InAlN/GaN TEMELLİ YÜKSEK ELEKTRON MOBİLİTELİ TRANSİSTÖRLERİN ( HEMT ) ELEKTRON VE MAGNETO İLETİM ÖZELLİKLERİ. Pınar TUNAY TAŞLI DOKTORA TEZİ FİZİK

Transkript

1 InAlN/GaN TEMELLİ YÜKSEK ELEKTRON MOBİLİTELİ TRANSİSTÖRLERİN ( HEMT ) ELEKTRON VE MAGNETO İLETİM ÖZELLİKLERİ Pınar TUNAY TAŞLI DOKTORA TEZİ FİZİK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KASIM 2010 ANKARA

2 Pınar TUNAY TAŞLI tarafından hazırlanan InAlN/GaN TEMELLİ YÜKSEK ELEKTRON MOBİLİTELİ TRANSİSTÖRLERİN (HEMT) ELEKTRON VE MAGNETO İLETİM ÖZELLİKLERİ adlı bu tezin Doktora tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Mehmet KASAP Tez Danışmanı, Fizik Anabilim Dalı.. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Fizik Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Mehmet ZENGİN Fizik Anabilim Dalı, A. Ü. Prof. Dr. Mehmet KASAP Fizik Anabilim Dalı, G. Ü. Prof. Dr. Veysel KUZUCU Fizik Anabilim Dalı, P. Ü. Prof. Dr. Süleyman ÖZÇELİK Fizik Anabilim Dalı, G. Ü. Prof. Dr. Tofig MAMMADOV Fizik Anabilim Dalı, G. Ü Tarih: 08/11/2010 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü..

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Pınar TUNAY TAŞLI

4 iv InAlN/GaNTEMELLİYÜKSEKELEKTRONMOBİLİTELİTRANSİSTÖRLE RİN ( HEMT ) ELEKTRON VE MAGNETO İLETİM ÖZELLİKLERİ (Doktora Tezi) Pınar TUNAY TAŞLI GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KASIM 2010 ÖZET Bu çalışmada InAlN/GaN ve InAlN/AlN/GaN/AlN yüksek mobiliteli transistör (HEMT) yapılarının elektron iletim ve manyeto iletim özellikleri incelendi. Bu amaçla, her bir numunenin özdirenci, Hall mobilitesi ve taşıyıcı yoğunluğu sıcaklık ( K) ve manyetik alanın (0 1,4 T) fonksiyonu olarak ölçüldü. Manyetik alana bağımlı ölçüm sonuçları, Nicel Hareketlilik Spektrumu Analizi (QMSA) yöntemi kullanılarak analiz edildi ve gerçek 2-boyutlu elektron gazı (2DEG), bulk taşıyıcı yoğunlukları ve bu taşıyıcı yoğunlularından kaynaklanan mobiliteler tespit edildi. Sıcaklık bağımlı Hall ölçüm sonuçları ve QMSA ile ayrıştırılmış 2DEG verileri kullanılarak saçılma analizleri ve gerginlik hesaplamaları yapıldı. Yapılan analizler sonucunda, 2DEG iletiminin gerçekleştiği kuantum kuyusu genişliği, arayüzey bozukluğu ve gerginlikleri belirlendi. Ayrıca, korelasyon uzunluğu, deformasyon potansiyeli ve kuyu genişliği gibi parametreler belirlendi. Yapısal özelliklere ait bu parametrelerin belirlenmesi, daha sonraki çalışmalarda elektriksel özellikleri daha iyi olan numunelerin üretilmesinde yol gösterme işini üstlenecektir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : InAlN/GaN, HEMT, saçılma, gerginlik, QMSA, Hall Sayfa Adedi : 155 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Mehmet KASAP

5 v ELECTRON AND MAGNETOTRANSPORT PROPERTIES OF InAlN/GaN BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS (HEMT) (Ph. D. Thesis) Pınar TUNAY TAŞLI GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY November 2010 ABSTRACT Electron and magnetotransport properties of 5 different InAlN/GaN and InAlN/AlN/GaN/AlN structures were investigated in this study. Resistivities were measured at a temperature range of K, Hall mobilities and Hall carrier densities were measured at the same temperature range and magnetic fields between T. Two-dimensional and 3-dimensional conduction mechanisms were seperated using Quantitative Mobility Spectrum Analysis (QMSA) of magnetotransport measurement results. Results of Hall measurements and QMSA results were used to conduct scattering analysis and strain calculations separately and the differences were examined. Well width of the quantum well that the 2-dimensional conduction occured, roughness of the related interface where the conduction occured and the strain of the interface were calculated. Also, correlation length and deformation potential of samples were determined. Succesfull calculation of these parameters related with the sctructural properties will lead to produce samples which will have better electrical properties. Science Code : Key Words : InAlN/GaN, HEMT, saçılma, gerginlik, QMSA, Hall Page Number : 155 Adviser : Prof. Dr. Mehmet KASAP

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarımda yardımını esirgemeyen, görüş ve fikirlerini aldığım değerli danışman hocam Prof. Dr. Mehmet Kasap, değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Sefer Bora Lişesivdin ve Üniversitemizin Yarıiletken Teknolojileri İleri Araştırmalar laboratuarında her türlü imkanları bizlere sağlayan sayın hocam Prof. Dr. Süleyman Özçelik e, çalıştığım numunelerin üretildiği Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezinin tüm imkanlarını bizlere sunan sayın Prof. Dr. Ekmel Özbay a teşekkürü borç bilirim. Çalışmalarım sırasında, numunelerin büyütülmesi, ölçülmesi ve analizinde yardımı bulunmuş diğer tüm hocalarıma, araştırmacı, mühendis ve tüm arkadaşlarıma. Ayrıca, Hall Etkisi laboratuarında çalışan ve diğer laboratuarlarda çalışan tüm arkadaşlara emekleri için teşekkür ederim. Bu çalışmam sırasında ailemin vermiş olduğu destek, emek ve sabrın küçükte olsa bir karşılığı olması açısından özellikle annem Zehra Tunay, eşim Levent Taşlı, babam Sabahattin Tunay ve minik oğlum Barbaros Semih Taşlı ya, ayrıca bana yardım ve desteği bulunan herkese bu çalışmayı ithaf ediyorum. Bu tez 2001K no lu İleri Araştırma ve Eğitim Programları isimli proje ile DPT tarafından desteklenmiştir.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ...xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ...xii RESİMLERİN LİSTESİ...xvi SİMGELER VE KISALTMALAR...xvii 1. GİRİŞ 1 2. NİTRÜRLERİN KISA TARİHİ III-Nitrür Yüksek Elektron Mobiliteli Transistörlerin(HEMTs) Temel Özellikleri III-Nitrür RF/Mikrodalga aygıtları üzerine değerlendirme KRİSTAL YAPI VE ÖZELLİKLERİ Kristal Yapı III-Nitrürlerin Kristal Yapısı III-Nitrürlerin Elektriksel Özellikleri III-Nitrürler için Kullanılan Alttaşlar Epitaksi İstenmeden Katkılama ve Kusurlar Isıl ve Kimyasal Kararlılık... 17

8 viii Sayfa 3.7. Materyal Parametreleri GaN Materyali AlN Materyali InN Materyali InAlN Alaşımı Safir (Al 2 O InAlN/GaN ÇOKLUYAPISI VE ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ Transistör Alan Etkili Transistörler (FET) Ohmik Kontak InAlN/GaN Çokluyapısı AlN/GaN GaN/AlN/GaN InAlN/AlN/GaN InAlN/AlN/GaN/AlN Çokluyapısı AlN tampon tabaka kullanımı AlN aratabaka kullanımı InAlN Yapılarda Polarizasyon ve 2DEG III-Nitrür (GaN) Yapılarda Polarizasyon Doğal polarizasyon ve piezoelektrik polarizasyon Gerginlik ve Etkileri Boyutlu Elektron Gazı (2DEG YARIİLETKENLERDE İLETİM MEKANİZMALARI... 54

9 ix Sayfa 5.1. Taşıyıcı Hareketliliği ve Eelektron Saçılması Saçılma Mekanizmaları Örgü Saçılma Mekanizmaları Akustik fonon saçılması Polar optik fonon saçılma mekanizması Safsızlık saçılması Alaşım saçılması Arayüzey bozukluğu saçılması DENEYSEL TEKNİKLER Giriş MOCVD Büyütme Yöntemi Hall Etkisi Elektronik İletim Ölçme Sistemi Numune Hazırlama Akım- Voltaj Ölçümleri Hall Etkisi Olayı Özdirenç ve Hall Etkisi Ölçümleri Özdirenç Ölçümleri Hall Etkisi Ölçümleri Manyetoözdirenç Hall Ölçüm Sistemi Nicel Hareketlilik Spektrumu Analizi ( QMSA ) Sonlu taşıyıcı yöntemi İki taşıyıcı yöntemi... 89

10 x Sayfa Mobilite spektrumu (MS) metotları İnterpolasyon ve ektrapolasyon yöntemleri BULGULAR VE TARTIŞMA Giriş In x Al 1-x N/AlN/GaN/AlN HEMT Yapılarının Elektriksel ve Manyetik Özellikleri Kristal büyütme detayları Özdirenç ve hall etkisi ölçümleri Özdirenç ölçümleri Hall ölçüm sonuçlarının sıcaklığa bağlı değişimi Saçılma analizleri Nicel mobilite spektrum analizi (QMSA) ve QMSA sonuçlarını kullanan mobilite analizleri InAlN/AlN/GaN çoklu yapılarında band hesaplamaları SONUÇLAR ve ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER EK-1. Fortran Programı ÖZGEÇMİŞ

11 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. GaN (0001) epitaksiyel büyütmesinde kullanılan alttaşların bazı parametreleri Çizelge 3.2. Nitrat tabanlı üst tabaka için yaygın olarak kullanılan alttaşların avantaj ve dezavantajları Çizelge 3.3.GaN materyaline ait oda sıcaklığındaki temel parametreler Çizelge 3.4. AlN materyaline ait oda sıcaklığındaki temel parametreler Çizelge 3.5. InN materyaline ait oda sıcaklığındaki temel parametreler Çizelge 3.6. Al 0,82 In 0.18 N a ait oda sıcaklığındaki temel parametreler Çizelge 3.7. Al 2 O 3 materyaline ait temel parametreler Çizelge 4.1. Metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonlarına göre n-tipi veya p-tipi doğrultucu kontak ve okmik kontak olma şartları Çizelge 4.2. AlGaN/(AlN)/GaN heteroyapılarda taşıyıcı yoğunluğu ve mobilite değerleri Çizelge 7.1. InN, GaN ve AlN materyallerinin esneme sabiti, piezoelektrik sabitler,doğal polarizasyon ve örgü paramatreleri gibi materyal parametreleri Çizelge 7.2. Numunelerin T, ε xx ve t cr değerleri Çizelge 7.3. Klasik Hall ve QMSA verileri kullanılarak yapılmış saçılma analizleri sonrasında elde edilen parametreler Çizelge 7.4. InN, GaN ve AlN materyallerinin esneklik sabitleri, piezoelektrik sabitler, doğal polarizasyon ve örgü paramatreleri gibi materyal parametreleri

12 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Referanslardan elde edilen bilgilere göre (a) III-N bileşiklerle ilgili yıllara göre yayın sayısı, (b) Yıllaragöre GaN cihaz gelirleri... 6 Şekil 2.2. Farklı III-V yarıiletken ve Si aygıtların frekans ve RF Gücünün karşılaştırılması... 9 Şekil 3.1. III-V ve III-N grubu yarıiletkenlerin örgü sabitlerine Karşı yasak enerji aralığı grafiği [ Şekil 3.2. a ve c örgü sabitli hekzagonal kristal yapı; bu yapı iç içe geçmiş iki alt örgüden oluşmuştur Şekil 3.3. Heteroepitakside büyüme modları [54] Şekil 3.4. AlN, GaN ve InN materyallerine ait kristal yapı Şekil 4.1. Klasik bir MISFET yapısının şematiği Şekil 4.2. Metal/n-tipi yarıiletken kontak için (φ m >φ s ) elektron enerji band diyagramı; (a) birbirinden ayrılmış nötral materyaller için, (b) kontak oluşturulduktan sonra termaldenge durumu Şekil 4.3. (a) Bir AlGaN/GaN ve (b) bir AlInN/AlN/GaNçokluyapısının dengedeki durumu için band diyagramları. Her iki çokluyapı arayüzeyine karşı polarizasyonların işareti oldukça önemlidir Şekil 4.4. AlN/GaN çokluyapıda 2DEG yoğunluğununve mobilitenin AlN bariyer kalınlığına bağlı değişimi [116,117] Şekil 4.5. AlN/GaN çokluyapıda 2DEG yoğunluğunun GaN kep tabaka kalınlığına bağlı değişimi [116] Şekil 4.6. (a) AlGaN/GaN, (b) AlGaN/(GaN)/GaN çokluyapıların şematik bant yapısı [121] Şekil 4.7. AlInN/GaN ve AlInN/AlN/GaN yapılarında oluşankuyular içindeki elektronların birinci seviyedekibulunma olasılıkları Şekil 4.8. GaN kristalinde, (a) Ga-yüzlü ve (b) N-yüzlü kristal düzenleri Şekil 4.9 Ga-yüzlü (a,b) ve N-yüzlü (c,d) AlInN/GaN çokluyapılarında doğal ve piezoelektrik polarizasyon yönelimleri... 47

13 xiii Şekil Sayfa Şekil Gerginlik rahatlamasıyla oluşan dislokasyonlar Şekil Al x In 1-x N/GaN çokluyapıda elektronlar, (a) yerlerindeyken sistem yüksüzdür,(b) termal enerji nedeniyle hareket ederek GaN tarafına geçtiğinde üçgene benzeyen bir potansiyel kuyuda tuzaklanır Şekil Ga-yüzlü Al x Ga 1-x N/GaN çokluyapıda Al x Ga 1-x N ve GaN tabakalardaki polarizasyon yönelimleri [ ] Şekil AlGaN/GaN çokluyapısında 2DEG oluşumu Şekil Ga-yüzlü GaN üzerine büyütülen ABN/GaN çokluyapılarınçoklu arayüzeyde oluşan polarizasyon yük yoğunluğunun alaşım oranına göre değişimi [132] Şekil ve 20K sıcaklıklarda mobilitenin taşıyıcı yoğunluğuna bağımlılığı[156] Şekil 6.1. Genel olarak MOCVD sistemi Şekil 6.2. (a) 6 kontaklı Hall yapı, (b) 8 kontaklı Hall yapı, onca yaprağı biçimindeve (d) kare Van der Pauw yapısı Şekil 6.3. Direnç ve Hall mobilitesi ölçümleri için şematik gösterim Şekil 6.4. Hall ölçüm sisteminin blok diyagramı Şekil 6.5. Manyetik alana göre değişen iletkenlik tensörleri Şekil 6.6. Manyetik alana bağımlı özdirenç ve hall katsayısı değerleri mobiliteye bağımlı iletkenlik fiti Şekil Numunesi için tabaka yapısı Şekil 7.2. In x Al 1-x N/AlN/GaN/AlN HEMT yapılarına ait özdirencin sıcaklığın tersine bağlı değişimi Şekil 7.3. Araştırılan numuneler için, (a) ölçülen Hall mobilitelerinin ve (b) Hall taşıyıcı yoğunluklarının sıcaklığa bağlı değişimleri Şekil 7.4. (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d) 1041 ve (e) 1034 numunelerine ait Hall verileri kullanılarak yapılmış saçılma analizleri sonuçları

14 xiv Şekil Sayfa Şekil 7.5 (a) 50 ve 269 K sıcaklığında manyetik alana karşı iletkenlik tensörleri. Semboller ve çizgiler sırasıyla deneysel ve QMSA fitleri gösterir, (b) 50K de ve (c) 269K de QMSA kullanılarak elde edilen mobilite spektrumu Şekil 7.6. (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d)1041 ve (e)1034 numunelerinin QMSA saçılmalarından elde edilen taşıyıcı yoğunluğu ve mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değişimleri Şekil 7.7. (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d) 1041 ve (e) 1034 numunelerine ait QMSA verileri kullanılarak yapılmış saçılma analizleri sonuçları Şekil numunesi için (a) 2DEG kuyusu ve (b) 2DHG kuyusunun Schrödinger-Poisson denklemlerinin çözümüne dayalı (nextnano 3 ) algoritma ile simüle edilmiş band diagramları. İletim bant ve valans bantları sırasıyla kırmızı ve mavi çizgilerle gösterilmiştir. (c) 1034 numunesi için 2DEG kuyusunun Nextnano 3 ile simüle edilmiş band diagramı Şekil 7.9 (a) 50 ve 269 K sıcaklığında manyetik alana karşı iletkenlik tensörleri. Semboller ve çizgiler sırasıyla deneysel ve QMSA fitleri gösterir. (b) 50K de ve (c) 269K de QMSA kullanılarak elde edilen mobilite spektrumu. Hesaplanan taşıyıcılar sembol ile gösterilir Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d)1041 ve (e)1034 numunelerinin QMSA saçılmalarından elde edilen taşıyıcı yoğunluğu ve mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değişimleri Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d)1041 ve (e)1034 numunelerinin QMSAsaçılmalarından elde edilen taşıyıcı yoğunluğu ve mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değişimleri Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d)1041 ve (e)1034 numunelerinin QMSAsaçılmalarından elde edilen taşıyıcı yoğunluğu ve mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değişimleri Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d)1041 ve (e)1034 numunelerinin QMSAsaçılmalarından elde edilen taşıyıcı yoğunluğu ve mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değişimleri Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d) 1041, (e) 1034 numunelerinin QMSA saçılmalarında elde edilen taşıyıcı yoğunluğu ve mobilitelerinin sıcaklığa bağlı değişimleri

15 xv Şekil Sayfa Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d) 1041 ve (e) 1034 numunelerine ait QMSA verileri kullanılarak yapılmış saçılma analizleri sonuçları Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d) 1041 ve (e) 1034 numunelerine ait QMSA verileri kullanılarak yapılmış saçılma analizleri sonuçları Şekil (a) 1033, (b) 1045, (c) 1040, (d) 1041 ve (e) 1034 numunelerine ait QMSA verileri kullanılarak yapılmış saçılma analizleri sonuçları Şekil numunesi için (a) 2DEG kuyusu ve (b) 2DHG kuyusunun nextnano 3 ile simüle edilmiş band diagramları. İletim bant ve valansbantları sırasıyla kırmızı ve mavi çizgilerle gösterilmiştir. Şekil içindeki kutuda ise: kuvantum kuyusunun ayrıntıları verilmiştir. (b)1034 numunesi için 2DEGkuyusunun nextnano 3 ile simüle edilmiş band diagramı

16 xvi RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 6.1. Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezinde Bulunan AIXTRON RF200/4 RF-S MOCVD Sistemi Resim 6.2. Lakeshore 7700 serisi Yüksek Empedans Hall etkisi ölçüm sistemi (1) He tüpü, (2) Kapalı devre He soğutma ünitesi, (3) Mekanik pompa destekli turbo moleküler vakum pompası, (4) Kryostat,(5) Elektromıknatıs,(6) Elektromıknatıs güç kaynağı, (7) Bilgisayar,(8) Sıcaklık kontrol ünitesi, ölçüm cihazları, anahtarlama sistemi,manyetik alan ölçüm sistemi vb...içeren enstrüman dolabı, (9) Su soğutma sistemi Resim 6.3. Cam Tavlama Fırını Resim 6.4. İndiyum eritilerek tellerle kontak alınmış numunen son hali Resim 6.5. Ohmik davranış gösteren bir numunenin I-V karakteristiği... 73

17 xvii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama µ as Arka plan safsızlıklarına ait hareketlilik limiti µ dp Deformasyon potansiyeline ait hareketlilik limiti µ min Materyaldeki en küçük taşıyıcı hareketliliği µ pe Piezoelektrik saçılmaya ait hareketlilik limiti µ po Polar optik fonon saçılmasına ait hareketlilik limiti µ H Hall hareketliliği n n i n s n H N c N d N v N AS Ξ p P DP P PE q s ρ Elektron yük yoğunluğu Hakiki yarıiletken taşıyıcı yoğunluğu 2-boyutlu elektron yük yoğunluğu Hall taşıyıcı yoğunluğu İletkenlik bandı etkin durum yoğunluğu 3- boyutlu arkaplan safsızlık yoğunluğu Değerlik bandı etkin durum yoğunluğu 2-boyutlu arka plan safsızlık yoğunluğu Deformasyon potansiyeli Deşik yük yoğunluğu Doğal polarizasyon Piezoelektrik polarizasyon 2-boyutlu ters perdeleme uzunluğu, perdeleme sabiti Kristal yoğunluğu

