elektrik alan deiim erisi gsterilmitir. Ters elektrik alan sfrdan artrlmaya balandnda kuantum kuyulu yapnn sadece 8.3m dalgaboyundaki maya tepki verdii grlmektedir. Uygulanan gerilim 15 kV/cm deerine ulatnda, yapnn 9.6m dalgaboyundaki maya da tepki verdiini grlmektedir. Bunun yannda 8.3m dalgaboyundaki maya gsterilen tepki de artmtr. Uygulanan gerilim artrlarak 30 kV/cm deerine ulatnda kuantum kuyulu yap 8.3m, 9.6m ve 10.6m dalgaboylarndaki maya birden tepki vermitir. Sistemin bu ekilde duyarll ekil 5.5ten de grld gibi en byk empedansn en yksek bariyerde gzkmesinden dolay en byk potansiyelin bu bariyer zerine dmesiyle aklanr. Bu bariyerdeki fazla bklmeden dolay 40A luk kuyunun duyarll ilk olarak gzlendi. Elektrik alann daha da artmasyla srasyla 45A ve 55A luk kuyulardaki duyarllk belirgin hale gelmitir. Ters elektrik alan altndaki bant profilleri ve duyarllk spektrumlar srasyla ekil 5.5 ve ekil 5.6da gsterilmitir.

ekil 5.4: Duyarlln ters elektrik alanla deiimi

41

ekil 5.5: Ters elektrik alanda iletim bant profilleri

ekil 5.6: Ters elektrik alan altndaki duyarllk spektrumlar

42

ekil 5.7de yapnn duyarllnn dz elektrik alan ile deiimi gsterilmitir. ekil 5.7den de grlecei zere elektrik alann artmasyla birlikte yariletken yap dalgaboyuna da tepki gstermitir. ekil 5.8de elektrik alan altndaki iletim band potansiyel enerji profili grlmektedir. ekil 5.9da yapya 30kV/cm deerindeki elektrik alan uygulandnda elde edilen duyarllk spektrumu verilmitir. Yapnn dalgaboyuna da tepki vermesi spektrumun olduka geni olmasna neden olmutur. Dolaysyla kuantum kuyulu yapnn geni bant dedektr olarak almas beklenmektedir.

ekil 5.7: Duyarlln dz elektrik alanla deiimi

ekil 5.8: Dz elektrik alan altndaki iletim bant profili

43

ekil 5.9: E=30 kV/cm iin duyarllk spektrumu

ekil 5.10da gsterilen karanlk akm-elektrik alan erisi 77 K scakl iin WKB yaklam ile hesaplanmtr[36]. Kuantum kuyulu yapdaki asimetriklikten dolay ters ve dz elektrik alanlardaki karanlk akmda da asimetriklik grlmektedir. Bu durum karanlk akmnda yer alan T(E,V) fonksiyonu ile aklanabilir. Ters gerilimde termionik emisyondan dolay tayclarn maruz kald bariyerin yksek olmasndan dolay karanlk akm dz gerilime gre daha dk olarak gzlenmitir.

44

ekil 5.10: Karanlk akm erisi

45

KAYNAKLAR

1. R.Hudson, Infrared System Engineering, (John Willey & Sons, New York, 1969). 2. Jutao Jiang, Infrared Focal Plane Array based on GaInAs/InP Quantum Well Infraed Photodetectors, edited by Manijeh Razeghi (2004) 3. P. L. Richards, J. Appl. Phys. 76, 1 (1994). 4. Jasprit Singh, Semiconductor Optoelectronics Physics and Technology, New York: McGraw-Hill, 1995. 5. B. F. Levine, J. Appl. Phys. 74, R1 (1993). 6. H. C. Liu, in Intersubband Transitions in Quantum Wells, H. C. Liu and F. Capasso, Eds. (Academic Pres, San Diego, 2000), pp. 129-196. 7. S. D. Gunapala and S. V. Bandara, in Intersubband Transitions in Quantum Wells, H. C. Liu and F. Capasso, Eds. (Academic Pres, San Diego, 2000), pp. 197-282 8. K. K. Choi, The Physics of Quantum Well Infrared Photodetectors (World Scientific, Signapore, 1997). 9. J. L. Johnson, L. A. Samoska, A. C. Gossard, J. Merz, M. D. Jack, G. R. Chapman, B. A. Baumgratz, K. Kosai, and S. M. Johnson, J. Appl. Phys.80, 1116 (1996).

10. L. Esaki and H. Sakaki, IBM Tech. Disc. Bull. 20, 2456 (1977). 11. Whitney Mason and J. R. Waterman, Appl. Phys. Lett. 74, 1633(1999). 12. K. Adamiec, A. Rogalski, J. Rutkowski, J. Tech. Phys. 38, 431 (1997). 13. Rogalski, Infra. Phys. Technol. 38, 295 (1997). 14. T. Tung, L. V. DeArmond, R. F. Herald, P. E. Herning, M. H. Kalisher, D. A. Olson, R. F. Risser, A. P. Stevens, and S. J. Tighe, Proc. SPIE 1735, 109 (1992). 15. T. J. Lyon, J. A. Vigil, J. E. Jensen, O. K. Wu, J. L. Johnson, E. A. Fatten, K. Kosai, G. Venzer, V. Lee, and S. M. Johnson, J. Vac. Sci. Technol. B 16, 1321 (1998). 16. T. Naegele, Electronics 7, 76 (1989).

