TARIFNAME GENIS BANT ARALIGINDA ÇALISAN BIR YARIILETKE N Teknik Alan Bulus; görünür bölge ve yakin kizilötesinin yani sira orta dalga kizilötesi ve uzak dalga boylarina kadar genis bir bant araliginda çalisan ve siyah Silisyumun (silikonun) kalkojen grubu elementleri (S(sültî'ir), Se(selenyum) ve Te(tellür)) ile katkilanmis halini içeren bir yariiletken fotodiyot (fotodedektör) ve elde etme yöntemi ile ilgilidir. Önceki Teknik Silisyumun kullanisli optik ve elektriksel Özellikleri olan bir varyasyonu da siyah silisyum (b-Si) adi verilen malzemedir. Bu malzeme, yüzeyine gelen isigin tamamina yakinini bünyesinde hapsetmekte, bu nedenle de gelen isiktan maksimum fayda saglamaktadir. Dolayisiyla günes enerjisi ve fotodedektör sistemlerinde kullanisli oldugu söylenebilir. Günümüzde fotodedektör alaninda, agirlikli olarak kuantum kuyulu kizilötesi fotodedektörlerde (QWIP), HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride - MCT) ve Tip-H süper örgü detektörler yaygin olarak kullanilmaktadir. Ancak, bu dedektörlerin üretim asamasindaki yüksek maliyetleri göz önüne alindiginda daha uygun maliyetlerde dedektör alternatifi arayislari kaçinilmaz olmaktadir. Bu tip dedektörlere alternatif olarak düsük maliyetli ham madde ve üretim maliyetlerinden dolayi kalkojen katkili silisyum fotodedektörler üzerine çalismalar baslamistir. Ilerleyen zamanlarda yapilan çalismalarda asiri yüksek sülfür katkili silisyum tabanli malzemelerin yüzeyini yerel olarak hizli eritilerek mikro yapilandirilmis dedektörler elde edilmistir. Ayrica silisyum tabanli günes hücrelerinin maliyetlerinin düserek veriminin yükselmesi, enerji sektöründe de silisyumun kullanilirligini hizla arttirmistir. Basta silisyumu normalin üzerinde katkilayarak yüzeyini pürüzlestirme fikri, günes gözelerinin performansini arttirmak için ortaya atilmistir. Böylece ara enerji seviyelerinin çoklugu sayesinde görünür bölgeye ek olarak yakin kizilötesi isinlarinin da sogurulacagi ve günes isinlarindan daha verimli faydalanilabileeegi düsünülmüstür. Yapilan asiri katkilamalarla beraber kizilötesi bantta fototepki elde edilmesiyle Siyah silisyum malzemenin kizilötesi görüntüleme üzerine kullanilmasi fikri ortaya çikmistir. 2000`li yillara gelindiginde siyah silisyumun yüksek optoelektronik özelliklerinin kesfedilmesiyle beraber, es zamanli olarak nanosaniye ve femtosaniye atimli lazer ile asiri katkili silisyum numunelerinin yüzeyinde yerel asiri hizli eritme islemi uygulanmis ve yüzeyde igne benzeri mikro yapilar yaratarak yüzey optik sogurmasinin görünür ve yakin kizilötesi bölgede %90'in üzerine artmasi saglanmistir. Ayrica yüzeydeki bu mikro yapilarin yükseklige bagli olarak SOgurmayi etkiledigi ortaya koyulmustur. Daha sonra, iki elektron veren donor iyonlar ile katkilamak amaciyla kalkojen iyonlarini kullanarak yüzeyde sülfür, selenyum ve tellür katmanli mikroyapi (mikrokristal) olusturulmasi basarilmistir. Ayrica, bu malzemenin yüksek sogurma ve tepkisellik gibi dikkat çekici optoelektronik özelliklere sahip oldugu da gösterilmistir. Üretilen numunelerden yakin kizilötesi dalga boylarinda yüksek absorptans ve verimlilik elde edilmistir. Elde edilen bu sonuçlar dogrultusunda yakin kizilötesi bölgede algilama yapabilen bir fotodedektör gelistirilmistir. Devaminda ise siyah silisyum