18 xviii Simgeler Açıklama ρ 0 ρ ij ρ p R ab,cd R H R H,p, R H,n S n (µ) S p (µ) σ,σn Manyetik alan yokluğunda özdirenç Özdirenç tensörü (ij indisli) Polarizasyondan indüklenmiş yük yoğunluğu 4 kontaklı direnç değeri Hall katsayısı Bireysel Hall katsayısı Elektronlar için iletkenlik yoğunluğu fonksiyonu Deşikler için iletkenlik yoğunluğu fonksiyonu Elektriksel iletkenlik σ0 Manyetik alan yokluğunda iletkenlik σij İletkenlik tensörü (ij indisli) σ exp ( B) Deneysel iletkenlik tensörü (ij indisli) ij S0 Perdeleme sabiti τ İki saçılma arasındaki ortalama zaman u1 Boyuna akustik fonon hızı UAL Alaşım potansiyeli ν sürüklenme hızı VH Gerçek Hall voltajı VH Ölçülen Hall voltajı VE Ettinghausen potansiyeli

19 xix Simgeler Açıklama VN Nernst-Ettingshausen potansiyeli VR Righi-Leduc potansiyeli Ω0 Bir atom başına düşen hacim x Alaşım oranı Z0 Kuantum kuyu genişliği Kısaltmalar AD AlN CVD CMR 2DEG 2DHG DAP DP e-a FET FTIR FWHM GaN HD HEMT Açıklama Ağır Deşik Aliminyum Nitrür Kimyasal Buhar Faz Epitaksisi Çok Büyük Manyeto Özdirenç 2-Boyutlu Elektron Gazı 2-Boyutlu Deşik Gazı Verici-Alıcı Çifti Geçişi Doğal Polarizasyon İletim Bandı- Alıcı Seviye Geçişi Alan Etkili Transistör Fourier Dönüşümlü Kızılberisi Emilimi Yarı Uzunluğun Yarı-Genişliği Galyum Nitrür Hafif Deşik Hızlı Elektron Hareketliliğine Sahip Transistör

20 xx Kısaltmalar HFET HRXRD I-V KD LED LPE MBE MESFET MISFET MODFET MOSFET MOCVD MS OMR QMSA PE RF RIE SOR TMR VPE Açıklama Çokluyapı Alan Etkili Transistör Yüksek Çözünürlüklü X-Işını Kırınımı Akım- Voltaj Kristal-Alan Yarılma Deşik Işık Yayan Diyot Sıvı Faz Epitaksi Moleküler Akı Epitaksisi Metal Yarıiletken Alan Etkili Transistör Metal Yalıtkan Alan Etkili Transistör Modülasyon Katkılı Alan Ekili Transistör Metal Oksit Alan Etkili Transistör Metal Organik Kimyasal Buhar Faz Epitaksi Hareketlilik Spektrumu Doğal Manyeto Özdirenç Nicel Hareketlilik Spektrumu Analizi Piezoelektrik Polarizasyon Radyo Frekans Reaktif İyon Aşındırma Başarılı Azalma Öncesi İterasyonu Tünelleme Manyeto Özdirenç Buhar Faz Epitaksi

21 1 1. GİRİŞ III-V grubu geniş bant aralıklı nitratlar, aliminyum nitrür(aln), galyum nitrür (GaN), indiyum nitrür (InN) ve onların alaşımlarını içerir. Bunların hepsi periyodik tablonun V. grubuna ait azot elementinin bileşikleridir. III-V grubu elementler arasındaki çok farklı elektronegatiflikten dolayı III-nitrür metaryal sistemleri arasında çok güçlü kimyasal bağlar mevcuttur. Yüksek bant aralığı enerjisi, yüksek ısıl iletkenlik, yüksek erime sıcaklığı, düşük dielektrik sabiti ve yüksek kırılma gerilimine sahip olmaları sebebiyle, III-V grubu Nitrürler yüksek sıcaklık ve yüksek güçlerde çalışabilen yüksek-frekans transistörlerin, mavi/ UV aralığında çalışabilen lazer diyotlarda ve ışık yayan diyotlarda kullanılabilir. AlInGaN alaşımlar (AlN için 6,2 ev, InN için 0,7 ev) direkt bant aralık enerjisine sahip malzemelerdir. Bu enerjiler dalga boyu 200nm den 1700 nm ye kadar değişen ultraviyole ve kızıl ötesi spektral bantlar ile uyuşmaktadır. Yarıiletken alaşımların geliştirilmesi; yasak enerji aralığı, bant bükülmesi ve örgü sabiti gibi özellikleri yeniden biçimlendirmek için gereklidir. Elektronik cihazlarda istenen performansı elde etmek için de düzenli bir alaşım sistemine ihtiyaç duyulur. Bu alaşım sistemleri elde edilirken alaşım düzeni ve alaşım oranı gibi dış sebepler kontrol altında tutulmalıdır. In x Al 1-x N, In x Ga 1-x N gibi alaşımlarda, x alaşım oranının değişimi cihaz performansını oldukça etkilemektedir [1,2]. Si ve GaAs gibi klasik yarıiletkenler kısa dalga boylarında çalışan optoelektronik aygıtların fabrikasyonunda uygun değildir. Buna ek olarak klasik yarıiletkenlere dayalı aygıtlar yüksek sıcaklıkları ve kötü şartları kaldıramazlar. III-Nitrür yarıiletkenler de durum bunun tam tersidir yani AlN, GaN ve InN yarıiletken materyallerin çeşitli mikroelektronik ve optoelektronik uygulamaları sebebiyle III- Nitrür yarıiletken materyaller üzerinde oldukça yoğun araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Bu sebeple son on yıl içerisinde III-Nitrür malzemeler, modern elektronik ve optiksel aygıtların yanı sıra bileşik yarıiletkenler teknolojisi ve bilimde de oldukça önemli bir yer kazanmıştır [3-6].

22 2 GaN tabanlı materyallere geçilmesinin bu kadar uzun sürmesinin bazı sebepleri vardır. Bunlar sırasıyla; GaN ın tek kristaller şeklinde büyütülmesi, p-tipi GaN filmler elde edilmesinin zorluğu ve büyütülen GaN tabakaların genellikle n-tipi iletkenlik göstermesidir. Daha sonra; GaN ın büyütüleceği uygun alttaş materyali bulmak oldukça zordur. GaN ın ilk sentezlemesi Ga üzerinden sıcak amonyak geçiren Jhonson ve arkadaşları (1932) tarafından gerçekleştirilmiştir [13] ve amorf yapıdadır. GaN ın tek kristal halinde büyütülmesine engel olan en önemli özelliği yüksek erime sıcaklığına ve yüksek denge buhar basıncına sahip olmasıdır [1,7]. Kaliteli GaN kristali büyütebilmek için hem yüksek azot basıncına hem de yüksek büyütme sıcaklığına ihtiyaç duyulduğundan ve ayrıca GaN alttaşları bulmak zor olduğundan GaN ın başka alttaşlar üzerine büyütülmesi konusunda araştırmalar yapılmıştır [14-15]. Bu sebeple alttaş olarak mekaniksel ve kimyasal dayanıklılığı ve ayrıca ucuza mal olduğu için öncelikli olarak safir (Al 2 O 3 ) kullanılmıştır. Günümüzde SiC ve Si gibi diğer alttaşlar üzerinede çalışmalar yapılmaktadır. Bunun yanında GaN ile safir arasında %16 örgü uyumsuzluğunun bulunması [8] ve termal genleşme katsayıları arasında çok büyük fark olması, safir üstüne büyütülen GaN filmlerin kötü kalitede olmasına sebep olur. GaN ın SiC ile örgü uyumsuzluğu %3,5 olmakla birlikte safirden daha pahalı bir malzemedir. Safir kullanımındaki bu olumsuzluğu gidermek amacıyla, GaN ve safir alttaş arasına düşük sıcaklıklarda AlN tampon tabaka büyütüldü. AlN tampon tabaka koyulması GaN ın yüzey morfolojisini düzenlemeye yardım ettiği bulundu[6]. Daha sonra AlN tampon tabaka yerine GaN kullanılarak daha kaliteli GaN filmlerin elde edilmesi başarıldı. Tampon tabakalı GaN büyütme ile düşük taşıyıcı yoğunluklu, yüksek mobiliteli ve yüksek kaliteli GaN filmler elde edildi [9]. GaN tabanlı filmlerin üretilmesinde en önemli problemlerden biri de p-tipi GaN filmlerin elde edilememesiydi. Katkılanmadan büyütülen GaN filmler genellikle n-tipi iletkenlik gösterir. GaN ın, III. grup elementi magnezyum (Mg) ile katkılanmasının p-tipi iletkenliğe yol açmadığı bulundu [10]. Fakat, düşük enerjili elektron demeti (LEEBI) vasıtasıyla Mg katkısının GaN de aktifleştirilmesi sebebiyle GaN de p-tipi iletkenlik elde edilebileceği görüldü [11]. Daha sonraları, GaN ın büyütülmesinin ardından azotla (N 2 ) tavlanmasıyla da p-tipi GaN filmlerin elde edilebileceği gösterilmiştir. Bunun asıl sebebi Mg un hidrojen tarafından pasivize edilmesidir [11].

23 3 Bu tezde yapılan çalışmaların amacı, InAlN/AlN temelli yüksek elektron mobiliteli transistörler (HEMT) ve çoklu yapıların en önemli özelliklerinden biri olan elektriksel özellikleri en doğru biçimde araştırılmasını sağlamaktır. Bu sebeple, bu yarıiletkenlerin elektriksel özelliklerini tayin etmede bize yardımcı olan iki-boyutlu elektron gazının (2DEG) en doğru biçimde tayin edilmesi ve en doğru şekilde analiz edilmesi büyük önem taşımaktadır. Elde edilen 2DEG parametreleri kullanılarak ulaşılan sonuçlara göre büyütme koşularının numune kalitesine katkısının ne olduğu, oluşan kuantum kuyularının özelliklerinin numune kalitesine etkisi nedir ve katmanlar arası gerginliklerin etkilerinin varlığı ya da kuantum kuyularının katmanlar arası gerginliğe sebep olup-olmadığı gibi sorulara cevaplar aramaktır. Yapı ile ilgili parametrelerin elektriksel ölçümlerle elde edilmesi, üretilecek olan yapıların belirlenmesi konusunda bize oldukça fayda sağlayacaktır. Tez çalışmasında Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (NANOTAM) Laboratuarlarında Metal Organik Kimyasal Buhar Birikimi (MOCVD) yöntemiyle büyütülen InAlN/GaN çokluyapı ve InAlN/AlN/GaN/AlN örneklerin, Gazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü Yarıiletken Teknolojileri İleri Araştırma Labaratuarındaki (STARLAB) Hall Etkisi Ölçümleri/ Derin Seviye Geçiş Spektrometresi (DLTS) Laboratuarında; 0,4 Tesla sabit manyetik alan altında 30 K 300 K sıcaklık aralığında sıcaklığa bağlı ölçüm ve 0 1,4 Tesla manyetik alan aralığında her bir sıcaklık adımında manyetik alana bağlı olarak özdirenç ve Hall etkisi ölçümleri yapıldı. Elde edilen deneysel veriler Nicel Mobilite Spektrum Analize (QMSA) yöntemi ile analiz edilerek elektronlar ve deşikler için ayrı ayrı mobilite ve taşıyıcı yoğunlukları hesaplandı. Elde edilen sonuçlara saçılma analizleri yapılarak parametre araştırması yapıldı ve büyütme sıcaklıklarının mobilite, taşıyıcı yoğunluğuna etkileri araştırıldı. Bu tez çalışması aşağıdaki şekilde düzenlenmiştir. Birinci bölümde, III-V grup yarıiltkenler ile ilgili kısa bir yapıldı. İkinci bölümde GaN, çoklu yapılar ve HEMT ler hakkında kısa bir tarihçe, III-Nitrür HEMT lerin temel özellikleri ve III-Nitrür RF/Mikrodalga aygıtları üzerine değerlendirmeye kısaca yer verildi. Üçüncü bölümde; III-V grubu yarıiletkenlerin kristal yapıları, elektriksel özellikleri ve bazı

24 4 diğer özellikleri verildi. GaN, AlN, InN yarıiletken malzemeleri ve tez içinde incelenen numunelerde bulunan InAlN alaşımı ve alttaş olarak kullanılan safir için bazı parametreler verildi. Dördüncü bölümde, InAlN/GaN temelli çokluyapılar hakkında bilgi verildi. Beşinci bölümde, düşük alan elektron iletim teorisi, iletim mekanizmaları ve 2DEG de saçılma mekanizmaları tartışıldı. Altıncı bölümde, deney seti, ölçüm metotları ve analiz teknikleri hakkında bilgi verildi. Ayrıca tezde kullanılan paralel iletim sorununun çözümlenmesinde kullanılan QMSA analiz metodu detaylıca tanıtıldı. Yedinci bölümde, Hall etkisi ölçümlerinden elde edilen deneysel sonuçlar tartışıldı ve QMSA yöntemi kullanılarak elde edilen sonuçlarla kıyaslandı. Sonuçlar üzerinde saçılma analizleri gerçekleştirildi ve saçılma analizleri sonucunda bazı elektriksel parametreler hakkında fikirler verildi. Ayrıca tez dahilinde kullandığımız saçılma analizleri Fortran 90 programlama diline çevrildi ve teorik hesaplamaları bu programda gerçekleştirildi. Oluşturulan Fortran 90 programı da tezin son kısmında ek olarak verildi.

25 5 2. NİTRÜRLERİN KISA TARİHİ Toz AlN çok önceleri sıvı Al ve N 2 gazından elde edilmiştir fakat AlN bileşik yarıiletken ilk olarak 1907 yılında büyütülmüştür [12], GaN ve InN bileşik yarıiletkenler ise sırasıyla 1932 ve 1910 yıllarında büyütüldü [13] yılında, Jhonson ve arkadaşları, yüksek sıcaklıklarda metalik Ga ve amonyaktan siyah GaN toz elde ettiler [14]. Düşük kalitelerine rağmen bu yapılar ilk optiksel ve elektriksel çalışmalar için kullanıldı. GaN araştırmalarında en büyük buluş Maruska ve arkadaşları tarafından 1969 yılında epitaksiyel GaN ın Hidrat Buhar Faz Epitaksi (HVPE) yöntemi kullanılarak büyütüldüğü zaman gerçekleştirildi [15]. HVPE; filmlerin fiziksel özelliklerinin çalışmalarında kullanılan bulk malzemeleri elde etmek için uygun bir yöntemdir. Metal Organik Kimyasal Buhar Birikimi (MOCVD) yöntemini ilk olarak 1971 yılında Manasevit ve arkadaşları GaN için geliştirildi [13] ve şuanda da epitaksiyel ince film üretmek için en yaygın tekniklerden biridir yılları arasında GaN üzerine yapılan araştırmalar yüksek kalitede p-tipi GaN üretmede yaşanan sıkıntılar nedeniyle duraksamıştır. İki ana buluş 1980 yılında yapılmıştır. İlki; Akasaki, Amano ve arkadaşları [16] tarafından geliştirilen: safir ve GaN ince filmler arasındaki örgü uyumsuzluğunu en aza indirgemek amacıyla düşük sıcaklıklarda C de safir üzerine GaN veya AlN tampon tabaka büyütülmesidir. Daha sonra GaN üst tabakası yaklaşık C gibi yüksek sıcaklıklarda tampon tabaka üzerine büyütüldü. Bu tampon tabaka büyütme işlemi 1983 te farklı bir alt tabaka üzerine oldukça kaliteli bir GaN büyütülmesine izin vermiştir [16]. GaN tabaka ve safir alttaş arasına, AlN ve GaN tampon tabaka büyütülmesi tabakaların kalitesini önemli ölçüde arttırmıştır. Bu günümüzde halen iki adımlı büyütme yöntemi olarak bilinmektedir. İkinci ise; 1989 yılında LEEBI ile Mg-katkılı GaN ın elde edilmesidir. Oldukça yüksek kalitede GaN tabakanın ilk büyütülmesi 1983 yılında Yoshida ve arkadaşları tarafından gerçekleştirildi. Bu buluşlarla, Nitratlı yapıların oluşumu alanında ilerlemeler hızlandı ve çok hızlı, yüksek ışık veren mavi ışık yayan diyotlar (LED) ve ilk nitrat-tabanlı mor lazer diyot

26 6 elde edilmeye başlandı. Şekilde GaN tabanlı yapıların yıllara göre yayın sayısı ve cihaz gelirleri görülmektedir. Şekil 2.1. a) Referanslardan elde edilen bilgilere göre III-N bileşiklerle ilgili yıllara göre yayın sayısı, b) yıllara göre GaN cihaz gelirleri 2.1. III-Nitrür Yüksek Elektron Mobiliteli transistor lerin (HEMTs) Temel Özellikleri HEMT; karma eklemli alan-etkili transistör (HFET) veya değişen katkılı alan-etkili transistör (MODFET) olarak adlandırılabilir. Yüksek elektron mobilitesine ve yüksek hıza dayalı III-V HEMT ler RF/mikrodalga aygıt uygulamaları için oldukça umut vericidir. Mikrodalga güçlü transistörler, oldukça önemli olan kablosuz iletişimde ve radar teknolojilerinde hayli öneme sahiptir. GaAs tabanlı HEMT ler geçmiş 20 yıl içerisinde büyük ilgi görmüştür; fakat, düşük kırılma voltajları ve daha az güç yoğunlukları sebebiyle diğer materyallere doğru araştırmalar başlamıştır. Bunun üzerine, geniş bant aralığı ve varolan elektriksel polarizasyon sebebiyle III-N HEMT ler yüksek güç ve kırılma votajlı mikrodalga aygıtlar için tercih edilmektedir. HEMT yapısı 1979 yılında Mimura tarafından ilk olarak ortaya konulmuş ve ilk makale de 1980 yılında yayınlanmıştır. GaAs tabanlı HEMT ler oldukça geniş bir şekilde araştırılmış ve oldukça iyi anlaşılan hetero eklemli sistemlerdir [17]. HEMT in temel yapısı, yüksek enerjili iletim bantlı bariyer tabakası ve düşük enerji iletim bantlı kanal tabakası arasında heteroeklemlerdir. Kanal ve bariyer tabakası arasındaki

27 7 arayüzeyde iki-boyutlu elektron gazı (2DEG) oluşur. Yüksek güç ve frekansda aygıtlar yapılabilmesi için yüksek yoğunluk ve mobiliteye sahip 2DEG HEMT leri gerekmektedir. Sırasıyla 3.41 den 6.2 ev a değişen direkt bant aralıklı GaN ve AlN alaşım sistemi III-N aygıt dizaynında eşsiz bir fırsat olarak değerlendirilmektedir. Son yılda AlGaN/GaN tabanlı HEMT ler yüksek güçte, yüksek kırılma voltajında ve yüksek frekansta uygulamalar için oldukça ilgi çekici olmuştur [18]. Buna ek olarak, materyallerin kimyasal özellikleri kötü şartlarda dahi aygıtın çalışmasına izin vermektedir. Ambacher ve arkadaşları, katkılı ve katkısız AlGaN/GaN yapılarında 2DEG nın yüksek taşıyıcı yoğunluğu konsantrasyonlarının oluşumu hem piezoelektrik hem de kendiliğinden oluşan polarizasyona dayandırılır [19]. GaN da elektron etkin kütlesi (0,22meV) GaAs elektron etkin kütlesinden üç kat daha büyük olmasına rağmen, bulk GaN ın düşük alan mobilitesi GaAs kinden daha küçüktür. Yüksek elektron hızına, yüksek soğurma hızına, büyük termal dengeye ve büyük bant aralığına sahip olduğundan mikrodalga güç aygıtlarında kanal materyali olarak GaN ın kullanılması oldukça uygundur [20-25]. Bu sebeplerden dolayı, AlGaN/GaN hetoroyapılar GaAs aygıtlarla karşılaştırıldığında 2DEG yoğunluğu ve yüksek mobilite değerleri ile yüksek güç ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilmektedir [26-29]. Katkısız olan AlGaN/GaN HEMT yapılarda; AlGaN/GaN arayüzeyde kendiliğinden ve piezoelektrik polarizasyon sebebiyle, AlGaN/GaN heteroyapılar yüksek taşıyıcı yoğunluklu 2DEG yoğunluğuna sahiptir [30-31]. Heteroyapılarda 2DEG in yoğunluğu ve mobilitesi aygıt performansıyla ilgili olan anahtar bir parametredir. AlGaN/GaN tabanlı HEMT lerin performansınının artmasına katkısız arayüzeye yakın yüksek ( cm -2 ) taşıyıcı yoğunluklu 2DEG sebep olur. Piezoelektrik etkiler gerilmeli yarıiletkenlerde yük yoğunluğu ve elektrik alan dağılımını etkileyebilir [30-31]. Özellikle hegzagonal AlGaN/GaN yapılı transistör yapılarda, kusurlu üst tabakanın piezoelektrik polarizasyonu AlGaAs/GaAs yapılarınınkinden