46

17. H. C. Liu, C. Y. Song, A. Shen, R. Dudek, M. Gao, E. Dupont, Z. R. Wasilewski, M.Buchanan, P. H. Wilson, B. J. Robinson, D. A. Thompson, G. J. Brown, F.Szmulowicz, J. Ehret, Proc. SPIE 4288, 130 (2001). 18. S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, E. M. Luong, S. B. Rafol, J. M. Mumolo, D. Z. Ting, J. J. Bock, M. E. Ressler, M. W. Werner, P. D. LeVan, R. Chehayeb, C. A. Kukkonen, M. Levy, P. LeVan, M. A. Fauci, Infra. Phys.&Technol., 42, 267(2001). 19. B. F. Levine, K. K. Choi, C. G. Bethea, J. Walker, and R. J. Malik, Appl. Phys. Lett. 50, 1092 (1987). 20. Matthew Erdtmann, GaInAs/InP Quamtum Well Infrared Photodetectors on Si Substrate for Low-cost Focal Plane Arrays, edited by Manijeh Razeghi (2001). 21. C. G. Bethea, B. F. Levine, V. O. Shen, R. R. Abbott, S. J. Hseih, IEEE Trans. Electron Devices 38, 1118 (1991). 22. B. F. Levine, S. D. Gunapala, J. M. Kuo, S. S. Pei, and S. Hui, Appl. Phys. Lett. 59, 1864 (1991). 23. A. Rogalski, Infrared Phys. Technol. 40, 279(1999). 24. S. D. Gunapala and S. V. Bandara, Semiconductors and Semimaterials, Vol 62, (1999). 25. K. K. Choi, B. F. Levine, N. Jarosik, J. Walker, and R. J. Malik, Appl. Phys. Lett. 50, 1814 (1987c) 26. V. Berger, French patent Detecteurs a` cascade quantique, 2001, National reference number 0109754. 27. D. Hofstetter, M. Beck, J. Faist, Appl. Phys. Lett. 81, (2002) 2683. 28. M.Graf, G. Scalari, D. Hofstetter, J.Faist, H. Bere, E. Linfield, D. Ritchie, G. Davies, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 475 29. H. Schneider, C. Schnbein, M. Walther, K. Schwarz, J. Fleissner, P. Koidl, Appl. Phys. Lett. 1 (1997) 246. 30. H. Schneider, P. Koidl, M. Walther, J. Fleissner, R. Rehm, E. Diwo, K. Schwarz, G. Weimann, in: Proceedings of the workshopon Quantum Well Infrared Photodetectors QWIP 2000 (2000) 283.

47

31. M. Z. Tidrow, K. K. Choi, C. Y. Lee, W. H. Chang, F. J. Towner, J. S. Ahearn, Appl. Phys. Lett. 64, 10 (1994) 32. S. D. Gunapala, J. S. Park, G. Sarusi, True-Lon Jin, J. K. Liu, P. D. Maker, R. E. Muller, C. A. Shott, T. Hoelter, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 44, No.1, January 1997. 33. S. D. Gunapala, S. V. Bandara, A. Singh, J. K. Liu, Sir B. Rafol, E. M. Luong, J. M. Mumolo, N. Q. Tran, David Z.- Y. Ting, Member, IEEE, J. D. Vincent, C. A. Shott, J. Long, and P. D. Le Van, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 47, No.5, May 2000. 34. Jutao Jiang, Student Member, IEEE, Kan Mi, Ryan McClintock, Manijeh Razeghi, Senior Member, IEEE, Gail J. Brown, and Chris Jelen, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No. 9, September 2003. 35. S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, Sir B. Rafol, and J. M. Mumolo, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50, No.12, December 2003. 36. S. R. Andrews and B. A. Miller, J. Appl. Phys. 70(2), 15 July 1991. 37. S.U. Eker, M. Hostut, Y. Ergun , I. Sokmen, A new approach to quantum well infrared photodetectors: Staircase-like quantum well and barriers, Infrared Phys.& Technol., 48 (2006) 101108 38. Y. Ergun , M. Hostut,S.U. Eker, I. Sokmen, Broadband staircase quantum well infrared photodetector with low dark current,Infrared Phys.& Technol., 48 (2006) 109114

48

ZGEM

1981 ylnda Sivasta dodu. Lise renimini Sivas Lisesinde tamamladktan sonra 1999 ylnda Cumhuriyet niversitesi Elektrik-Elektronik Mhendisliine girdi. Lisans programn 2003 ylnda bitirdikten sonra ayn blmde aratrma grevlisi olarak almaya balad. Halen bu grevde almaya devam etmektedir.