28 8 hemen hemen beş kat daha büyüktür. Buda arayüzeyde taşıyıcı yoğunluğunun önemli derecede artışına sebep olur [32-34]. Son yıllarda, InAlN bariyer tabakalar Kuzmik in önersinden sonra HEMT performansını geliştirmek için AlGaN ların yerine geçmiştir [35]. InAlN kullanmanın avantajları örgü veya polarizasyon uyumlu heteroyapılar elde etmek için ve alaşımların oranının ayarlanabilmesidir. Indium oranı %18 olarak ayarlandığı zaman, GaN ve alaşım örgü uyumlu olur. Gerilmelerin serbest olduğu yapılar için polarizasyon yükü tümüyle kendiliğinden polarizasyonla belirlenir. Bu sistemlerin kendiliğinden polarizasyonları çok olduğu için InAlN/GaN HEMT yapılar AlGaN/GaN HEMT yapılardan daha yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahiptirler ve bu yüzden AlGaN/GaN HEMT lere göre tercih edilirler. Ancak InAlN/GaN yapıların büyütme koşulları oldukça zordur, yüksek sıcaklıklarda büyütülen bu yapılarda In yüksek sıcaklıklarda buharlaştığı için In oranını ayarlamak oldukça zor gerçekleşmektedir III-Nitrat RF/Mikrodalga aygıtları üzerine değerlendirme 2000 yılında, RF/mikrodalga yarıiletken piyasasının 5 milyar dolar civarında olduğu tahmin ediliyordu [36]. Dünya üzerinde iletişimde genel artış sebebiyle bu miktar gittikçe artmaktadır. Bu piyasanın yaklaşık %70 i Si tarafından karşılanırken kalan kısmı da GaAs tarafından karşılanmaktadır. Diğer yarıiletkenlerin katkısı göz ardı edilmiştir. Bu olay iki yarıiletkenin ortaya çıkmasıyla yakın gelecekte değişeceği öngörülmektedir: SiC ve GaN. GaN tabanlı elektronik sistemler gelecek 10 yıl içerisinde hemen hemen 500 milyon dolara ulaşacağı tahmin edilmektedir. Si, GaAs veya InP gibi daha önce sıklıkla kullanılan yarıiletkenlerle karşılaştırılırsa, GaN ın yüksek kırılma voltajı, yüksek sıcaklık ve yüksek saturating hızı gibi bazı üstünlüklere sahip olduğu görülür. Sonuç olarak; Şekil 2.2 de görüldüğü gibi yüksek güç yoğunluklarına GaN transistörlerde ulaşılmaktadır. Büyük elektron kütleleri, azalan mobilite, kontak direnç sınırı ve yaklaşık 50 GHz oranında iş frekansına sahip GaN, düşük güç, yüksek frekanstaki

29 9 GaAs ve yüksek güç, düşük frekanstaki SiC ile rekabet içindedir. Teknolojideki gelişmeler sayesinde bütün teknoloji yüksek güçteki yarıiletkenlere doğru kaymaya başlamıştır. Sonuç olarak; yüksek güç ve yüksek frekans uygulamaları için GaN tabanlı yarıiletkenler geleceğe ışık tutmaktadır. Şekil 2.2. Farklı III-V yarıiletken ve Si aygıtların frekans ve RF gücünün karşılaştırma şeması [36]

30 10 3. KRİSTAL YAPI VE ÖZELLİKLERİ 3.1. Kristal Yapı Atom veya atom gruplarının bir düzen içinde yerleştiği katı cisimlere kristal denir. Bir başka değişle; kristal, atomların üç-boyutlu ve periyodik bir dizilişidir. Bazı katılarda atomlar rastgele düzenlenmiş olabilirler, yani, bu katılar kristal yapıda değildirler. Böyle cisimlere amorf cisimler denir. İdeal bir kristal, özdeş yapı birimlerinin uzayda sonsuz tekrarı ile elde edilir. Katılar; amorf, polikristal ve tek kristal olarak üç temel tipe ayrılırlar. Her bir tip materyal içindeki düzenli bölgelerin boyutlarına göre karakterize edilirler. Düzenli bölgeler ise atom veya moleküllerin düzenli ve periyodik olarak düzenlenmesiyle oluşmuş hacimlerdir. Polikristal materyaller değişen ebat ve yönelimlere sahip oldukça fazla sayıda atom veya molekülerin düzenli tekrarından oluşurken, amorf materyaller sadece birkaç atom veya moleküler boyutlar içinde düzenlenmiştir. Bu düzenli bölgeler veya tek kristal bölgeler, atomların birbirlerine göre ebat ve yönelimlerinde farklılık görülür. Tek-kristallerin avantajı, elektriksel özellikleri tek kristal olmayanlara göre oldukça üstündür. Tek kristal bölgeler grain olarak adlandırılır ve grain bağları ile birbirlerinden ayrılırlar. Gerçek katılar çok seyrek olarak büyük ve kusursuz tek kristaller halinde bulunurlar, yani, ideal mükemmel kristal bulmak oldukça zordur. Aşağıda mükemmellikten sapmaya birkaç örnek verilmektedir: a) Kristalin yüzeyi mükemmellikten sapmaya iyi bir örnektir. Yüzeyde periyodiklik sona erer. Yüzeye yakın atomlar, derindekilerden farklı bir çevre içindedirler. Bunun sonucu olarak da farklı davranırlar. b) İdeal kristallerdeki atomların denge konumlarında hareketsiz oldukları kabul edilmektedir. Termal titreşimler ise atomların denge konumları civarında küçük salınım hareketleri yapmalarına sebep olur.

31 11 c) Gerçek kristallerin içinde her zaman az da olsa yabancı atomların bulunması mükemmellikten sapmaya bir başka örnektir. d) Kristallerde çoğu zaman farklı yoğunluklarda ve bir arada bulunan nokta, çizgi veya düzlemsel kusurlar bulunabilir. İdeal kristallerin fiziksel özelliklerinin araştırılması veya matematiksel olarak ifade edilmesi kolaydır. Bunun yanında, katılardaki ilginç ve teknolojik uygulaması olan olayların birçoğu, yukarıda sayılan veya sayılamayan kusurlar sayesinde meydana gelmektedir. Gerçek katıların elektronik, optik, magnetik ve mekanik özellikleri katıdaki kristal kusurlarına sıkı sıkıya bağlıdır. Bu yüzden, kristal kusurları işleri zorlaştırmakla beraber çoğu zaman aranan bir özellik olmaktadır III-Nitrürlerin Kristal Yapısı Yarıiletkenlerin yasak enerji aralığı, yarıiletkenlerin iletim ve optiksel özelliklerini belirlemede oldukça önemli bir parametredir. Şekil 3.1 de SiC, GaAs ve ZnSe gibi yarıiletkenlere ek olarak III-V Nitratların örgü sabitlerine karşı yasak enerji aralıkları sunuldu [37-38]. Nitrat materyallerin yasak enerji aralığı elektromanyetik spektrumda kızılötesinden morötesine doğru bir aralığı kapsar. Şekil 3.1. III V ve III-N grubu yarıiletkenlerin örgü sabitlerine karşı yasak enerji aralığı grafiği [39] GaAs ve Si gibi bilenen yarıiletkenler; elmas ve kaya tuzu kristal yapılı, kübik simetriğe sahiptir. Grup III-Nitratların ise üç ana kristal yapısı mevcuttur: hekzagonal (wurtzide), çinkosülfür (zincblende) ve kaya tuzu (NaCl-tipi) yapılarıdır. III-Nitrat

32 12 yarıiletkenler normal şartlar altında en kararlı hekzagonal yapıda kristallenirler. Daha yüksek kristal kalitesi ve daha kararlı olduklarından elektriksel ve optik uygulamalarda hekzagonal GaN kullanmak daha uygun görülmektedir. Hekzagonal yapı Şekil 3.2 de gösterilmiştir. Azot atomları paket yapıya yakın hekzagonal (hcp) şeklindedir ve tetrahedral durumların yarısı hcp örgüde grup-iii nitratlar ile doldurulur. Bu yapıda atomların dizilmesi ABABABAB. şeklindedir, sıkı paket _ düzlemleri (0001),(0001) taban düzlemleri ve koordinasyon sayısı da 12 dir. Hekzagonal birim hücresi a ve c şeklinde iki örgü sabiti ile tanımlanır. Hekzagonal birim hücresinde her atomdan 6 tane vardır, iki tane iç içe geçmiş sıkı paket hekzagonal alt örgü vardır ve her alt örgüde bir tip atom bulunur. Şekil 3.2. a ve c örgü sabitli hekzagonal karistal yapı. Bu yapı iç içe geçmiş iki altörgüden oluşmuştur 3.3. III-Nitrürlerin Elektriksel Özellikleri Yarıiletken malzemelerin elektriksel özelliklerini anlamak, yapı performansını ve materyal kalitesini geliştirmek için temel bilgiler ve yaklaşımlar geliştirme imkanu oluşturur. Elektriksel özellikler; yarıiletkendeki safsızlıklar, safsızlık seviyeleri ve

33 13 yoğunlukları, büyütme şartları, katkı miktarı gibi etkenler tarafından değişir. Bu elektriksel özellikler Hall etkisi ve DLTS gibi ölçüm sistemleriyle tayin edilebilir. III-Nitratlar ve alaşımları α-aln için 6,2 ev, α- GaN için 3,4 ev a ve α-inn (hekzagonal InN) için 1,9 ev (0,7eV) değerlerinde direkt yasak enerji aralıklı kararlı sistemler oluştururlar. Bu yarıiletkenlerin sahip olduğu hekzagonal yapı, bant yapısının anizotropik olarak şekillenmesini sağlayan düşük enerjili bir simetriye sahiptir. Değerlik bandı üç altbanda ayrılmıştır [40]. İletkenlik bandı parabolik olduğu için elektron etkin kütlesi izotropiktir; deşik etkin kütleleri yüksek anizotropik özellik gösterdiğinden dolayı hesabı zordur [41-42]. Bunun yanı sıra büyütme şartlarından meydana gelen kristal gerilmeleri de değerlik bandının yapısını periyodiklikten saptırır. Bunun gibi ortaya çıkabilen birçok etki, GaN ve diğer N- tabanlı yarıiletken ve alaşımların elektriksel özelliklerini etkiledikleri için oldukça önemlidir III-Nitrürler için Kullanılan Alttaşlar Geniş bant aralıklı yarıiletken alttaşlar epitaksiyel büyütmeler için oldukça uygun görülmektedir. Alttaş seçimi için bazı kriterler mevcuttur. Bunlar; kullanılan tabaka ve alttaş arasında örgü uyumu, termal iletkenlik (κ L ) ve termal genleşme katsayısı (CTE), farklı sıcaklıklarda maksimum elektriksel izolasyon, 2-8 inç çaplarında bulunabilme, kristal kalitesi ve kusur yoğunluğu, yüzey özellikleri ve kusur yoğunluğu, tabaka eğriliği, mekanik ve kimyasal özelliklerdir. Nitrürlü bileşimler için GaN alttaş metaryali olarak oldukça uygundur; bununla birlikte, şimdiye kadar ne iletken ne de yarı-yalıtkan GaN alttaşlar uygun çapta ve kalitede elde edilememiştir [43-44]. Bu bileşimler için yaygın olarak kullanılan alttaşlar Al 2 O 3 (safir) ve SiC yapılarıdır. Çizelge 3.1 ve 3.2 de bu alttaşların özellikleri özetlenmiştir.

34 14 Çizelge 3.1. GaN (0001) üsttabaka için kullanılan alttaşların bazı parametreleri. a, α, κ ve f paramatreleri sırasıyla örgü uyumu olmayan yapılar için örgü sabiti, termal genleşme katsayısı, termal iletkenlik katsayısı ve örgü uyumsuzluğu yüzdesini göstermektedir [45] Alttaş a( 0 A) f (%) ( α K ) κ ( Wcm K ) ($) GaN(0001) 3, ,59 1, Al 2 O 3 (0001) 4,758(2,747) +33(-13,8) 7,5 0,4 50 Si(111) 3, ,4 3,59 1,5 20 SiC(0001) 3,0806-3,4 3,2 4, SI-SiC(0001) 3,0806-3,4 3,2 4, Çizelge 3.2. Nitrat tabanlı üst tabakada yaygın olarak kullanılan alttaşların avantaj ve dezavantajları Alttaş Avantajları Dezavantajları Si SiC Al 2 O 3 (safir) -Düşük maliyet -Yaygın olarak bulunur -Si elektroniklerle entegrasyon -Yüksek termal iletkenlik -GaN ile düşük örgü uyumsuzluğu -Çok düşük maliyet -Yaygın biçimde bulunuyor -Yüksek sıcaklıklarda kararlılık -Kolay temizleme -GaN ile yüksek örgü uyumsuzluğu -GaN ile yüksek termal uyuşmazlık -Zayıf termal iletkenlik -Yüksek maliyet -Yüksek kusur yoğunluğu (mikroborular ve vida türü bozukluk) -Çok zayıf termal iletkenlik -GaN ile yüksek örgü uyumsuzluğu

35 Epitaksi Tek kristal alttaş üzerine yönelimli kristal büyütme işlemine epitaksi denir. Büyütme işlemi; film ve alttaşın aynı tür malzeme olması durumunda homoepitaksi, farklı tür malzeme olması durumunda ise heteroepitaksi olarak adlandırılır. Homoepitakside; basamaklı (step-flow), tabaka-tabaka ve çoklu-tabaka olmak üzere üç büyüme modu vardır. Bunlar arasından basamaklı büyüme dengeye yakın şartlarda gerçekleşir. Heteroepitakside, film ve alttaş farklı tür malzemeler olduğundan ideal örgü-uyumlu büyümeleri çok nadir görülen bir durumdur. Pek çok film ve alttaş malzemenin kristal yapısı farklıdır. Alttaş ve film malzemelerin örgü sabitleri arasındaki bağıl fark ile tanımlanan uyuşmazlık (ε=(b-a)/a; b filmin, a alttaş malzemenin örgü sabiti), genelde bu farkın ölçüsü olarak kabul edilir. Düşük uyuşmazlıklar filmde elastik gerinme oluşturabilir. Bu durumda film ara düzlemde alttaşın periyodisine uyar; fakat birim hücre hacmini korumak için dik yönde bozulabilir. Bu, uyarlanmış büyüme olarak adlandırılır. Daha yüksek uyuşmazlıklarda ortaya çıkan gerinme, film/alttaş ara yüzeyinde uyuşmazlık kaynaklı (misfit) dislokasyon oluşumuyla gevşer (Şekil 3.3) [46]. Şekil 3.3. Heteroepitakside büyüme modları [46]

36 16 MBE ve MOCVD, yüksek kristal kaliteye sahip heteroyapıların oluşturulmasında yaygın olarak kullanılan iki kristal büyütme tekniğidir [47]. Bu tez çalışmasında incelenen numuneler MOCVD tekniği ile büyütüldü. Bu teknik Bölüm 6.2 de detaylı olarak tanıtılacaktır İstenmeden Katkılama ve Kusurlar Dislokasyona bağlı yapısal ve diğer noktasal bozukluklar, materyallerin elektriksel ve optiksel özelliklerini dolayısıyla aygıt kalitesini etkiler [48-50]. Kusurlar büyütme yöntemlerine oldukça bağlıdır [51] ve bunlar literatürde ayrıntılı olarak anlatılmıştır [52-54]. Kusurlar noktasal, çizgisel ve bölgesel kusurlar olarak katagorize edilebilir [54-55]. Önemli noktasal kusurlar boşluklar ve çatlaklardır, çizgisel kusurlar vida dislokasyonları ve bölgesel kusurlar da yığılma kusurlarıdır [54]. Nokta bozuklukların, grup III-N yarıiletken cihazların performansını ve güvenilirliğini azalttığı birçok çalışmada incelenmiştir [48-49]. III-Nitrat materyallerin kusurları üzerine aydınlatıcı çalışmalar bulunmaktadır [53,56,57]. Genel olarak büyütme sırasında kullanılan kimyasal gazlardan meydana gelen kusurlar safsızlıklar olarak adlandırılır. Elektronik özellikleri oldukça etkileyen bu katkılara istenmeyen katkı, bu katkı türüne de istenmeden katkılama denmektedir. Bu katkılama türünde katkılama miktarı belirlenemez. Genel olarak GaN için Ga yerine geçmiş Si ve C, N yerine geçmiş O sığ vericiler olarak kabul edilirler. Buna ek olarak katkılama yapan gazlara göre bunlar Zn, Mg, C, Si, H, O, Be, Mn ve Cd en önemli safsızlıklar olarak düşünülebilir. Bu şekilde Ga yerine geçmiş Zn, Be, Mg, H, O, Mn, ve Cd, N yerine geçmiş C ve Si sığ alıcılar olarak kabul edilirler [58]. Düşük oluşma enerjileri sebebiyle en olası safsızlıklar Si Ga ve O N dir. Kusurları incelemek için tipik karakterizasyon metotları aşağıdaki gibidir: - Alıcı ve verici yoğunluğunun belirlenmesi için sıcaklık bağımlı Hall ölçümleri - X-ışını kırınımı (XRD) - Fotolüminesans (PL)

37 17 - Atomik yüzey mikroskobu (AFM) - Mangneto-rezonas - Derin seviye geçiş spektroskopisi (DLTS) Kusurlar ve istenmeden meydana gelen katkılama, malzemenin elektronik ve optik özelliklerini kötü bir şekilde etkiler. GaN malzemesinde minimum istenmeden yapılan alıcı yoğunluğu bile saf materyallerde dahi cm -3 olarak bulunur. Bu n- tipi materyalde istenmeyen katkılamanın minimum olmasını sağlar. Ga ve N boşlukları kusurları oluşturmaktadır. Katkılanmamış GaN, bu kusurlardan dolayı n- tipi iletkenlik göstermektedir [59] Isıl ve Kimyasal Kararlılık III-nitrürlere dayalı yarıiletken cihazlar yüksek sıcaklık, yüksek kimyasal kararlılık ve yüksek enerji aralıklarına sahip olmaları sebebiyle elektronik ve optoelektronik uygulamalar için oldukça büyük bir potansiyele sahiptir. Nitrürlü bileşimler, Si ve GaAs gibi diğer yarıiletkenler ile karşılaştırıldığında yüksek gerilim yüksek güç uygulamalarına olanak sağlayan geniş bant aralığına ve yüksek erime noktasına sahip olmasını sağlayan yüksek bağ enerjilerine sahiptir. GaAs sadece 6.52 ev/bağ lık bir bağ enerjisine sahipken GaN 8.92 ev/bağ ve AlN ev/bağ lık bağ enerjilerine sahiptir [57]. Bu güçlü bağlar III-nitrürlerin yüksek kimyasal kararlılığa sahip olmalarını sağlamaktadır. Kimyasal kararlılık cihazların kötü şartlarda ve yüksek sıcaklıklarda çalışmasına izin veren bir özellik olmasına rağmen yapıların işlenebilirliğinin zorlaşmasına sebep olmaktadır. Kusurları azaltmada tavlama, büyütme mekanizmaları, metal kontaklar, GaN arasındaki arayüzey tepkimeleri ve Si,Mg gibi farklı elementlerin katkılanması rol oynar. Yüksek kimyasal kararlılıkları nedeniyle c-yüzlü GaN kristalini aşındırabilecek ıslak bir aşındırıcı şimdilik bulunmamaktadır. En güçlü asitler bile sadece yüzeydeki oksit

38 18 tabakasını kaldırabilmektedir. AlN için ise az sayıda aşındırıcı bulunmaktadır. Bu yapıların aşındırılmasında kuru aşındırma yöntemleri kullanılmaktadır. Reaktif iyon aşındırma (RIE) gibi yöntemler, bir plazma içindeki yüksek enerjili iyonları fiziksel olarak malzemeye çarptırıp bağları koparma yöntemi ile çalışır. Diğer bir aşındırma yöntemi de ıslak aşındırma olarak adlandırılan asidik aşındırma tekniğidir [57]. Bu yöntemin dezavantajı, özellikle GaN için yüksek aşındırıcılığa sahip olmasıdır [60]. Bu yüzden aşındırılan yüzeyde bozukluklar oluşabilmektedir. AlInN/GaN çoklu yapılarında bu tür bozukluklar cihaz performansında sorunlara yol açabilir ve cihazın termal-kimyasal karalılığını bozabilir Materyal Parametreleri Hegzagonal yapıdaki GaN, AlN ve InN a ait temel parametreler aşağıda ayrıntılı olarak sunuldu GaN materyali GaN; 1990 lardan beri çoğunlukla ışık yayan diyotlarda (LED) kullanılan ikili III/V direkt bant aralıklı bir yarıiletkendir. Şekil 3.5 te görüldüğü gibi bileşimleri hegzagonal kristal yapısına sahip olan çok sert materyallerdir. Geniş bant aralığına ( 3,4 ev ) sahip olan GaN, optoelektronik, yüksek güç ve frekans cihazlarında oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. GaN ve alttaş arasındaki örgü sabitlerindeki uyumsuzluklarına rağmen SiC ve Si materyaller üzerine ince film olarak büyütülebilirler [61]. GaN materyali Si ve O ile katkılanırsa n-tipi [62], Mg ile katkılanırsa p-tipi olur [63]; bununla birlikte, Si ve Mg atomları yerdeğiştirerek oluşan GaN kristal büyümesi sonucu tensile gerilme oluşur ve yapıyı daha kırılgan hale dönüştürebilir [64]. GaN bileşikleri cm 2 başına 100 milyon kadar çok büyük kusura sahiptir [65]. GaN a ait oda sıcaklığındaki temel parametreler Çizelge 3.3 de verilmiştir.

39 19 Şekil 3.4. AlN, GaN ve InN materyallerine ait kristal yapısı Çizelge 3.3. GaN materyaline ait oda sıcaklığın dakitemel parametreler [31, 36, 78, 66,67] Parametre Kristal yapısı Simetri grubu GaN Hekzagonal P6 3 mc( C ) 4 6ν Koordinasyon geometrisi Tetrahedral Yasak enerji aralığı 3,5 ev cm 3 deki atom sayısı 8,9x10 22 Parametre GaN Debye sıcaklığı 600K Yoğunluğu 6,15 g/cm 3 Elektron mobilitesi 1000 cm 2 /V.s Deşik mobilitesi 200 cm 2 / V.s Kırılma alanı 5x10 6 V/cm Elektron difüzyon katsayısı 25 cm 2 /s Deşik difüzyon katsayısı 5 cm 2 /s

40 20 Çizelge 3.3.(Devam) GaN materyaline ait oda sıcaklığındaki temel parametreler [31,36,78,66,67] Elektron ısıl hızı Deşik ısıl hızı Statik Dielektrik sabiti 8,9 Yüksek frekans dielektrik sabiti 5,35 Elektron etkin kütlesi 0,2m 0 2,6x10 5 m/s 9,4x10 4 m/s Deşik etkin kütlesi 1,25m 0 Ağır deşik etkin kütlesi 1,4m 0 Hafif deşik etkin kütlesi 0,3m 0 Elektron ilgisi Örgü sabiti (a) Örgü sabiti (c) Optik fonon enerjisi 4,1 ev 0,3189 nm 0,519 nm 91,2 mev a için Isıl iletkenlik katsayısı 5,59x10-6 K -1 c için Isıl iletkenlik katsayısı 3,17x10-6 K -1 LA-fonon hızı 6,56x10 3 ms -1 Elektron dalga vektörü 7,3x10 8 m -1 Elektromanyetik çiftlenim katsayısı 0,039 LA-elastik sabiti 2,65x10 11 Nm -2 TA-elastik sabiti 0,44x10 11 Nm -2 Doğal polarizasyon -0,029 C/m 2 e 33 0,73 C/m 2 e 31-0,49 C/m 2 Parametre GaN Bir atomun hacmi 3,48487x10-29 m 3 Elastik sabit C GPa Elastik sabit C GPa Elastik sabit C GPa Elastik sabit C GPa

41 21 Yüksek kristal kaliteli GaN düşük sıcaklıkta oluşturulan tampon tabaka teknolojisi ile elde edilebilir [68]. Bu yüksek kristal kaliteli GaN, p-tipi GaN, p-n eklemli mavi/uv-led leri ve lazer davranışları için olanaksız olarak görülen oda sıcaklığında uyarılma emisyonunun bulunmasına sebep olmuştur [69-70]. Bu olay; nitrat tabanlı transistörlerin gelişmesi için ve yüksek-performanslı mavi-ledlerin, uzun ömürlü mor lazer diotların ticarileştirilmesine olanak verir. İlk GaN-tabanlı şiddetli ışık veren LED ler safir üzerine MOCVD ile büyütülen bir GaN ince filmi kullanılıyordu. GaN ile kullanılan alttaş arasında ki örgü sabiti uyumu hemen hemen %2 olan diğer alttaşlar ZnO ve SiC gibi ikililerdir [71]. Grup III-Nitrat yarıiletkenler görünür bölge kısa dalga boylu ve UV bölgesinde optiksel cihazlar üretmek için yarıiletken ailesinde gelecek vaad etmektedirler. GaN transistörlerin performansını arttıran büyük yasak enerji aralığı sebebiyle Si transistörlerden daha yüksek sıcaklıklara kadar GaN-tabanlı cihazlar çalışabilir. İlk GaN metal/oksit yarıiletken alan-etkili transistörler (GaN MOSFET) 1993 de deneysel olarak elde edilmiştir ve geliştirilmiştir [72]. GaN HEMT ler 2006 dan beri ticari olarak önerilmişlerdir ve onların yüksek voltaj, yüksek güç etkileri sebebiyle çeşitli kablosuz altyapı uygulamalarında kullanılabilirler. Ayrıca yüksek frekanslı telekominikasyon ve uzay uygulamaların da da kullanılmaktadırlar [73]. GaN tabanlı MOSFET transistörler, yüksek güç elektroniklerinde özellikle otomotiv ve elektrikli araba uygulamalarında özellikle çok avantaj sağlarlar. GaN ın nanotüpleri nanoçapta elektroniklerde, optoelektronik ve biyokimyasal-algılama uygulamalarındaki uygulamalar için önerilir [74-75] AlN materyali AlN ilk olarak 1877 de sentezlendi, fakat elektriksel yalıtkan seramik için onun yüksek termal iletkenliği sebebiyle mikroelektroniklerdeki uygulamalarda kullanılabilmesi 1980 lerin ortalarına kadar gerçekleştirilemedi [76-77].

42 22 AlN ağır atmosferde yüksek sıcaklıklarda kararlıdır ve C de erir. Vakumda C de ayrışır. Havada, yüzey oksidasyonu C üstünde gerçekleşir ve hatta oda sıcaklığında dahi 5-10 nm yüzey oksit tabakaları belirlenebilir. Bu oksit tabaka C ye kadar materyalleri korur. AlN C ye kadar H ve CO 2 atmosferlerinde kararlıdır [78]. AlN a ait oda sıcaklığındaki temel parametreler Çizelge 3.4 de verildi [79-83]. AlN uygulamaları arasında; opto-elektronik, optik depolamada dielektrik katmanlar, elektronik alttaşlar, yüksek ısı iletkenlik esaslı çip taşıyıcılar, askeri uygulamalar, GaAs ın kristal büyütmesinde pota olarak, çelik ve yarıiletken imalatında Çizelge 3.4. AlN a ait 300K de ki temel parametreler [76,79,80,82,83,125] Parametre Kristal yapısı Simetri grubu AlN Hekzagonal P6 3 mc( C ) 4 6ν Koordinasyon geometrisi Tetrahedral Yasak enerji aralığı 6,2 ev cm 3 deki atom sayısı 9,58x10 22 Debye sıcaklığı 1150K Yoğunluğu 3,23 gcm -3 Elektron mobilitesi 300 cm 2 /V.s Deşik mobilitesi 14 cm 2 /V.s Kırılma alanı 1,2-1,8x10 6 Elektron difüzyon katsayısı 7 cm 2 /s Deşik difüzyon katsayısı 0,3 cm 2 /s Elektron ısıl hızı 1,85x10 5 m/s Deşik ısıl hızı 4,1x10 4 m/s Statik Dielektrik sabiti 8,5 Yüksek frekans dielektrik sabiti 4,77 Elektron etkin kütlesi 0,4 m 0 Deşik etkin kütlesi 3,53 m 0

43 23 Çizelge3.4. (Devam) AlN a ait 300K de ki temelparametreler [76,79,80,82,83,125] Ağır deşik etkin kütlesi 10,42 m 0 Hafif deşik etkin kütlesi 0,24 m 0 Elektron ilgisi 0,6 ev Örgü sabiti (a) 0,311 nm Örgü sabiti (c) 0,498 nm Optik fonon enerjisi 99,2 mev a için Isıl iletkenlik katsayısı 4,2x10-6 K -1 c için Isıl iletkenlik katsayısı 5,27x10-6 K -1 Doğal polarizasyon -0,081 C/m 2 e 33 1,46 C/m 2 e 31-0,6 C/m 2 Elastik sabit C GPa Elastik sabit C GPa Elastik sabit C GPa Elastik sabit C GPa InN materyali InN güneş hücrelerinde ve yüksek hızdaki elektroniklerde potansiyel olarak kullanılan küçük bant aralıklı yarıiletkenlerdir [86]. InN ın bant aralığı sıcaklığa bağlı olarak 0,7 ev dur [87]. Etkin elektron kütlesi 0,04 ve 0,07 m 0 arasındadır. GaN lı alaşımlar, üçlü InGaN sistemleri kızılötesinden (0,65 ev) morötesine (3,4 ev) değişen direkt bant aralıklı dalga boyuna sahiptirler.

44 24 Çizelge 3.5. InN materyaline ait oda sıcaklığındaki temel parametreler [86-87] Parametre Kristal yapısı Simetri grubu InN Hekzagonal P6 3 mc( C ) 4 6ν Koordinasyon geometrisi Tetrahedral Yasak enerji aralığı 0,7 ev cm 3 deki atom sayısı 6,4x10 22 Debye sıcaklığı 660K Yoğunluğu 6,81 gcm -3 Elektron mobilitesi 3200 cm 2 /V.s Deşik mobilitesi - Kırılma alanı - Elektron difüzyon katsayısı 80 cm 2 /s Deşik difüzyon katsayısı - Elektron ısıl hızı (300K) 3,4x10 5 m/s Deşik ısıl hızı (300K) 9x10 4 m/s Statik Dielektrik sabiti 15 Yüksek frekans dielektrik sabiti 8,4 Elektron etkin kütlesi 0,07-0,26 m 0 Deşik etkin kütlesi 0,65 m 0 Ağır deşik etkin kütlesi 1,63 m 0 Hafif deşik etkin kütlesi 0,27 m 0 Elektron ilgisi 5,8 ev Parametre InN Örgü sabiti (a) 0,354 nm Örgü sabiti (c) 0,57 nm Optik fonon enerjisi 73 mev a için Isıl iletkenlik katsayısı 3,8x10-6 C -1 c için Isıl iletkenlik katsayısı 2,9x10-6 C -1 Doğal polarizasyon -0,032 C/m 2

45 25 Çizelge 3.5.(Devam) InN materyaline ait oda sıcaklığındaki temel parametreler [86-87] e 33 0,81-1,09 C/m 2 e 31-0,45 C/m 2 Elastik sabit C 11 Elastik sabit C 12 Elastik sabit C 13 Elastik sabit C GPa 104 GPa 121 GPa 182 GPa InAlN alaşımı In x Al 1-x N a ait temel parametreler, tezdeki numunelerin içerdiği x = 0,82 durumu için, Çizelge 3.4 ve Çizelge 3.5 deki veriler ve Vegard yasası kullanılarak hesaplanmış Çizelge 3.6 de verilmiştir. Çizelge 3.6. In 0,18 Al 0,82 N e ait 300 K de ki temel parametreler Parametre Kristal yapısı Simetri grubu Al 0,82 In 0,18 N Hekzagonal P6 3 mc( C ) 4 6ν cm 3 deki atom sayısı 6,24x10 22 Debye sıcaklığı 1062K Yoğunluğu 3,87 gcm -3 Kırılma alanı 0,984-1,48x10 6 Parametre Al 0,82 In 0,18 N Elektron difüzyon katsayısı 20,14 cm 2 /s Deşik difüzyon katsayısı 0,25 cm 2 /s Elektron ısıl hızı (300K) 2,13x10 5 m/s Deşik ısıl hızı (300K) 5x10 4 m/s Statik Dielektrik sabiti 9,7 Yüksek frekans dielektrik sabiti 5,4 Elektron etkin kütlesi 0,35 m 0 Deşik etkin kütlesi 3,01 m 0

46 26 Çizelge 3.6. (Devam) In 0,18 Al 0,82 N e ait 300 K de ki temel parametreler Ağır deşik etkin kütlesi 8,9 m 0 Hafif deşik etkin kütlesi 0,25 m 0 Elektron ilgisi 1,54 ev Örgü sabiti (a) 0,319 nm Örgü sabiti (c) 0,51 nm Optik fonon enerjisi 94,5 mev a için Isıl iletkenlik katsayısı 4,13x10-6 C -1 c için Isıl iletkenlik katsayısı 4,84x10-6 C -1 Doğal polarizasyon -0,012 C/m 2 e 33 1,34-1,4 C/m 2 e 31-0,57 C/m Safir (Al 2 O 3 ) Al 2 O 3 e ait temel parametreler Çizelge 3.7 da verilmiştir [90-91]. Çizelge 3.7. Al 2 O 3 e ait temel parametreler Parametreler Al 2 O 3 Kristal yapısı Hekzagonal Rombohedral-Trigonal Koordinasyon geometrisi Oktahedral cm 3 deki atom sayısı 2, Erime sıcaklığı C Yoğunluğu 3,98 g/cm 3 Parametreler Al 2 O 3 Kırılma alanı 4x10 5 V/cm Özdirenç cm a Örgü sabiti 0,476 nm c Örgü sabiti 1,3 nm a için Isıl iletkenlik katsayısı 5, C -1 c için Isıl iletkenlik katsayısı 9,03x10-6 C -1

47 27 4. InAlN/GaN ÇOKLUYAPISI VE ELEKTRONİK ÖZELLİKLERİ 4.1. Transistör Transistör; elektronik sinyalleri kuvvetlendirmek için kullanılan, zıt yöndeki bir iletkenlik bölgesiyle ayrılmış, belirli iki iletkenlik bölgesinden oluşan, yarıiletkenden yapılmış küçük bir elektronik devre elemanıdır. Transistörler elektronik cihazların temel yapı taşıdır. Günlük hayatta kullanılan elektronik cihazlarda birkaç taneden birkaç milyara varan sayıda transistör bulunabilir. Elektron lambaları ilk defa 1906 da Dr. Lee de Forest tarafından uygulama sahasına konulmuştur de Lilien Field ve 1938 de Hilsch ve Pohl tarafından, lambaların yerine geçecek bir katı amplifikatör elemanı bulma konusunda başarısızlıkla sonuçlanan bazı denemeler yapılmıştır. Çalışmaların amacı, lambalarda olduğu gibi katılarda da elektrostatik alan etkisi ile elektron akışını sağlamaktır. Daha sonraları bu çalışmalar transistörlerin temelini teşkil etmiştir yılları katı maddeler elektroniği hakkında daha ziyade teorik çalışmalar devri olmuştur. Bu sahada ismi ençok duyulanlar, L. Brillouin, A. H. Wilson, J. C. Slater, F. Seitz ve W. Schottky dir. Termoiyonik lamba ya da kısaca lamba denen elektron tüpünün yerini alan transistörlerin üstünlükleri: Transistörler çok küçüktür ve çok az enerji isterler, transistörler çok daha uzun çalışma ömrüne sahiptirler, transistörler her an çalışmaya hazır durumdadırlar (lambaların flaman gerilimi sorunu), çalışma voltajları çok daha azdır. Pille bile çalışırlar, lambalar gibi cam değildir hemen kırılmazlar. Transistör, elektronik çağını başlatan en önemli buluştur. Transistör, 1948 de geliştirilen ABD li mühendisler John Bordeen (1908), Walter H. Brattion ( ) ve William B. Shockley ( ) bu buluşları sebebiyle 1956 yılında Nobel Fizik ödülünü paylaşmışlardır.

48 28 Transistör silisyum ve germenyum gibi yarıiletken maddelerden yapılır. Transistör elektronik sanayisinde, örneğin televizyon alıcılarının, hi-fi ses sistemlerinin, işitme aygıtlarının ve daha da önemlisi bilgisayarların yapısında kullanılır. Transistörler ister bir anahtar, ister bir yükselteç, isterse de bir üreteç görevi görsün bütün transistörler elektrik direncine değişmesine dayalı olarak çalışır. Termoiyonik lambaların da bazı üstünlükleri vardır. Örneğin; lambalar vakumlu oldukları için gürültüsü yoktur ve yüksek empedanslılardır. Ancak son zamanlarda transistör ailesi çok geliştiği için lamba standartlarından bile daha iyi transistörler yapılmıştır. Alan Etkili Transistörler (FET) bu kalitede olan bir transistör ailesidir. FET, yüksek geçiş empedansları sebebiyle elektrin sistemlerde en çok kullanılan transistörler olup üretimi de iki kutuplu kavşak transistörlerden (BJT) çok daha kolaydır Alan Etkili Transistörler (FET) FET lerin tarihi 1920 lere kadar uzanır. Fakat, üretimindeki zorluklar nedeniyle ancak 1960 larda ilk FET ler gerçekleştirilebilmiştir. FET yapısı, silikon kristal ile silikon-dioksit arasında çok temiz bir arayüzey olmasına dayandığı için yarıiletken teknolojisi yeteri kadar gelişmeden güvenilir bir yapıda üretilememiştir. Temelde, FET ler iletken, yalıtkan ve yarıiletkenden oluşan bir sığa yapısına sahiptirler. İletken ve yarıiletken arasındaki gerilim değiştirilerek, yalıtkanın hemen altındaki yarıiletken bölgesindeki yük taşıyıcıların işareti ve yoğunluğu değiştirilebilir. Yarıiletken malzemedeki yük taşıyıcılarının işareti ve yoğunluğunun değişmesi ile iletkenlik değiştirilebilir. İki terminal (kaynak ve savak) eklenerek, iletkenlikteki bu modülasyon kullanılarak bu terminaller arasındaki akım, üçüncü bir terminalle (kapı) kontrol edilebilir. Kapı terminali iletkenliğe bağlıyken, kaynak ve savak terminalleri birer jonksiyonla gerçekleştirilebilirler.

49 29 FET ler özellikle sayısal tüm bileşik devrelerin tasarımında tercih edilmektedir. Bunun birkaç nedeni vardır: - Kapı terminali ile transistor ün geri kalanı arasında yalıtkan bir malzeme olduğu için, transistor ün düşük frekanslardaki giriş direnci sonsuzdur. - Kapı terminali ile kaynak terminali arasındaki gerilim eşik gerilimin altına indirilerek, kaynak ve savak arasındaki akım tamamen kesilebilir. Böylece ideal bir anahtarı, bir FET ile gerçekleştirmek olanaklıdır. - Alan etkili transistörleri, bir silikon malzeme üstünde çok yoğun olarak fotolitografik yöntemleri kullanarak üretmek mümkündür. Böylece her bir transistör başına düşen üretim maliyeti çok düşürülebilir. Metal yarıiletken alan etkili transistör (MESFET) aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi kaynak ve savak kontak bölgeleri arasında yarıiletken üstünü büyütülen metal (iletken) geçitten oluşur. Kanal Si ile katkılanarak n-tipi haline getirilmiştir ve kaynaktan savağa taşıyıcı akışı Schottky metal kapıları ile kontrol edilir. Kanalın kontrolü, iletim kanalının kalınlığını değiştiren metal kontak (geçit) altındaki boşalma bölgesinin değişimi ile elde edilir bu akımı da modüle eder. Geçit metali, Ni/Au veya Pt/Au dan Schottky diyodu oluşturacak şekilde büyütülmüştür. M. A. Khan tarafından yapılan ilk alan etkili transistör bir MESFET ti [92]. MESFET lerin avantajı diğer MODFET lerle karşılaştırıldığında kanaldaki taşıyıcıların yüksek mobilitesidir. Yüksek mobilite cihazların yüksek geçiş frekansı ve iletimine ve ayrıca yüksek akıma sebep olur. MESFET yapıların dezavantajı Schottky metal kapısının varlığıdır. Schottky metal kapısı schottky diyotun voltajı kapı üzerinde ileri bias voltajını sınırlar. Böylece eşik gelen voltajdan daha düşük olacak. Sonuç olarak yapıları gereği MESFET ler geçit kontağından yarıiletkene taşıyıcı sızdırma problemine sahiptir ve buda MESFET lerin yapımını zorlaştırır. Bu problem, geçit ile yarıiletken arasına oksit ya da yalıtkan malzeme eklenerek çözülmüştür. Oksitli olan bu tür transistörlere Metal Oksit Yarıiletken Alan Etkili Transistör (MOSFET) ve yalıtkanlı olan türlerine de

50 30 Metal Yalıtkan Yarıiletken Alan Etkili Transistör (MISFET) adı verilir. Şekil 4.1 de bir MISFET görülmektedir. MISFET yapının MESFET yapıya göre farkı geçit tabakasının altındaki yalıtkan tabakadır. Dolayısıyla izdüşümün üzerine metalizasyonla sadece kaynak ve savak kontakları büyütülmüştür. Şekil 4.1. Klasik bir MISFET yapısnın şematiği MESFET, MOSFET ve MISFET yapıları tekli yapılardır ve dolayısı ile transistörün aktif olan kısmı tek bir materyalden oluşur. Modilasyon katkılı FET (MODFET) veya heteroyapılı FET (HFET) olarak bilinen yüksek elektron mobiliteli transistörler (HEMT), genel olarak MOSFET yapılarda olduğu gibi katkı bölgesinin yerine kanal olarak farklı bant aralıklı iki materyal arasında bir eklem içeren bir alan etkili transistördür. HFET yapılar bariyer görevi gören bir katman ile alttaki katman arsında 2DEG oluşumuna sebep olur [93] ve bu oluşan 2DEG deki elektronlar yüksek hareketliliğe sahip oldukları için HEMT yapıları oluştururlar. Son yıllarda Indium (In) eklenerek elde edilen cihazlar çok iyi yüksek frekans performansı göstermektedir. GaN HEMT yapılar yüksek güç performansları sebebiyle son zamanlarda daha dikkat çekici olmuştur. Hareketlilik değerleri GaAs e göre halen düşük olmasına rağmen taşıyıcı yoğunluğu değerleri GaAs a göre hemen hemen on

51 31 kat daha yüksektir. Günümüzde, oda sıcaklığında mobilitesi hemen hemen 1700 cm 2 /Vs ve taşıyıcı yoğunluğu yaklaşık cm -2 olan HEMT yapılar elde edilebilmiştir [94-95]. MODFET heteroyapılardır yani kullanılan yarıiletkenler farklı bant aralıklarına sahiptir. Örneğin Si 1,1 ev bant aralığına sahipken Ge 6,7 ev bant aralığına sahiptir. Bir heteroeklem oluştuğu zaman, materyal boyunca valans bant ve iletim bant sürekli bir seviye oluşturmak için bükülmeli ve bir kuantum kuyusu oluşturmalıdır. Örneğin MODFET yapılar strainli SiGe tabakaların epitaksiyel büyütülmesi ile oluşturulabilir. Strainli tabakalarda, Ge oranı % oranında lineer olarak artar. Ge materyalinin bu oranı, çok hareketli yük taşıyıcılarının yüksek hareketliliği ve yüksek iletim bandı kıyısı ile bir kuvantum kuyusunun oluşmasına izin verir. Sonuç olarak düşük ses ve ultra yüksek ayarlama hızlı FET yapılar oluşur. InGaAs/AlGaAs, AlGaN/InGaN ve başka bileşimler SiGe un yerine kullanılır. InP ve GaN daha iyi ses ve güç oranlarının yüksek olması sebebiyle MODFET lerde ana materyal olan SiGe yapısı ile yerdeğiştirmişlerdir. Başka bir örnek olarak ta GaAs HFET yapılarında materyalin özelliği sebebiyle ancak MODFET biçiminde olabilir. Ancak GaAs MODFET te i-tipi GaAs üstüne bant aralığı yüksek bir materyal büyütülür. Büyütülen tabakanın tamamı aynı tip olmadığından bu yapıya modülasyon katkılı adı verilir. Tabakalar arası bant süreksizliği elektronlar için bir kuvantum kuyusu oluşturur. Katkıdan kaynaklanan elektronlar dış faktörler sebebiyle GaAs tarafına geçerler ama tekrar AlGaAs tarafına geçmelerine yetecek kadar enerjiye sahip olamadıklarından AlGaAs tarafına geçemezler. Bu yüzden arayüzeyde elektronlar birikmeye başlar ve biriken elektronlar bir elektrik alan oluştururlar. Bu şekilde iletim bandı ve valans bandı bükülür ve bir kuvantum kuyusu oluştururlar. Elektronlar bu kuyu içerinde hareketlerine devam ederler. AlGaN/GaN materyalinde HFET oluşturmak için katkılama yapmaya gerek kalmadan materyelin özelliği gereği istenen kuvantum kuyusu kendiliğinden oluşacaktır. AlGaN/GaN materyali polarizasyona sahip olduğundan elektrik alan kendiliğinden oluşur ve dolayısıyla da kuvantum kuyusu

52 32 kendiliğinden oluşur. Dolayısıyla bu materyali MODFET yapmaya gerek kalmadan istediğimiz kuvantum kuyusu elde edilmiş olur. Aynı şekilde InAlN/GaN materyalide çok yüksek doğal polarizasyona sahip olduğu için oluşan elektrik alan sebebiyle elektronlar yine valans bandı ve iletim bandı bükülmesiyle oluşan kuvantum kuyusuna toplanırlar ve 2DEG oluştururlar. Bu kuvantum kuyusunda oluşan 2DEG ın özellikleri cihaz yapımında oldukça önemli bir yer tutar. AlGaN/GaN yapısında olduğu gibi InAlN/GaN yapısını da MODFET yapmaya gerek kalmamıştır Ohmik Kontak Metal-yarıiletken arayüzeylerin veya kontakların oluşumu her elektronik cihaz için iki süreçle belirlenir. Hem ohmik hem de schottky kontaklar; cihaz işlevselliği, performansı ve uzun dayanıklılığı ile ilgili büyük öneme sahiptir. Metal ve yarıiletkenlerden kontak elde edilmesi durumunda, doğrultucu ve ohmik olmak üzere iki tip kontak oluşabilir. Metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonları kontağın doğrultucu veya ohmik olmasını belirler. Eğer Φ m metalin iş fonksiyonu, Φ s de yarıiletkenin iş fonksiyonu olarak verilirse, metal/n-tipi yarıiletken kontaklar için Φ s < Φ m olması halinde doğrultucu kontak ve Φ s > Φ m olması halinde de omik kontak oluşur. Yani iyi bir ohmik kontak elde edilebilmesi için öncelikle çok düşük iş fonksiyonuna sahip bir metal seçilmesi gerekir. Şekil 4.2 de görüldüğü gibi; metal-yarıiletken eklemin iş fonksiyonu qφ m, yarıiletkenin iş fonksiyonu qφ s den daha büyüktür. Bu III-V yarıiletkenleri için bir Schottky kontaktır. Çizelge 4.1 de n-tipi ve p-tipi yarıiletkenler için iş fonksiyonları verilmiştir. Ohmik kontak oluşumu için en yaygın teknik ohmik metal altına yüksek katkılı üst tabaka kullanmaktır. Omik kontak elde edebilmek için n-tipi yarıiletkenin yüzeyine buharlaştırılan metal, yarıiletken ile alaşım haline gelir [96-97]. Böylece yarıiletkenin yüzeyinde bir n + tabakası oluşur. Bu tabaka yarıiletken gövdeye göre elektron bakımından daha zengindir [96].

53 33 Şekil 4.2. Metal/n-tipi yarıiletken kontak için ( φ m > φs ) elektron enerji band diyagramı. (a) Birbirinden ayrılmış nötral materyaller için (b) kontak oluşturulduktan sonra termal denge durum Çizelge 4.1. Metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonlarına göre n-tipi veya p-tipi doğrultucu kontak ve okmik kontak olma şartları Kontak türü n-tipi p-tipi Doğrultucu kontak Φ s < Φ m Φ m < Φ s Ohmik kontak Φ m < Φ s Φ s < Φ m GaN ın ohmik kontağı ile ilgili ilk çalışmalar; Al veya Au metalizasyonunun ohmik kontak için yeterli olduğunu göstermektedir [98]. Ancak kontaklar çok yüksek ( ohm.cm 2 ) kontak direncine sahiptir. Metal kontakların birçoğu düşük kontak direnci, yüksek termal ve elektriksel denge nin oluşumu için önerilmiştir. Hem yönelimlerde hem de düşük dirençte I-V karakteristiklerinin lineerliği yarıiletken cihazların kontakları için geçerli şartlardır. III-V yarıiletkenler için ohmik kontak teknolojisi ilk olarak Rideout (1975) tarafından tanımlandı. III-Nitrat yarıiletken cihazlar için ohmik kontakların oluşumu aşağıdaki şartlara bağlıdır: - Geniş bant aralıklı yarıiletkenler için ( 3,4 ev) arayüzeydeki durumların yoğunluğunun artması

54 34 - Metal birikiminden önce yarıiletken yüzeyin hazırlanması C deki yüksek tavlama sıcaklığından dolayı metal morfolojisinin kontrolü Ohmik kontaklar uygun iş fonksiyonlu bileşiklerle ve metallerle yapılabilmesine rağmen, n-gan yapısının artan yüzey katkısı ohmik kontak özelliklerini geliştirir. Miller ve Holloway Au/Si/Ni metalizasyonunun içine Si metalinin dahil edilmesi kontak performansını geliştirdiğini göstermişlerdir [99]. Buna ek olarak, 1994 yılında Lin ve arkadaşları [100], Al içeren metalizasyonlar yüksek sıcaklıklarda çok iyi ohmik kontaklarla sonuçlanır demişlerdir. Sonuç olarak; yüksek sıcaklıktaki tavlama işlemi ( C) Al/Ti ohmik kontağının özelliklerini 8x10-6 Ωcm -2 kontak direnci elde ederek geliştirirken [101], Au/Pt schottky kontağının performansını azaltmaktadır. GaN yüzeyini tavlamadan önce AlN tabaka ile kaplandığında, N metalinin kaybı önlenir ve ohmik kontak bundan kötü etkilenirken, schottky kontak performansı artar. LED lerde p-tipi veya n-tipi kontak yapımında Au ya da Au/Ni ve Ti/Al gibi metaller kullanıldı [ ]. Lin ve arkadaşlarının çalışmalarından sonra Fan ve arkadaşları, n-tipi GaN için Ti/Al temelli çok katmanlı ohmik kontak yöntemini geliştirdiler [104]. Çok katmanlı oluşturdukları Ti/Al/Ni/Au ohmik kontaklar, tavlandıktan sonra 10-7 Ωcm -2 den daha düşük kontak direncine sahip olmuştur. Bu sebeple; yapılarda ohmik kontak direncini düşük olması beklendiğinden genel olarak literatürde Ti/Al/Ni/Au kontak yapısının kullanıldığı görülmektedir InAlN/GaN Çokluyapısı InAlN ve GaN materyaller farklı bant aralıklarına sahip yarıiletkenlerdir. Bu yarıiletken materyallerden oluşan InAlN/GaN çokluyapısında kuvantum kuyusunun oluşabilmesi için yeterli bant devamsızlığına sahiptir. Bant devamsızlıklarının aynı momentum değerinde olması sebebiyle bu iki yarıiletken arasında kuvantum kuyusu ve dolayısıyla 2DEG oluşumuna imkan tanır [ ]. InAlN/GaN çokluyapısı, hekzagonal GaN üzerine hekzagonal InAlN büyümesiyle oluşur. Bu iki hekzagonal

55 35 materyal temas halinde olduğunda, birbirlerine göre farklı seviyelerde bulunan Fermi enerjileri aynı seviyeye gelir. Bunun için InAlN ve GaN katmanları ve değerlik bantlarının Fermi seviyelerinin aynı seviyeye gelene kadar bükülmeleri gerekir. Bu bükülme esnasında GaN ın iletkenlik bandı, tüm iletimin gerçekleştiği Fermi seviyesinin altına iner. N-tipi yarıiletken bir materyal için Fermi seviyesini kimyasal potansiyel olarak kabul edersek, iletkenlik bandının Fermi seviyesinin altında kalan yeri elektronlar tarafından doldurulacaktır. Elektronlar biriktikçe elektrik alan oluşacak ve bant valans bandı ile iletim bandı bükülmeye başlayacaklardır. Bükülen bant üçgen kuvantum kuyusunun oluşmasına sebep olur ve üçgen kuantum kuyusu bir kaç nanometre büyüklüğündedir. Bu değer elektronların de Broglie dalgaboyundan birkaç yüz nanometre daha küçük olduğundan oluşan kuyunun enerji seviyeleri arasındaki fark büyüktür. Bu sebeple, genellikle sadece birinci enerji seviyesi (ikinci enerji seviyesi de olabilir), Fermi seviyesinin altında kalır ve elektronlar tarafından doldurulur. İki boyutlu iletimin hepsi tek ya da ikinci enerji düzeyindeki elektronlar tarafından gerçekleşir. Şekil 4.3 de AlGaN/GaN ve bir AlInN/AlN/GaN çokluyapısının dengedeki durumu için band diyagramları verilmiştir. Şekil 4.3. a) Bir AlGaN/GaN ve b) bir AlInN/AlN/GaN çokluyapısının dengedeki durumu için band diyagramları. Not olarak her iki çokluyapı arayüzeyine karşı polarizasyonların işareti oldukça önemlidir

56 AlN/GaN AlN/GaN heteroyapıda bariyer olarak kullanılan AlN, bileşik yarıiletken olduğundan alaşım düzensizliği yoktur. Ayrıca AlN aynı zamanda Al x In 1-x N (x=1) olduğundan bariyere nüfuz etme daha iyi önlenir. Alaşım saçılmasının tamamen ortadan kaldırılmasına olanak tanıyan bu iki faktörden dolayı AlN/GaN heteroyapılar HEMT uygulamalar için dikkat çekmiştir. AlN/GaN heteroyapılar hem mobilite hem de taşıyıcı yoğunluğu açısından önemli avantajlara sahiptir. Bu yapıda alaşım saçılmasının olmayışı yüksek mobilite değerlerine, güçlü polarizasyon ise yüksek taşıyıcı yoğunluğuna ulaşılmasını sağlar. Simülasyon sonuçları 10 nm den daha kalın bariyerler için cm -2 lik taşıyıcı doyum değerine ulaşılabildiğini göstermiştir [107]. Şekil 4.4 te AlN/GaN heteroyapıda ölçülen mobilite ve taşıyıcı yoğunluklarının bariyer kalınlığına bağlı değişimi verilmiştir. Kalınlığa bağlı olarak taşıyıcı yoğunluğunun arttığı, mobilitenin azaldığı görülmüştür. Mobilitedeki azalma kısmen 2DEG in ara yüzeye doğru itilmesi ve ara yüzey pürüzlülüğü saçılmasının etkisiyle açıklanmıştır. Gerçekte AlN büyütmeyle ilgili problemler nedeniyle yüksek taşıyıcı yoğunluğuna ulaşmak güçtür. Ayrıca AlN tabakada çok büyük çekme gerinmesi meydana gelir. Bu nedenle kalınlık 5 nm den daha büyük olduğunda AlN filmlerde çatlakların oluşma olasılığı daha yüksektir. Mobilitedeki azalmanın önemli diğer bir nedeni de bu çatlaklardır [107]. Yapılan araştırmalar [ ] AlN bariyerin hem oda sıcaklığında hem de düşük sıcaklıklarda mobiliteyi geliştirdiğini açıkça ortaya koymuştur. AlN/GaN heteroyapılar için yüksek taşıyıcı yoğunluğu ve yüksek mobilite değerleri önemli bir avantajdır. Ancak 5 nm den daha büyük kalınlıklarda çatlak oluşması nedeniyle heteroyapıda ince AlN tabakalar büyütülme zorunluluğu dezavantajdır. Bu durumda yüzey ve kanal arasındaki mesafe çok küçük olduğundan iletim özellikleri yüzeye uygulanacak işleme karşı aşırı duyarlıdır. Ayrıca bariyerin ince oluşu aynı zamanda

57 37 yüksek tünelleme olasılığı nedeniyle yüksek kapı sızıntısına (gate leakage) yol açabilir [107]. Şekil 4.4. AlN/GaN çokluyapıda 2DEG yaoğunluğunun ve mobilitenin AlN bariyer kalınlığına bağlı değişimi [107, 109] GaN/AlN/GaN AlN/GaN heteroyapıdaki AlN bariyerin ince olmasından kaynaklanan güçlük bu heteroyapı üzerine GaN kep büyütülerek aşılmaya çalışılmıştır. Şekil 4.5 te GaN/AlN(3,5nm)/GaN heteroyapıda 2DEG yoğunluğunun kep kalınlığına (0 100 nm) bağlı değişimi verilmiştir. Burada taşıyıcı yoğunluğunun kalınlığa (0 20 nm) bağlı olarak 2, cm -2 den cm -2 e hızlı biçimde düştüğü, daha büyük kalınlıklarda ( nm) düşmenin durduğu ve cm -2 de doyuma ulaştığı görülmektedir [ ]. Küçük kep kalınlıklarında meydana gelen keskin düşüş AlN/GaN heteroyapıyla ilgili problemin ortadan kaldırılmasını engellemiştir.

58 38 Şekil 4.5. AlN/GaN heteroyapıda 2DEG yoğunluğunun GaN kep kalınlığına bağlı değişimi [107] InAlN/AlN/GaN AlGaN/GaN heteroyapılarla ilgili teorik bir çalışmada AlGaN bariyer ve GaN tampon arasına ince AlN ara tabaka yerleştirilerek alaşım saçılmasının tamamen ortadan kaldırılabileceği yeni bir heteroyapı (AlGaN/(AlN)/GaN) önerilmiştir [110]. Bu AlN/GaN heteroyapıdaki fiziksel temele dayanır. Burada da AlN malzemesinin bileşik yarıiletken ve daha etkin bariyer (Şekil 4.6) olma özelliği esas alınır. Çizelge 4.2 de MOCVD ile büyütülen farklı heteroyapıların (AlGaN/GaN ve AlGaN/(AlN- 1nm)/GaN) iletim özelliklerinin incelendiği birkaç çalışmanın sonucu verilmiştir [ ]. Burada AlN ara tabakanın mobiliteyi önemli ölçüde artırdığı, taşıyıcı yoğunluğunu ise kısmen artırdığı görülmektedir. AlGaN/GaN hetroyapılarda düşük sıcaklıklarda alaşım düzensizliği ve ara yüzey pürüzlülüğü saçılmalarının mobiliteyi önemli ölçüde sınırladığı daha önce ifade edilmişti. AlGaN/(AlN)/GaN heteroyapıda AlN ara tabaka sayesinde alaşım saçılması tamamen ortadan kaldırılmaktadır. Ara yüzey pürüzlülüğü saçılması ise ancak eklem bölgesinde düzgün ara yüzeyler oluşturma; yani yüksek kristal kaliteye sahip heteroyapılar büyütmeyle ilişkilidir. AlN ve GaN yarıiletken malzemeler arasındaki örgü uyuşmazlığı (% 2,4) ve AlN büyütmeyle ilgili problemler (düşük

59 39 kritik kalınlık nedeniyle çatlak oluşumu) yüksek kalite heteroyapılar elde etmenin önündeki en temel güçlüklerdir [110]. Şekil 4.6. (a) AlGaN/GaN, (b) AlGaN/(AlN)/GaN heteroyapıların şematik bant yapısı [112] Çizelge 4.2. AlGaN/(AlN)/GaN heteroyapılarda taşıyıcı yoğunluğu ve mobilite değerleri Heteroyapı alttaş Si katkı (cm -3 ) T (K) n s (cm -2 ) µ (cm 2 /V.s) Al 0.3 Ga 0.7 N/GaN SiC x Al 0.3 Ga 0.7 N/(AlN)/GaN SiC ,22x Al 0.3 Ga 0.7 N/(AlN)/GaN SiC 1x ,48x Al 0.45 Ga 0.55 N/GaN Safir ,646x Al 0.45 Ga 0.55 N/GaN Safir Al 0.45 Ga 0.55 N/(AlN)/GaN Safir ,66x Al 0.45 Ga 0.55 N/(AlN)/GaN Safir Al 0.3 Ga 0.7 N/(AlN)/GaN Safir ,1x Al 0.3 Ga 0.7 N/(AlN)/GaN safir ,1x

60 InAlN/AlN/GaN/AlN Çokluyapısı AlGaN/GaN yapısı yerine en yaygın olarak kullanılan AlGaN/AlN/GaN/AlN çokluyapılardır. Bu sebeple aynı yapıya sahip olan InAlN/GaN çokluyapısı yerine günümüzde daha çok InAlN/AlN/GaN/AlN çokluyapıları kullanılmaktadır. InAlN/AlN/GaN/AlN çokluyapıları InAlN/GaN yapılara göre AlN tampon tabaka ve AlN aratabaka kullanımı açısından farklılık içermektedir AlN tampon tabaka kullanımı InAlN/GaN çokluyapılar direkt safir alttaş üzerine büyütüldüğünde, safir ve GaN arasındaki örgü uyumsuzlukları sebebiyle çok kalitesiz olarak elde edilir. Bu ara yüzeyde oluşan kusur ve dislokasyonlar oldukça fazla oluşacağı için heteroyapı oldukça kalitesiz elde edilir. Dolayısıyla deneysel ölçümlerde de oldukça hatalar görülebilir. Bu sebeple 1983 yılında Yoshida ve arkadaşları safir üzerine önce AlN tampon tabaka onun üstüne de GaN tabaka büyütülmesini önermişlerdir [114]. Bu tekniğin başarılı olduğu düşünülerek Amano ve arkadaşları bu yöntemi MOCVD ye uyarlandı ve birçok çalışma yapılarak geliştirilmiştir [ ]. AlN materyalinin örgü parametresi GaN materyeline göre safire daha yakındır; bu yüzden safir alttaş ile GaN materyali arasına tampon tabaka olarak AlN materyalinin koyulması safir ile GaN arasındaki gerilimi azaltmıştır. Bu önemli gelişmeden sonra 1991 yılında Nakamura benzer gelişmeyi GaN tampon tabaka ile gerçekleştirmiştir [119]. Safir alttaş üzerine GaN ve AlN tampon tabakanın büyütülmesi karşılaştırıldığında AlN tampon tabaka büyütülmesi daha başarılıdır. Çünkü; AlN ve safir arasındaki örgü uyumu daha iyidir, bu sebeple AlN tampon tabaka kullanımı oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır AlN aratabaka kullanımı Son zamanlarda, InAlN bariyer tabaka Kuzmik in ilgi çekici önerisinden sonra HEMT performansını geliştirmek için AlGaN HEMT lerin yanı sıra eklenmiştir [120]. InAlN bariyer tabaka kullanmanın avantajı bir örgü veya polarizasyon uyumlu

61 41 heteroyapılar elde etmede alaşımların oranını ayarlayabilmek içindir. In oranı 18 olduğu zaman, InAlN ve GaN örgü uyumludur. Polarizasyon yükü böylece sadece doğal polarizasyonla belirlenebilir, böylece yapıda gerilme oluşumu beklenmez. Bunlar Bölüm 4 te ayrıntılı olarak incelenecektir. InAlN bariyer tabakalı HEMT ler AlGaN bariyer tabakalı HEMT lerden daha yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahip olduğu için bu yapılar tercih edilir [121]. Bu sebeple InAlN tabakalı cihazların iletkenlik performansı daha yüksek olur ve yüksek güç, frekans uygulamalarında oldukça iyidir. Al x Ga 1-xN /GaN HEMT yapılar, önceden belirtildiği gibi yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahipken In x Al 1-x N/GaN HEMT yapısının taşıyıcı yoğunluğu çok daha yüksektir. Fakat elektriksel olarak bir transistör performansının yüksek olması için taşıyıcı yoğunluğu kadar taşıyıcı hareketliliği de önemlidir. Taşıyıcı yoğunluğunun arttırılması Al x Ga 1-xN /GaN HEMT yapılarda olduğu gibi katkılamanın arttırılması ile de olabilir, ancak transistör performansını etkilemesi sınırlıdır [ ]. Heteroyapılarda nasıl iyi bir iletim elde ederiz sorusuna cevap arandığı için bu In x Al 1-x N/GaN HEMT yapılarda da araştırılmıştır. Bu sebeple; çoklu arayüzeyden 2DEG dalga fonksiyonunu uzaklaştırmak ve heteroyapıdaki alaşım saçılmasını azaltmak için GaN ve InAlN bariyer arasına ince bir AlN aratabaka yerleştirilir. Benzer olaylar AlGaN/GaN heteroyapısında gerçekleştiğinde de çok iyi iletim özellikleri ve yüksek HEMT cihaz performansına sebep olmuştur [124]. Bu taşıyıcı yoğunluğunu ve cihaz performansını arttırma da oldukça başarılı bir yöntem olmuştur, diğer bir başarılı yöntem ise InAlN bariyer tabakasının In oranını değiştirerek taşıyıcı yoğunluğunun artmasını sağlamaktır. Fakat In un alaşım oranı değiştikçe, taşıyıcıların hareketliliği bazı saçılma mekanizmaları ile önemli oranda düşer. Saçılma mekanizmaları ayrıntılı olarak Bölüm 4 te verilecektir. Diğer performans arttırma yöntemi GaN ile InAlN bariyer tabakası arasına oldukça ince ~1 nm bir AlN tabaka yerleştirmekle gerçekleşmiştir. Bu yöntem ile alaşım saçılması engellenir ayrıca bu yöntemle hem taşıyıcı yoğunluğu hem de mobiliteyi oldukça arttırabilir. Bu yöntem, GaN-tabanlı yapılarda elektriksel özellikler tabakalar

62 42 arası gerginliğe oldukça bağlı olduğu için bu şekilde GaN-tabanlı yapılarda performansı önemli ölçüde arttırır. HEMT yapılar da en iyi cihaz performansının sağlandığı tabaka kalınlıkları ve alaşım oranı üzerine çalışmalar gerçekleşmiştir. Tabaka kalınlığı ve alaşım oranı gibi parametrelerin değişimleri, kuyu içindeki elektron bulunma olasılığını, taşıyıcı yoğunluğunu ve mobilite gibi parametreleri değiştirdiği için cihaz performansını etkilemektedir. AlN arayüzeyinin daha derin kuyu oluşturduğu Şekilde 4.7 de gösterilmektedir. AlN arayüzey kullanımı sonucu elektron bariyere daha az sızmıştır. Bu sonuç bize bariyerde meydana gelebilecek alaşım saçılmasındaki azalma anlamına gelmektedir Fermi Seviyesi E (ev) AlInN/AlN/GaN AlInN/GaN z (nm) Şekil 4.7. AlInN/GaN ve AlInN/AlN/GaN yapılarında oluşan kuyular içindeki elektronların birinci seviyedeki bulunma olasılıkları. Elektron bulunma olasılıkları yapıların çizgileri ile aynı ama daha koyu olarak gösterilmiştir. Noktalı çizgiler, ilgili bulunma olasılıklarının bulunduğu enerji seviyelerini gösterir. Grafiğin üstü Fermi seviyesine denk gelmektedir

63 InAlN Yapılarda Kutuplanma ve 2DEG Bu bölümde III-Nitrür çokluyapıların kutuplanması, kutuplanma meydana gelme sebepleri, çeşitleri ve kutuplanma sonucu neler olabileceği hakkında bilgiler verilecektir. Bunun sebebi ise, III-Nitrür çokluyapılar, materyallerin sahip olduğu yüksek kutuplanma sebebiyle oldukça önemli elektriksen özelliklere sahiptirler. Tezde, öncelikle kutuplanmanın çoklu yapı bulunan GaN için nasıl gerçekleştiğine bakılacaktır III-Nitrür (GaN) yapılarda kutuplanma Nitrojen grup-v elementlerinden daha çok elektronegatifliğe sahip olduğu için III-V yapılar arasında III-N lar özel yapılardır. Metal-N arasındaki kovalent bağlar diğer III-V yapılar arasındaki kovalent bağlardan daha fazla iyonikliğe sahiptir. Wurtzide III-N yapılar c-ekseni boyunca ters simetriye sahip olmadığından, metal-n bağlarının güçlü iyonikliği [0001] kristal yönelimi boyunca büyük bir kutuplanmayla sonuçlanır [ ]. Güçlü kutuplanma SiC da [0001] yönelimi boyuncadır ve zincblende GaAs ve InP ın [111] doğrultusunda daha küçüktür. Bu kutuplanma etkileri 0 gerilme durumunda III-N ın denge örgülerinde meydana geldiği için, doğal kutuplanma olarak adlandırılır P SP [ ]. GaN, c-yönünde terslenim simetrisine sahip olmadığı için safir üzerine [0001] yönünde büyüyen kristaller Ga-yüzlü ve N-yüzlü olmak üzere iki şekilde büyüyebilir [ ]. Şekil 4.8 (a) ve (b) de Ga-yüzlü ve N-yüzlü GaN kristalleri gösterilmiştir. GaN üzerine AlInN tabakası büyütülürse iki tabaka arasındaki güçlü polarizasyon etkisiyle 2-boyutlu bir yük birikimi olur. Bu olay AlGaAs larda olduğu gibi katkılama yapmaya gerek kalmadan gerçekleşir. Bu özelliği ile AlGaN/GaN ve InAlN/GaN çokluyapıları diğer III-V grubu çokluyapılardan ayrılırlar. Diğer III-V grubu yarıiletkenlerde yük birikimi olması için mutlaka katkılama yapmak gerekmektedir [129]. Bu yüklerin kaynağının tam olmamakla beraber arayüzeyde tuzaklanmış yüzey yüklerinin kristal tarafından soğrulmasıyla olduğu düşünülmektedir [130].

64 44 Şekil 4.8. GaN kristalinde (a) Ga-yüzlü ve (b) N-yüzlü kristal düzenleri [130] Doğal kutuplanma ve piezoelektrik kutuplanma Hegzagonal ve düşük simetrili kristal yapılar iki tür kutuplanmaya sahip olabilirler. Çokluyapıların kendi özelliklerinden kaynaklanan doğal kutuplanma (DP) ve kristalde belirli sebeplerle oluşabilecek gerilmeden kaynaklanan piezoelektrik kutuplanma (PE) sahip olabilirler. III-V grubu yarıiletkenlerden sadece III-N grubu yarıiletkenler arasında gerilme olmadan da kutuplanmaya sahip olabilirler. Bu doğal kutuplanma sayesinde gerçekleşmektedir. Doğal kutuplanmaya sahip olan çokluyapılarda bu sebeple bir elektrik alan meydana gelir. Bu elektrik alan III-N grubu yarıiletken kristallerde c-yönündedir [0001]. Şimdi sırasıyla bu bölümde doğal kutuplanma ve piezoelektrik kutuplanma ifadelerini açıklayacağız. III-N yarıiletkenlerdeki kutuplanma III-V grubu yarıiletkenlerdeki kutuplanmaya göre bir derece daha büyük kutuplanmaya sahiptirler ve işaretleri terstir. Şekil 4.8 de görülebileceği gibi Ga-yüzlü tüm GaN kristallerinde kutuplanma alttaşa doğru ( _ [0001] doğrultusu ) olurken N-yüzlülerde alttaştan zıt yönde ( [0001] doğrultusunda ) yönelmiştir. AlN ın doğal kutuplanması GaN malzemesinin doğal kutuplanma parametresinden hemen hemen 2,5 kat kadar daha fazladır ve AlN ile GaN arasındaki örgü uyumsuzluğu %2 civarında düşük bir değer olduğu için iki kristalin örgü

65 45 uyumsuzluğundan doğan piezoelektrik kutuplanmanın etkisi doğal polarizasyona göre oldukça düşük olmaktadır. Piezoelektrik kutuplanma aşağıdaki gibi tanımlanır: PPE = e ij ε j (4.1) j Burada ε j gerginliği, e ij ise piezoelektrik sabitleri ifade etmektedir. III-nitrürler için eş. (4.1) aşağıdaki şekle indirgenebilir [131]: P PE = e ε + e ( ε + 2 ), (4.2) ε ( c c0) ε 3 =, (4.3) c 0 ( a a = ε = ) 0 ε 1 2. (4.4) a0 Burada ε 3, c-doğrultusunda ki gerilme, ε 1 ve ε 2 düzlemsel gerilme, a 0 ve c 0 ise örgü sabitleridir. Büyütmenin [0001] yönünde olduğu durumlar için ihmal edilebilecek başka bir piezoelektrik sabit ise e 15 dir. Tezde incelediğimiz numunelerde de bu şart sağlanmış olduğundan e 15 i ihmal edebiliriz. InN ve GaN yapılara bakıldığında ise, doğal kutuplanması aynı, fakat örgü uyumsuzluğu yaklaşık %10 olduğu için bu kristallerden elde edilen çokluyapılarda piezoelektrik kutuplanma daha baskındır [131]. Polarizasyon dağılımı ile kutuplanmadan oluşan yük dağılımı arasındaki ifade, ρ P = P (4.5)

66 46 ile gösterilir. AlInN/GaN ya da GaN/AlInN gibi iki katmanlı yapılar için iletkenlik ve polarizasyon ifadeleri birbirlerine aşağıdaki ifadelerle bağlıdır [131]: σ = P( üst) P( alt) (4.6) σ = { P ( üst) + P ( üst) } { P ( alt) P ( alt) } DP PE DP + PE 2DEG nın oluşabilmesi için AlInN ile GaN arasındaki band süreksizliğinin yeterince büyük, ayrıca arayüzey bozukluğunun az ve arayüzeyin olabildiğince düzgün olması gerekmektedir. Polarizasyonun indüklediği iki boyutlu yük yoğunluğu Şekil 4.9 (c) ve (d) deki gibi negatif ise (-σ), arayüzeyde deşikler birikerek iki boyutlu deşik gazı (2DHG) oluşumuna sebep olurlar. Şekil 4.9 da gösterildiği gibi, Ga (Al)-yüzlü yapılarda AlInN/GaN arayüzeyinde gerginlik bulunsun ya da bulunmasın, arayüzeyde 2DEG oluşumu gözlenir. N-yüzlü yapılarda ise arayüzeyde 2DHG oluşumu gözlenir.

67 47 (a) Ga-yüzlü [0001] (c) N-yüzlü +σ P DP AlInN rahat durumda -σ P DP AlInN rahat durumda P DP GaN rahat durumda P DP GaN rahat durumda safir alttaş safir alttaş (b) (d) P DP P PE AlInN gergin durumda +σ -σ P DP P PE AlInN gergin durumda P DP GaN rahat durumda P DP GaN rahat durumda safir alttaş safir alttaş Şekil 4.9. Ga-yüzlü (a,b) ve N-yüzlü (c,d) AlInN/GaN çokluyapılarında doğal ve piezoelektrik polarizasyon yönelimleri. Piezoelektrik polarizasyon sadece AlInN tabakası GaN tabakası üzerine gergin yerleşmişse meydana gelir (b,d) Benzer mantıkla, Ga (Al)-yüzlü GaN/AlGaN yapılarda 2DHG, N-yüzlü GaN/AlGaN yapılarda ise 2DEG oluşumları gözlenebileceği söylenebilir. Örnek olarak AlGaN/GaN çokluyapısının arayüzeyinde polarizasyon sebebiyle oluşan bandın büküldüğü ve minimum verdiği noktada oluşan 2DEG oluşumu Şekil 4.10 da görülmektedir

68 48 Şekil AlGaN/GaN çokluyapısının arayüzeyinde polarizasyon sebebiyle oluşan bandın büküldüğü ve minimum verdiği noktada oluşan 2DEG oluşumu görülmektedir 4.7. Gerginlik ve Etkileri III-N lü yapılarda optiksel ve elektriksel özellikleri etkileyen önemli faktörlerden biri de gerginliktir. Kristal kalitesi tabakalar arası gerginlikle oldukça bağlantılıdır, gerginlik ise büyüyen tabakanın kalınlığına bağlıdır. Kristal tabaka, başka bir kristal tabaka üzerine büyütüldüğünde eğer iki kristalin örgü parametreleri aynı ya da birbirine çok yakın ise herhangi bir gerginlik oluşmaz ama örgü parametreleri birbirinden farklıysa ya gerilirler ya da sıkışırlar. Alt tabakanın üstüne yeterince kuvvet uygulayabilecek kalınlıkta örgü parametresi farklı tabaka büyütüldüğünde, bu arayüzeydeki gerginlik bazı bölgelerde rahatlayarak gerginliğin azalmasına sebep olabilir. Bu gerginlik rahatlaması Şekil 4.11 de görüldüğü gibi dislokasyonların oluşmasına sebep olur ve kusur merkezlerini oluşturur.

69 49 Şekil Gerginlik rahatlamasıyla oluşan dislokasyonlar Gerginlik rahatlamasıyla oluşan dislokasyonlar, büyütülen tabakanın kritik kalınlığa (d k ) gelmesinden sonra oluşur [132]. a d k (4.7) 2ε a a = a 0 ε (4.8) 0 Burada a ve a 0, sırasıyla alt ve üst tabakanın örgü parametreleridir. a 0 a halinde sıkışma gerginliği ve a a 0 halinde de gerilme gerginliği gerçekleşir. Safir üzerine büyütülen GaN tabakalarında gerilme gerginliği görülür. Gerginliğin diğer bir sebebi de alt tabaka ile üzerine büyütülen tabakalar arasındaki ısıl genleşme katsayısı farkıdır ve bu fark büyütme sırasında büyük öneme sahiptir. Safir alttaş üzerine GaN büyüme öncelikle bir kümelenme tabakası, sonra tampon tabakası ve en son olarak ta ana tabaka oluşumu şeklinde gerçekleşmektedir. Safir ile GaN arasında ki %14 lük örgü parametresi uyuşmazlığı kümelenme tabakası ile biraz düzeltilse bile tampon tabakada gerilme gerginliğine sebep olur.

70 50 Tampon tabaka büyümesinden sonra sıcaklık arttırılır, bu da otamatik olarak gerilme gerginliğinde artışa sebep olur. Tampon ve ana tabaka arasında örgü uyumsuzluğu varsa ana tabakanın büyümesi ilave bir gerginliğe yol açacaktır. Daha sonra sıcaklık düşürülerek çekme gerilmeli gerginliği yaratır. Toplam gerginlik büyütme sırasında olan gerginliklere bağlıdır. Toplam gerginlik tampon tabakası kalınlığı ve onun büyütme sıcaklığına bağlıdır. Elektriksel olarak da gerginlik önemli sonuçlar doğurur. Bir AlInN/GaN çokluyapısında 2DEG in oluştuğu arayüzeyde, gerginlik miktarına bağlı olarak da dislokasyonlar bulunur ve gerginliklerin rahatlaması ile dislokasyon sayısı artar. Böyle bir durum Bölüm de daha ayrıntılı ile incelenecek olan dislokasyon ve dislokasyonların sebep olduğu arayüzey bozulması saçılmasına bağlı düşük mobilite ve düşük taşıyıcı yoğunluklarına sebep olacaktır. Daha az hareketliliğe sahip olan daha az taşıyıcı, elektronik uygulamalarda istenmeyen bir sonuçtur Boyutlu Elektron Gazı (2DEG) Metallerde ve yarıiletkenlerde elektronlar veya deşikler üç boyutta hareket edebilir. Ancak hareketin belirli bir yönde sınırlanması durumunda elektronlar, sadece bir düzlem boyunca hareket edebilir; düzleme dik yönde hareket edemez. Bir yarıiletken malzemenin yüzeyindeki potansiyel metal kapı (gate) ile değiştirilerek 2-boyutlu sistem elde edilebilir. Bu şekilde taşıyıcılar üçgene benzer bir potansiyel kuyusunda tuzaklanır ve malzemedeki katkıya, voltaja bağlı olarak üçgen kuantum kuyusunda 2DEG veya 2DHG oluşur. MOSFET, HEMT vb. birçok uygulama 2DEG iletimini esas alır [133]. As ve N temelli heteroyapılar 2DEG in kaynağı bakımından birbirinden farklıdır. Al x Ga 1-x As/GaAs heteroyapıda 2DEG oluşturmak için modülasyon katkılama işlemi yapılır. N-tipi katkılı Al x Ga 1-x As tabaka ile katkısız GaAs tabakadan oluşan heteroyapıda, elektronların yerlerinde kaldığı durum için sistem yüksüzdür. Gerçekte durum bundan farklıdır. Elektronlar termal enerjiye sahip olduğundan hareket eder ve bir kısmı GaAs tarafına geçer. GaAs tarafına geçen elektronlar enerjilerinin bir

71 51 kısmını kaybeder ve bu nedenle E c ile gösterilen bariyeri geri aşamazlar. Birikme sonucu bandın eğilmesine yol açan bir potansiyel ortaya çıkar. Bu bölgede elektronlar üçgene benzer bir potansiyel kuyusunda tuzaklanır ve kesikli enerji seviyelerinde bulunabilirler. Fermi seviyesi elektronların sadece ε 1 ile gösterilen olası enerji durumunun üstünde yer almaktadır. Bu yüzden elektronlar sadece bu enerji seviyesinde bulunmaktadır [134]. Nitrit heteroyapılarda polarizasyon 2DEG oluşumunda önemli rol oynar. Şekil 4.12 de Al x In 1-x N bariyer tabaka ve katkısız GaN tabakadan oluşan Al x In 1-x N/GaN heteroyapı görülmektedir. Daha önce de ifade edildiği gibi GaN polar bir moleküldür ve kendiliğinden polarizasyona sahiptir. Ayrıca GaN üzerine uyarlanmış (pseudomorphic) olarak büyütülen Al x In 1-x N ise hem kendiliğinden hem de piezoelektrik polarizasyona sahiptir [123]. Al x Ga 1-x N ve GaN, Al x In 1-x N ve GaN tabakaları arasındaki polarizasyon farkı, Al x Ga1 -x N ve Al x In 1-x N yüzeyleri üzerindeki negatif yüke uygun olarak ara yüzeyde sabit bir pozitif yük meydana getirir. Pozitif yük ara yüzeyde elektronların birikmesine yani 2DEG oluşumuna yol açar. Öte yandan ara yüzey yükü tarafından oluşturulan güçlü elektrik alan iletim kanalında yüksek taşıyıcı yoğunluğu elde edilmesine ve taşıyıcıların daha iyi sınırlandırılmasına neden olur [ ]. Al x Ga 1-x N/GaN heteroyapıda Al x Ga 1-x N bariyerin katkısız olması durumunda ara yüzeyde cm -2 mertebesinde 2DEG yoğunluğuna ulaşılabilmiştir [30]. Bu değer tipik bir AlxGa1-xAs/GaAs heteroyapıda elde edilen 2DEG yoğunluğunun yaklaşık 4 5 katı civarındadır [ ]. Şekil Al x In 1-x N/GaN heteroyapıda elektronlar, (a) yerlerinde iken sistem yüksüzdür; (b) termal enerjileri nedeniyle hareket ederek GaAs tarafına geçtiğinde üçgene benzeyen potansiyel bir kuyuda tuzaklanır [134]

72 52 Şekil 4.13 de Ga-yüzlü GaN üzerine büyütülen ABN/GaN çokluyapılarının çoklu arayüzeyde oluşan polarizasyon yönelimleri [123]. Pozitif işaret 2DEG taşıyıcılarının varlığını gösterirken negatif polarizasyon yüklerinin 2DHG taşıyıcılarını göstermesi beklenmektedir. Ga yüzlü GaN üzerine büyütülen ABN/GaN çokluyapılarının arayüzeyde oluşan polarizasyon yük yoğunluğunun alaşım oranına göre değişimi Şekil 4.14 te verilmiştir. Tezde çalışılan Al 1-x In x N numunelerinde, x alaşım oranı arttıkça polarizasyon yük yoğunluğu giderek azalmaktadır [123]. Şekil Ga-yüzlü AlxGa1-xN/GaN heteroyapıda Al x Ga 1-x N ve GaN tabakalardaki polarizasyon yönelimleri [ ]

73 Şekil Ga-yüzlü GaN üzerine büyütülen ABN/GaN çokluyapılarının çoklu arayüzeyde oluşan polarizasyon yük yoğunluğunun alaşım oranına göre değişimi verilmektedir [123] 53

74 54 5. YARIİLETKENLERDE İLETİM MEKANİZMALARI 5.1. Taşıyıcı Hareletliliği ve Elektron Saçılması Termal dengede, düzgün yoğunluklu bir n-tipi yarıiletkenin iletkenlik bandındaki elektronlar esas itibariyle serbest parçacıklardır. Kristal örgünün etkisi iletim bandındaki elektronların kütlesininin serbest elektronunkinden farklılaşmasına sebep olur. Örgünün periyodik potansiyeli sadece elektronun kütlesini değiştirir. Bununla birlikte, gerçek kristallerde kusursuz bir periyodiklik mümkün değildir ve periyodik potansiyel iki yolla değişir. Bunlardan ilki kusursuz bir kristalde atomların sıralanışı periyodik olmasına rağmen atomlar sonlu bir sıcaklıkta ısısal titreşimler sebebiyle kendi denge konumlarında titreşim hareketi yaparlar. Atomların titreşim hareketi potansiyelin periyodikliğini etkiler. İkincisi ise tamamen saf bir yarıiletken elde etmek teknik olarak imkansızdır. Bütün yarıiletkenlerde, kristal büyütme esnasında çok dikkat edilse bile her zaman kristal yapı içinde yabancı atomlar bulunabilir. Bu yabancı atomlar periyodik potansiyelin değişmesine yol açarlar. Kristal bozuklukları da periyodikliği etkileyen önemli faktörler arasındadır. Bütün bunların neticesinde, yarıiletkenlerdeki bir elektron hareketini uzun mesafelere kadar devam ettiremez. Elektron bir safsızlık atomuna, bir kristal bozukluğuna, başka bir elektrona yaklaştığında veya ısısal titreşimlerden (fononlardan) etkilenmesiyle durumunu değiştirmek zorunda kalır. Elektronun durumunu değiştirmesine saçılma denir. Saçılma mekanizmaları iki grupta toplanabilir; örgü ve safsızlık saçılma mekanizmaları yabancı atomların ve kristal bozuklukların etkilerini ihtiva eder. Bir yarıiletken cihazın veya materyalin elektriksel özellikleri, performansı, iletimi ve direnci gibi özellikleri materyalin içindeki elektronların yani taşıyıcıların nasıl hareket ettiği incelenerek belirlenebilir. Yarıiletken içinde hareket eden taşıyıcılar materyal ile birçok etkileşime girebilirler [ ]. Yarıiletken bir kristale elektrik alan uygulanırsa bu yarıiletken materyal içinde bulunan taşıyıcılar elektrik alan etkisiyle ivmeli hareket yapacaklardır. Fakat tabiki kristal mükemmel bir kristal özelliğine sahip değildir ve birçok nokta kusuru,

75 55 safsızlık, dislokasyon içermektedir. Bununla birlikte, kristal düşük sıcaklıklarda dahi bir titreşim hareketi yapmaktadır. Dolayısıyla, yarıiletken içindeki elektronlar düşük sıcaklıklarda dahi hareket edebilme kabiliyetine sahiptirler. Bu şekilde hareket eden elektron kristal içindeki safsızlık, dislokasyon ve kusurlara çarparak yönelimi değiştirirler. Bu duruma saçılma denir. Hareketlilik, çeşitli saçılma mekanizmalarıyla farklı değerler alan ve ortalama serbest zamana doğrudan bağlı bir niceliktir. İki önemli saçılma mekanizması vardır. Sıfır K nin üstünde herhangi bir sıcaklıkta örgü titreşimlerinden ortaya çıkan örgü saçılma mekanizmasıdır. Bu titreşimler örgünün periyodik potansiyelini bozar ve taşıyıcılarla örgü arasında enerji transferini sağlar. Örgü titreşimleri artan sıcaklıkla artacağından yüksek sıcaklıkta örgü saçılma mekanizması baskın olacaktır ve bu yüzden de mobilite sıcaklığın artışı ile düşecektir. Diğer önemli saçılma mekanizmaları ise; fonon etkileşimlerinden doğan saçılmalar ve dislokasyon temelli saçılmalardır. Hareket eden taşıyıcıların örgü titreşimleri ile etkileşime girmesinde fonon etkileşimleri meydana gelir. Diğer önemli bir saçılma mekanizması ise yüksek katkı değerlerinde perdelenen, daha düsük katkılarda ya da kendiliğinden katkılanmış durumlarda belirginleşen yüklü dislokasyon saçılmalarıdır. Safsızlık saçılmaları esnek ya da esneğe yakındır ve enerji korunur ama fonon saçılmaları esnek değildir. Fonon saçılması ikiye ayrılır. Bunlar; akustik ve optik fonon saçılmalarıdır. Uzun dalga boyları ile ilgili olan fonon saçılması akustik, kısa dalgaboyları ile ilgili olan da optik fonon saçılması olarak adlandırılırlar. Si ve Ge gibi kovalent yarıiletkenlerde akustik ve polar olmayan optik fonon saçılmaları ile safsızlık saçılmasının taşıyıcıların hareketlerine ve dolayısı ile hareketlilik değerine etkileri vardır. GaAs ve GaN gibi polar yarıiletkenlerde ise örgü titreşimi ile ilgili saçılmalarda en baskın olanı boyuna polar optik fonon saçılmasıdır. Bu yarıiletkenlerin iyonik yapıdaki atomik bağları, komşu atomun uzaklaşması durumunda bir elektriksel kutuplanma ortaya çıkarır. Ortaya çıkan polarizasyon bir elektrik alanın oluşmasını sağlar. Oluşan alan, hareket eden yüklü parçacıkla etkileşerek polar optik fonon saçılmasını oluşturur ve yüksek sıcaklıklarda taşıyıcıların hareketini en çok etkileyen saçılma mekanizmasıdır. Buna ilaveten,

76 56 bileşik yarıiletkenlerde ve özellikle III-nitrür bileşiklerindeki merkez simetri eksikliği bu bileşiklerin piezoelektriksel özelliklerinin olmasını ve bu da ilave bir fonon saçılması sağlar. AlGaN, AlInN ve InGaN gibi alaşımlarda ilave bir saçılma mekanizması daha bulunur. Alaşımın etkisi, grup III atomlarının rastgele olarak yerleşmelerinin yarattığı bant kıyısındaki yerel bir uyarılma olarak kabul edilebilir ve parçacığın hareketini etkileyecektir. Dolayısıyla, alaşım miktarı saçılma ile doğrudan ilişkilidir. Bir yarıiletkenin iletkenliği sadece serbest taşıyıcıların sayısı ile değil, o taşıyıcıların kristal içindeki hareket serbestliğiyle de ilgilidir. Bu serbestliğe Bölüm 5.2 de verilen taşıyıcı hareketliliği adı verilir. Taşıyıcı elektron ise malzeme n-tipidir ve iletim iletim bandında incelenir, taşıyıcı deşik ise malzeme p-tipidir ve iletim, değerlik bandında incelenir. Taşıyıcı hareketliliği, bulunduğu yarıiletkenin iç elektrik alanın, katkı yoğunluğunun, materyal kalitesinin ve örgü sıcaklığının bir fonksiyonudur. Bazı durumlarda yüksek safsızlık yoğunluğundan kaynaklanan iletim, iletim bandı ile değerlik bandı arasında yer alan bir safsızlık bandında gerçekleşir. Safsızlık bandı iletimi gibi sıcaklığa çok bağlı birçok mekanizmanın taşıyıcı hareketliliğine etkisi olduğunu düşünürsek, taşıyıcı hareketliliğinin sıcaklığa çok bağlı olduğu sonucunu çıkarabiliriz. Mobilitenin ve taşıyıcı yoğunluğunun sıcaklığa bağlı ölçümü ile numune içindeki safsızlıkların bağlanma enerjileri hesaplanabilir. Bir enerji durumunda birden fazla elektron bulunuyorsa ise toplam hareketlilik, etkin saçılma mekanizmalarının sınırladığı taşıyıcı hareketlerinin toplamıdır. Bu toplam Matthiessen kuralı olarak bilinir [ ]. Bu kural birçok uygulama da başarılı olarak kullanılmaktadır [ ]. 1 1 = µ Top µ i i (5.1) 2DEG li bir yapıda elektron hareketi büyütme yönü olan z-yönünde sınırlandırılmış olup elektron sadece iki boyutta hareket edebilmektedir. AlInN/GaN çokluyapısını

77 57 düşünecek olursak büyütme yönünde (z-ekseninde) oluşan iki arayüzeyde band süreksizliği oluşur. Band süreksizliğinde elektronlar düşük enerjili tarafı tercih ederler. Bu bölgeye gelen elektronların hareketi tek boyutta sınırlandığı için tek boyutlu bir kuyuda elektronu tanımlayan bir kuantum kuyusu gibi düşünülebilir. GaAs yapıların aksine GaN yapılarda hiçbir katkıya gerek kalmadan yarıiletkenin polarizasyon özelliğinden dolayı tek boyuttaki bir arayüzeyde kuantum kuyusu oluşmaktadır. Arayüzeyde yani düşük enerjili bölgeye doğru elektronlar toplanarak kuyuda 2DEG oluşturdukları görülmüştür ve dolayısıyla kuyu içindeki elektronlar iyonize safsızlıktan daha az bir şekilde etkileneceklerdir. Deneysel sonuçlarla beraber bu saçılma mekanizmaları kullanılırsa daha iyi performaslı, dirençli çokluyapıların ve cihazların elde edilmesi sağlanır. III-V çokluyapılarda 2D taşıyıcılara etki eden saçılma mekanizmaları birçok araştırma grubunu çalıştığı bir konu olmuştur [144]. Tezde kullanılan numunelerin 2D iletim özellikleri ve 2D taşıyıcılara etki eden saçılma mekanizmaları ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Aşağıda saçılma mekanizmaları ile ilgili teorik bilgiler daha detaylı olarak ele alınmıştır Saçılma Mekanizmaları İki boyutlu sistemlerde saçılma; 2DEG li bir sistemde elektronun hareketi bir boyutta (büyütme yönelimi olan z-ekseninde) kısıtlanarak, 2-boyutta hareket etmesi sağlanır. Şekil 4.12 de de görüldüğü gibi; büyütme yönü z-ekseninde oluşturulan iki arayüzeyde ve iletkenlik bandında süreksizlik yaratılır. Bu enerji süreksizliğinde düşük enerjili taraf, elektronların minimum enerjiye sahip olmaya eğilimli davranışları sebebiyle elektronlar tarafından tercih edilirler. Bu bölgeye inen elektronların hareketi bir yönde kısıtlandığı için hareketi tek boyutlu bir kuyudaki elektronu tanımlayan kuvantum sistemi olarak incelenebilir. GaN sistemlerde polarizasyonun etkileriyle hiçbir katkı uygulanmaksızın tek bir arayüzeyde kuyu oluşturulabilir. Arayüzeye toplanan elektronlar burada bandı bükerek bir kuyu olusmasını sağlarlar. GaN sistemlerindeki bu kuyulara baktığımızda yükün arayüzeye toplandığını ve dolayısıyla kristal içindeki iyonize safsızlıklardan

78 58 uzaklaşmış olduğunu görürüz. Bu sebeple, elektronlar iyonize safsızlıklardan daha az etkileneceklerdir. İyonize safsızlık saçılmaları bu yapılarda çok daha az etkin olduğundan 3-boyutta kristal içinde hareket eden bir elektronun aksine düşük sıcaklıklarda dahi elektronun hareketliliği artacaktır. Dolayısıyla böyle bir sistemde sadece örgü saçılmalarının etkin olduğu düşünülebilir. Yüksek sıcaklıklarda polar optik fonon saçılımı en etkin saçılmadır. Fakat sıcaklık düştükce 3-boyutlu sistemlerde olmayan ya da farklı biçimde etkin olan saçılma mekanizmalarıda devreye girer. Sonuç olarak 2DEG in saçılma mekanizmalarına tepkisi farklıdır ve ayrıca incelenmesi gerekir. Bu saçılma mekanizmalarının deneysel sonuçlarla beraber kullanımı, başarısı daha yüksek çokluyapıların üretilmesinde önemli bilgiler sağlamaktadır Örgü Saçılma Mekanizmaları Akustik fonon saçılması Örgü saçılma mekanizmalarından olan akustik fonon saçılması K sıcaklık aralığında önemli saçılma mekanizmaları arasındadır. Bu tez çalışmasında akustik fonon saçılması modeli kullanılmıştır [145]. Akustik fononlar iki yolla kristal potansiyelinin periyodikliğini etkilerler. Bunlar deformasyon potansiyel saçılması ve piezoelektrik saçılmasıdır. Bunlardan ilkinde, akustik titreşimler örgü uzayında deformasyonlar meydana getirirler ve bu deformasyonlar da ilgili noktada enerji aralığının değişmesine sebep olur. Kristalin deforme olmasıyla oluşan potansiyele deformasyon potansiyeli ve deformasyon potansiyeli nedeniyle taşıyıcıların saçılmasına da deformasyon potansiyeli saçılması denir. Bu saçılma mekanizması için mobilite Ridley tarafından [145]; ρeu1η 1 µ dp = 2 (5.2) 2 * 3Ξ k Tm b J ( k) B DP

79 59 şeklinde verilir. Bu ifade de e elektron yükü, k B Boltzman sabiti, T sıcaklık, m * etkin kütle, ρ kristal yoğunluğu, u 1 boyuna akustik fonon hızı, Ξ deformasyon potansiyeli ve k elektron dalga vektörüdür. Eşitlikteki b, dalga fonksiyonlarının Hartree yaklaşımlı üçgen kuyu çözümlemelerinde [145] kullanılan Fang-Howard ifadesi olarak bilinir [146] * e m n 1/ 3 b = ( s ) (5.3) 2 8ε 0ε sη Burada n s ölçülen iki boyutlu taşıyıcı yoğunluğudur. İntegral J DP (k) ise, J DP ( k) = 2k 0 3 2πk ( q + q ) s 1 2 q 1 ( ) 2k 2 q 4 dq (5.4) ile verilir. Burada q s iki boyutlu ters perdeleme uzunluğudur ve q s 2 * = e m F11( q) f (0) 2 2πη ε ε (5.5) 0 s ile verilir. Eş. 5.5 de f(0), altband köşesi olarak adlandırılır ve genelde tüm perdelemenin en düşük altbanttaki elektronlar tarafından yapıldığı kabul edilebilir [145]. Aynı eşitlikte ki F 11 (q), temel durum için Fang-Howard dalga fonksiyonunun form faktörü olarak adlandırılır [147]. Eğer yarıiletken kristali oluşturan atomlar kısmen iyonlaşmış iseler akustik titreşimler ikinci bir deforme potansiyel üretirler. Piezoelektrik etki olarak adlandırılılan bu etki simetri merkezi noksanlığı gösteren yarıiletkenlerde ortaya çıkar. Hem enine hem boyuna akustik fononlar bu mekanizma ile elektronları saçarlar fakat boyuna saçılma baskın saçılmadır. Bu saçılma ile ortaya çıkan mobilite;

80 60 3 πε 0ε sη k 1 µ pe = 2 (5.6) 2 * ek k Tm J ( k) B pe şeklinde verilir [145]. Burada K, elektromekaniksel çiftlenim katsayısıdır ve K ε LA ε TA = (5.7) ε c ε c s LA s TA şeklinde verilir [148]. Eş. 5.7 de, ε,ε,c, c sırasıyla boyuna ve enine etkin LA TA piezoelektrik katsayıları, boyuna ve enine ortalama elastik sabitleridir. J pe (k) integrali; LA TA J PE 2k F11( q) 3 ( k) = q dq (5.8) q 4k ( q + qs ) 1 ( ) 2k şeklinde verilir [145]. Eş. 5.2 ve Eş. 5.6 da verilen deformasyon potansiyeli ve piezoelektrik saçılmalara ait mobilite ifadeleri Mattheissen kuralı ile toplanarak akustik fononlara ait toplam saçılma ifadesi bulunur. 1 µ 1 = µ + 1 ak DP µ PE (5.9) Polar optik fonon saçılma mekanizması Polar Optik Fonon Saçılma Mekanizması, birçok yarıiletkende 300 K civarında baskın olan bir saçılma mekanizmasıdır. Bu mekanizma iyonik yüklerle optik titreşimler arası etkileşimden oluşan dipol momentlerden kaynaklanır. Bu mekanizma için mobilite ifadesi;

81 61 4 / 2 πε 0ε pη ηωpo kbt µ PO = 2 [ e 1] (5.10) * eω m Z Po şeklinde verilir [145]. Burada; = ε ε P ε s (5.11) dir. Bu denklemlerde ηω PO polar optik fonon enerjisi, Z 0 2DEG in bulunduğu kuvantum kuyusu genişliği, k B Boltzman sabiti, m * elektronun etkin kütlesi ε ve ε s ise sırasıyla yüksek ve düşük frekans dielektrik sabitleridir. Bu saçılma mekanizması yarıiletken materyallerde oda sıcaklığından sıvı azot sıcaklığına kadar sıcaklık aralığında önemli saçılma mekanizmasıdır Safsızlık saçılmaları Bütün yarıiletkenlerde normal olarak safsızlıklar (yabancı atomlar) bulunacağı gibi, istenilen yoğunlukta serbest taşıyıcılar elde edebilmek içinde yarıiletkenler, belli safsızlıklarla katkılanır. Bağıl olarak saf malzemelerde safsızlık atomları çok düşük sıcaklıklarda (sıvı He civarında) nötrdürler. Sıcaklığın artmasıyla (sıvı azot sıcaklığına kadar) safsızlık atomları iyonlaşırlar ve yüklü safsızlık saçılması önem kazanır. Bununla birlikte yüksek seviyede katkılı materyaller için bu saçılma mekanizması oda sıcaklığında da etkilidir. Yüklü safsızlık saçılmasının genel tanımlaması; safsızlık atomlarının potansiyellerinin etkisini de içeren Coulomb potansiyeli olara göz önüne alınır. İki-boyutlu taşıyıcılar için safsızlık saçılmaları iki farklı mekanizma ile incelenir. İlki, uzak vericilerden kaynaklanan safsızlık saçılması ve arayüzeydeki yüklerden kaynaklanan iyonize safsızlık saçılması. GaAs gibi polarizasyon etkisi görülmeyen materyallerde tek bir aryüzeyde kuyu oluştırabilmek için bariyer katmanına değişen oranlarda katkılama yapılır. Bu katkı sayesinde bant bükülür ve kuyu oluşur. Fakat bu kuyu içindeki iki-boyutlu taşıyıcılar bu katkılama sebebiyle saçılırlar. Uzak vericilerden kaynaklanan bu saçılma, katkısız GaAs kuyularda ve kendiliğinden

82 62 katkılı GaN yapılarda görülmez. Bu tezde uzak vericilerden gelen saçılma kullanılmamış olup, arka plan safsızlık saçılması kullanılmıştır. Arka plan safsızlık saçılmasına ait mobilite ifadesi ise; µ as 8π ε k I ( β ) F B = (5.12) 2 3 * e m N AS ile gösterilir [149]. Eş 5.12 de ε, GaN ın dielektrik geçirgenliği, N AS ise 2-boyutta arka plan safsızlık yoğunluğudur ve 3-boyutlu arka plan safsızlık yoğunluğunun ikiboyuta çevrilmesi için kuyu genişliği ile çarpılır. N AS Z 0N d = (5.13) Burada N d ; 3-boyutlu arka plan safsızlık yoğunluğudur. Etkin kuyu genişliği, polar optik fonon mobilitesi olan Eş 5.10 un ölçülen sıcaklığa bağlı mobilite verilerinin yüksek sıcaklık bölgesine eşleşmesiyle bulunabileceği gibi, Fermi dalga boyu da kuyu genişliği olarak alınabilir. Z 2π 2π λ (5.14) n 0 F = = kf s I B (β) integral ifadesi; π 2 sin θ I B ( β ) = dθ (5.15) 2 (sinθ + β ) 0 ile verilir ve β; S0 β = (5.16) 2 k F

83 63 ile ifade edilir [149]. Burada k F; Fermi yüzeyindeki dalga vektörü ve S 0 perdeleme sabitidir. Perdeleme sabiti, dejenere durumlar için Lee ve arkadaşları tarafından aşağıdaki gibi sadeleştirilmiştir [150]. 2 * e m S 0 = (5.17) 2 2πεη k = 2π (5.18) F n s Fermi yüzeyindeki dalga vektörü ise 2-boyutlu taşıyıcı yoğunluğuna bağlıdır [146]. Eş den de görüldüğü gibi dejenere elektron durumları için arka plan safsızlık saçılmasına ait mobilite ifadesi sıcaklığa bağlı değildir, sadece iki-boyutlu taşıyıcı yoğunluğuna bağlı olduğu görülmektedir. İki-boyutlu taşıyıcı yoğunluğu da sıcaklığa bağımlı olmadığından arka plan safsızlık saçılması sıcaklığa bağlı değildir Alaşım saçılması Üçlü bileşikler ikili bileşiklere nazaran ilave bir saçılma mekanizması daha ihtiva ederler. Bu mekanizma da A x B 1-x C formundaki üçlü bir alaşım için x e bağlı olarak A ve B atomlarının C atomları arasındaki rastgele sıralanışından kaynaklanır. Rastgele sıralanış kristal içinde iletim bandında bir düzensizliğe sebebiyet verir. Bu düzensizlikten dolayı ortaya çıkan saçılmaya alaşım saçılması denilmektedir. Kearley ve Horrell [85], perdeleme etkisini ihmal ederek bu saçılma mekanizmasının hareketlilik ifadesini aşağıdaki gibi hesaplamışlardır; 3 16 eη µ al = 2 (5.19) * 3b x(1 x) m Ω U 0 2 AL Burada; x, alaşım oranını, U AL alaşım potansiyelini ve Ω 0 ise bir atom başına düşen hacmi ifade etmektedir.

84 Arayüzey bozukluğu saçılması Çeşitli büyütme yöntemleriyle oldukça düzgün yapılar büyütülmesine rağmen örgü uyuşmazlığı ve farklı tutunma katsayılarına sahip materyallerin birbiri üzerine büyütülmesi üzerine arayüzey bozukluğu meydana gelmektedir. Bu bozukluk, yapılarda elektronların tam bir enerji değerine sahip olmasını engeller [144,151]. AlGaN/GaN HEMT lerde 2DEG de yük iletimi iki yarıiletkenin ara yüzeyi boyunca meydana gelir. Ara yüzeyin pürüzlü olması periyodik örgünün bozulması demektir. Bu nedenle kanaldaki elektronlar ara yüzey pürüzlülüğü tarafından saçılır. Ara yüzey pürüzlülüğü saçılması düşük sıcaklıklarda mobiliteyi sınırlamada baskın bir saçılma mekanizmasıdır. Kısaca, AlGaN/GaN heteroyapılarda oda sıcaklığında ve ara sıcaklıklarda fonon saçılmalarının, düşük sıcaklıklarda ise ara yüzey pürüzlülüğü, alaşım düzensizliği ve dislokasyon saçılmalarının mobiliteyi önemli ölçüde sınırladığı anlaşılmıştır [ ]. İyonize safsızlık saçılmasının ise sadece düşük 2DEG yoğunluğuna (10 12 cm -2 ) sahip heteroyapılarda mobiliteyi sınırlamada etkin olduğu belirlenmiştir [107]. Arayüzey bozukluğu tamamen gelişigüzel oluşabilecek durum olmasına rağmen uzayda gelişigüzel dağılmış potansiyel değişiminin Gauss dağılımına uyması beklenerek, mobiliteye ait ifade Zanato ve arkadaşları tarafından aşağıdaki gibi verilmiştir [144], 3 µ 2ε 0ε s η 1 ab 2 3 * n = (5.20) s Λ e m J ab ( k) Bu ifadede;, bozukluğun yanal boyutu ve Λ ise korelasyon uzaklığı olarak adlandırılır. J ab (k) integrali,

85 65 J ab ( k) = 2k 0 e 3 2k ( q + q ) q Λ / 4 s q 2k 2 q 4 dq (5.21) şeklinde verilir. Burada q s, perdeleme sabitidir [154], ve q s 2 * = e m F( q) 2 πη ε ε (5.22) 2 0 s şeklinde verilir. Hirakawa tarafından form faktörü F(q), F( q) 2 ' ' 2 q z z = dz dz e (5.23) 0 0 ' [ f ( z) ] [ f ( z )] şeklinde verilir [155]. Alaşım ve arayüzey bozukluğu saçılmalarında da sasızlık saçılmasında olduğu gibi sıcaklığa bağımlılık oldukça azdır, fakat taşıyıcı yoğunluğuna olan bağımlılık yüksektir. Aynı zamanda akustik fonon saçılması da taşıyıcı yoğunluğuna oldukça bağımlıdır. Tüm taşıyıcı yoğunluğuna bağımlılıklar eldeki verilere göre hesaplanmış ve Şekil 5.1 de grafiğe dökülmüştür [156]. Grafiğe göre alaşım, arayüzey bozukluğu ve akustik fonon saçılmaları artan taşıyıcı yoğunluğu ile mobilitelerinde azalma görülürken, arka plan safsızlık saçılmasında durum bunun tam tersidir. Düşük taşıyıcı yoğunluğunda taşıyıcılar safsızlıklarla daha çok etkileşeceğinden beklenen bir sonuçtur.

86 Şekil K ve 20 K deki sıcaklıklarda mobilitenin (alaşım, arayüzey, akustik fonon ve arkaplan saçılmasının) taşıyıcı yoğunluğuna bağımlılığı [156] 66

87 67 6. DENEYSEL TEKNİKLER 6.1. Giriş Bu tez çalışmasında, MOCVD kristal büyütme yöntemi ile safir alttaş üzerine büyütülmüş AlInN/AlN/GaN/AlN çokluyapı yarıiletken numuneleri için Hall etkisi ve yüksek çözünürlüklü X-ışınları difraksiyonu (HRXRD) ölçümleri yapıldı. Bu bölümde yapılan ölçümler ve ölçüm cihazları hakkında kısa bir bilgi verilmiştir Metal Organik Kimyasal Buhar Birikimi (MOCVD) Büyütme Yöntemi Bir yarıiletken cihazın teknolojik uygulamalarda kullanılabilmesi için, ilk olarak cihazda kullanılacak materyalin yüksek kalitede büyütülmesi gerekmektedir. MOCVD bir buhar faz epitaxy sistemidir. Buradaki reaksiyon süreci CVD den biraz farklıdır. CVD ile daha ziyade homoepitaksiyel tabaka büyütülmesi mümkün iken MOCVD heteroepitaxy wafer büyütülmesi için geliştirilmiştir. MOCVD yöntemi ile yüksek kaliteli yarıiletken materyal büyütebilmek için ise farklı katkı oranlarında (x) ve materyalin farklı katmanlarına sahip kristal yapılar büyütülerek gerçekleştirilebilir. Materyallerin sentezinde kullanılan MOCVD tekniği ilk olarak 1960 yıllarında InP ve InSb biriktirmek için kullanılmıştır [157] lardan beri MOCVD, MOVPE gibi yöntemler kristal büyütmek için kullanılır. Şu anda bu yöntem özellikle yarıiletken ve optoelektronik uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır [158]. Daha önceleri ise MBE, VPE ve LPE yöntemleri kullanılıyordu. MOCVD ile büyütülen materyaller galyum, indiyum, aluminyum, nitrojen, fosfor ve arsenik in bazı kombinasyonlarını içerir ve AsH 3 gibi kaynakların bazılarının çok zehirli olması bakımından ve yüksek sıcaklıklarda büyütme yapması bakımından bu yöntem sınırlandırılır. MOCVD yönteminin avantajları ve dezavantajları mevcuttur. Bu yöntemin avantajları ise; yüksek büyütme oranı, yüksek kaliteli film, büyük alan büyütme ve orta maliyette büyütme yeteneğidir. MOCVD yöntemi grup III-N ları büyütmede daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

88 68 III-nitrat materyaller ve bu tez çalışması için hazırlanan aygıt yapıları MOCVD metodu ile sentezlenmiştir. Bu çalışmada kullanılan AIXTRON RF200/4 MOCVD sistemi Resim 6.1 de görülmektedir. Şekil.6.1 de de görüldüğü gibi; MOCVD sistemi dört ana kısımdan oluşmaktadır. Bunlar; gaz kontrol sistemi, reaksiyon çemberi, ısıtma/sıcaklık kontrol sistemi ve vakum sistemi dir. Resim 6.1. Bilkent Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma Merkezinde bulunan AIXTRON RF200/4 RF-S GaN/AlGaN MOCVD sistemi Şekil 6.1.Şematik olarak MOCVD sistemi

89 Hall Etkisi Elektronik İletim Ölçme Sistemi MOCVD yöntemi ile safir alttaş üzerine büyütülmüş AlInN/AlN/GaN/AlN çokluyapı yarıiletken numunelerinin sıcaklığa bağlı olarak taşıyıcı iletim özellikleri Hall Etkisi İletim Ölçme sistemi ile gerçekleştirildi. Bunu gerçekleştirmek için 5x5 mm 2 olarak kesilmiş numunelerin dört köşesine metalizasyon ve tavlama ile Ohmic kontaklar hazırlandı ve Van der Pauw yöntemi kullanılarak Hall etkisi ve manyetik iletim ölçümleri yapıldı. Sıcaklık ve manyetik alana bağımlı ölçümler bilgisayar kontrollü Lake Shore 7700 serisi yüksek empedans Hall etkisi ölçüm sistemi kullanılarak yapıldı. Sistem sıcaklığı, kapalı devre helyum soğutması ile sağlandı. Lake Shore un Hall Etkisi Ölçüm Sistemi (HMS), yüksek voltaj olanağı, yüksek manyetik alan ve geniş sıcaklık aralığında çalışabilmesiyle günümüzün en yetkin elektronik iletim ölçüm sistemi olmaktadır. Ölçümler; 10µΩ-200GΩ aralığında, 1,5 Tesla manyetik alana kadar K sıcaklık aralığında yapılabilmektedir. Yazılımı vasıtasıyla, ölçümler Microsoft Windows ortamında çoklu basamaklı olarak yapılabilmekte, her ölçümün tam bir analizi, bağlantısız veri izleme, kontak oluşumu ve deplasyon katmanı düzeltmeleri yapılabilmektedir. HMS cihazı; Hall katsayısı, özdirenç, direnç, manyetodirenç, I/V eğrileri, taşıyıcı konsantrasyonu ve mobilite ölçümlerini phemts, SiGe, SiC, InAs, InGaAs, InP, AlGaAs, HgCdTe ve ferritlerde dahil olmak üzere çoğu bileşik yarıiletken materyallerde yapabilmektedir. Ayrıca metaller, transparan oksitler, doygun manyetik yarıiletkenler ve tünelleme manyeto özdirenç (TMR) malzemeleri gibi düşük özdirençli materyaller ve yarı-yalıtkan GaAs ve GaN, CdTe ve fotodedektörler gibi yüksek özdirençli materyalleri başarılı bir şekilde ölçebilmektedir. Nicel Mobilite Spektrum Analizi (QMSA) yazılım tekniği, değişken manyetik alan Hall verisini bireysel taşıyıcı mobilite ve yoğunluklarını ayırt etme amaçlı analiz amacıyla kullanılır. QMSA yazılımının güvenilirliliği ve hassaslığı, rutin bir karakterizasyon tekniği haline dönüşmesini sağlamıştır. Deney sistemi Resim 6.2 de görülmektedir.

90 70 Resim 6.2. Lakeshore 7700 serisi Yüksek Empedans Hall Etkisi ölçüm sistemi (1) He tüpü,(2) Kapalı devre He soğutma ünitesi, (3) Mekanik pompa Destekli turbo moleküler vakum pompası, (4) Kryostat, (5)Elektromıknatıs, (6) Elektromıknatıs güç kaynağı, (7) Bilgisayar, (8) Sıcaklık kontrol ünitesi,ölçüm cihazları anahtarlama dolabı, (9) Su soğutma sistemi 6.4. Numune Hazırlama AlInN yarıiletken numunelerinin Van der Pauw tekniği ile Hall etkisi ölçümlerinin yapılabilmesi için öncelikli olarak numunelerin kontak yerleri belirlenmelidir. Numuneler üzerindeki kontak yerleri fotolitografi tekniği ile belirlendi ve bu kontak bölgelerine Ti/Al/Ni/Au tavlanarak difüze edilmiştir. Bu kontak bölgelerinin ohmik özellik göstermesi ölçülen verinin tamamının numuneden kaynaklanan veriler olduğunu ve kontaklardan bir katkı gelmediğini göstermektedir. p-tipi bir yarıiletkene ohmik kontak yapabilmemiz için numune üzerine numunenin iş fonksiyonundan büyük bir metal kullanılırken, n-tipi yarıiletken için bu durumun tam tersi durum gerçekleştirilir [159]. Yarıiletkenin tipine ve özelliklerine göre bazen kontak materyali birden fazla olabilir. Bu kontak metalleri numune köşelerine eritilerek ve de buharlaştırılarak kontaklar yapılabilir. Bunların sebebi ise kontak

91 71 metallerinin direnci ve kalitesi ölçümler için oldukça önem taşımaktadır. Genel olarak kullanılan yarıiletken ve metallere bağlı olarak kontak direncinin Ω cm 2 aralığında olması beklenmektedir [160]. Bizim numunelerimiz de n-tipi olduğu için iş fonksiyonu numunenin iş fonksiyonundan küçük olan Ti/Al/Ni/Au metalleri kullanılmıştır. Ohmik kontak özelliklerini numune yüzeyindeki kir, toz ve oksit tabakası gibi dış etkenler değiştirdiği için tavlayarak metalleri difüze etmeden önce numune yüzeyi temizlenmelidir. Bunun için numuneler sırayla 5 er dakika isopropanol ve aseton ile ultrasonik temizleyici içinde temizlendi. Numunelerimiz mekanik kirlerden temizlendikten sonra numuneler yüksek vakum ısıl buharlaştırıcıya kondu. Buharlaştırılacak olan metaller toz ya da ince şeritler halinde tungsten haznelere konuldu. Sistem kapatıldı ve vakum altına alındı. Vakum yaklaşık olarak 4-6 mbar değerinde vakuma ulaşıldığında yaklaşık sırasıyla 20 nm Ti, 200 nm Al, 30 nm Ni ve 70 nm Au kaplandı. Kaplama işlemi kaplanacak malzemenin bulunduğu hazneden çok yüksek akım geçirilip, yüksek sıcaklığa çıkması ve bu sayede haznenin içindeki malzemenin buharlaşıp numune üzerine çökmesi yöntemi ile yapılmaktadır. Bu sebeple, her kaplanan malzemenin kendine ait bir buharlaşma sıcaklığı ve oranı olduğundan her malzemede farklı akımlar uygulandı. Kaplanan malzeme miktarı, numuneye yakın bir kuartz kristalinden yapılmış kalınlık ölçer kullanılarak tayin edildi. Numunelerin köşelerine üçgen biçimli kontaklar kaplandıktan sonra numuneler hızlı ısıl tavlama cihazına koyulur ve sırasıyla C (30sn), C (15sn), C (60sn) ve 25 0 C (120sn) sıcaklıklara getirilir ve bekletilir. Bunun sebebi ise; kontak metallerini hem kendi içlerine hem de numunenin içine homojenize olmalarını sağlayarak Ohmik kontaklar elde etmektir. Hızlı ısıl tavlama işleminden sonra numunelerde bu işlemleri yaparken oluşan kirlilikleri ortadan kaldırmak için numunelerin yüzeyinde yine sırasıyla propanol ve aseton içinde temizleme işlemi yapılır. Daha sonra numunelerin köşelerindeki Ti/Al/Ni/Au kontaklar üzerine yine iş fonksiyonu birçok numune ile uyan indiyum

92 72 kullanılarak teller tutturuldu ve bu şekilde numune Resim 6.3 de görülen cam tavlama fırının içine yerleştirildi. Ayrıca cam tavlama fırınında ortamın temizliğini sağlamak için fırın içine azot gönderilerek fırın önce C ye getirildi (2dk) daha sonra da C ye getirilip 2dk kadar bekletildi ve indiyumların top top olduğu gözlendikten sonra fırın kapatıldı ve numune soğumaya bırakıldı. Bu şekilde oluşan bir örnek kontak Resim 6.4 de görülmektedir. Bu şekilde elde ettiğimiz kontakların ohmik ve sıcaklık değişimlerine dayanıklı oldukları görülmüştür. Kontaklar tamamen sağlam ise kontaklara zarar vermeden numune numune tutucuya yerleştirildi ve lehimlerle sabitlendi. Numune tutucuya koyulan numune kryostat içine yerleştirilip He atmosferinde sıcaklığa ve manyetik alana bağlı Hall etkisi ölçümleri gerçekleştirildi. Ölçümler tamamlandıktan sonra numunenin sıcaklığının oda sıcaklığına gelmesi beklenir ve de oda sıcaklığına gelen numune kryostat içinden çıkarıldı. Numune lehimlenen numune tutucudan çıkarıldı. Her bir numune için aynı işlemler tekrarlandı. Kontak yapma aşaması Hall etkisi ölçümleri deneylerinde oldukça önemli bir aşama olarak görülmektedir. Numune yüzeyinin temizlenmesi, kontak metallerinin doğru seçimi, Van der pauw tekniği sebebiyle kontakların küçük yapılması aşaması, çalışma ortamı ve aletlerin temiz olması gibi etkenler kontakların direncini ve deneysel sonuçları oldukça etkilemektedir. Resim 6.3. Cam Tavlama Fırını

93 73 Resim 6.4. İndiyum eritilerek tellerle kontak alınmış numunenin son hali 6.5. Akım- Voltaj Ölçümleri Numune yüzeyinden ölçüm sistemine bağlantılar kontaklar üzerinden yapıldığı için yarıiletken numunelerin kontaklarının ohmik olması gerekmektedir. Bu şekilde numunelerin istediğimiz galvanometrik ölçme işlemini gerçekleştirebiliriz. Numune üzerinde potansiyel düşmesi ile kontaklar üzerinde oluşacak potansiyel düşmesi karşılaştırıldığında ohmik kontaklar üzerinde potansiyel düşmesi ihmal edilecek kadar küçük olmalıdır. Bu gerçekleştiği takdirde devrenin I/V karakteristiği değişmez. Çalışılan numunelerin ohmik davranış gösterdiklerini doğrulamak amacıyla numune üzerindeki her bir kontak çifti için akım-gerilim ölçümleri yapıldı. I-V verilerinin tamamen lineer çıktığı gözlenirse bu kontakların Ohmik oldukları, ölçülen her verinin numuneden geldiği ve kontaklardan hiçbir etki gelmediği doğrulanır[160]. Resim 6.5 te ohmik davranış gösteren bir numunenin I-V ölçümü görülmektedir. Resim 6.5. Ohmik davranış gösteren bir numunenin I-V karakteristiği