fotodedektörler ticari olarak satisa sunulmustur. Son zamanlarda, silisyum cihazlarin (kizilötesi yariiletken fotodiyotlar, isik yayan diyotlar ve ince film günes pilleri) üretim teknolojileri düsük maliyet ve yüksek performansa bagli olarak gelistirilmektedir. Yapilan bazi çalismalarda, iyon implatasyon, difüzyon vb. yöntemler kullanilarak silisyum malzemeler kalkojen elementler ile katkilanmis ve elde edilen bu mikro yapili silisyum malzemeler femtosaniye lazer ile islenerek optoelektronik özellikleri ineelenmistir. Konu ile ilgili önceki çalismalar incelendiginde, silisyum tabanli kizilötesi fotodedektör malzemelerinin üretiminde kullanilan femto veya piko saniye-lazer parametrelerinin ve numune kalinliginin açikça ortaya konulamamis oldugu görülmüstür. Mevcutta 2500 nm dalgaboyu üzerinde optiksel (absorptansl ve 1250 nm dalgaboyu üzerinde elektro-optiksel herhangi bir çalisma olmamasi önemli bir eksiklik olarak göze çarpmaktadir. Bu degerin üstündeki absorbtans spektrumunun davranisinin ortaya konulmasina ve daha uzun dalga boylarinda bu fotodedektörlerin çalisip çalismayacaginin tespitine ayrica fotodedektörlerdeki katki konsantrasyonlarinin yüksek konsantrasyonlarda verecegi tepkinin tespit edilmesine ve ek olarak yaklasik 1250 nm dalga boyu üzerinde fotodedektörlerin elektro-optik ölçümlerine ulasilmaya ihtiyaç duyulmaktadir. Teknigin bilinen durumunda yer alan CN105655419 sayili Çin patent dokümaninda, genis dalga boyu araliginda çalisan kalkojen elementleri ile katkilanmis siyah silisyum malzemeden bahsedilmektedir. patent dokümaninda, siyah silisyum bazli metal yari iletken fotodedektörlerin üretim yönteminden bahsedilmektedir. Bulusun Kisa Açiklamasi Bu bulusun amaci, görünür bölge ve yakin kizilötesinin yani sira orta dalga kizilötesi ve uzak dalga boylarina kadar genis bant araliginda çalisan kalkojen katkili siyah silisyum (Si) bazli bir yariiletken fotodiyot (fotodedektör) ve elde etme yöntemi gerçeklestirmektir. Bu bulusun bir baska amaci, siyah silisyum numunelerine kalkojen katkilanmis yariiletken fOtOdIyot (fotodedektör) ve elde etme yöntemi gerçeklestirmektir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bu bulusun amacina ulasmak için gerçeklestirilen "Genis Bant Araliginda Çalisan Bir Yariiletken Fotodiyot ve Elde Etme Yöntemi" ekli sekillerde gösterilmis olup; bu sekillerden: Sekil 1. Bulus konusu yariiletken fotodiyotun yandan bir görünüsüdür. Sekil 2. Bulus konusu yariiletken fotodiyot elde etme yöntemine iliskin akis diyagramidir. Sekillerde yer alan parçalar tek tek numaralandirilmis olup, bu numaralarin karsiliklari asagida verilmistir. Yariiletken fotodiyot Birinci elektrik alt kontakt Silikon Ikinci elektrik alt kontakt Kalkojen katkili hiper-dolgun silikon bölgesi Üst elektrik kontakt Bulus konusu genis bant araliginda çalisan yariiletken fotodiyot (1); -lazer ile pürüzlestirilerek isik absorbansi saglayabilen mikro yapidaki isik -alüminyum (AI), gümüs (Ag) gibi metal malzemeler ile kaplanan birinci elektrik alt kontakt (3), -kristal silisyumdan (c-Si) olusan silikon (4), -alüminyum (AI), gümüs (Ag) gibi metal malzemeler ile kaplanan ikinci elektrik alt kontakt (Sl, -kalkojen elementler ile Implant yapilmis silikon (4] bölgesine atim lazer ile katkilama sonucunda elde edilen kalkojen katkili hiper-dolgun silikon bölgesi (6] -alüminyum (All-gümüs (Ag) ile iki katmanli, titan (Til-altin (Au) ile iki katmanli, TI-Platin(Pt)-Au-Ag ile üç katmanli veya TI-kursun(Pbl-Ag ile üç katmanli alasimlar kullanilarak genel olarak 10nm - 1000nm kalinlik araliginda kaplanan üst elektrik kontakt (7) kisimlarini içermektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda birinci elektrik alt kontakt (3), ohmik kontakt olusturan bir metalden mamuldür. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda ikinci elektrik alt kontakt (5), ohmik kontakt olusturan bir metalden mamuldür. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda üst elektrik kontakt (7), ohmik kontakt olusturan bir metalden mamuldür. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda genis bant araliginda çalisan yariiletken fotodiyot (1) görünür bölge ve yakin kizilötesine ek olarak orta ve uzun kizilötesi dalga boylarina kadar genis bant araliginda çalisabilmektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda genis bant (elektromagnetik spektrumun°unl araliginda çalisan yariiletken fotodiyota (1) gelen düsük enerjili fotonlarinda tutulmasini ve yüksek tepki gösterilmesini saglamaktadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda genis bant araliginda çalisan yariiletken fotodiyot(1l sayesinde; ordu, kolluk kuvvetleri, savunma sanayi (geCe görüntüsü), çesitli saglik, endüstriyel alanlari (elektrik alani, isi yalitim Vb.), informasyon teknolojisi ve enerji sektöründe (fotovoltaik) tercih edilen yariiletken fotodiyotlarin daha genis dalga boyunda çalisma sansi bulunmaktadir. Bulus konusu yariiletken fotodiyot (1) elde etme yöntemi (100); -Silikon (4) örneklerinin hazirlanmasi (101), -siIikonun (4) tek yüzeyine kalkojen elementlerinin implant yapilmasi (102), -Implant yapilan silikon (4) yüzeyinin atim lazer ile eritilerek katkilanmasi (lazer destekli doping) (103), -silikonun (4) implantsiz (diger yüzey) bölgesinin atim lazer ile eritilmesi (darbeli/darbesiz) (104), -Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve elektro-optiksel sinyal ölçülmesi için mesa (piksellestirme) yapi olusturulmasi (mikrofabrikasyon) (105), -Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve Optoelektrik sinyal alinmasi için yüzeylerin metal ile kaplanmasi (106) ve -metal ve Silikon (4) arasinda ohmik kontakt olusturmak ve olusan yapisal stres ve kusurlari iyilestirmek için termal tavlama yapilmasi (107) adimlarini içermektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda Silikon (4) örnekleri hazirlanirken (101), 1-10 (lem özdirenç degerine sahip yari iletken "p-tipi/n-tipi Si(100). Si(111) veya Si(110)" kristaller kullanilmaktadir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda Silikonun (4) tek yüzeyine kalkojen elementlerinin implant yapilmasi (102) islemi için kalkojen elementleri olan 5, Se ve Te elementleri Silikonun herhangi bir yüzeyine pasif olarak implantlanir (implant parametreleri Tablo 1" de gösterilmektedir). Burada silikon (4) yüzeyi, kalkojen elementleriyle lazer destekli katkilama teknigi kullanilarak katkilanmaktadir. Katkilama _ _ Elementler __ _ Katkilanma Dozlari Numune (Silikoni Enerjisi Si 100),Si 111), Tek kristalli malzeme üretme: Czochralski yöntemi yöntemi (FZ) FZ Bulusun tercih edilen uygulamasinda Implant yapilan silikon (4) yüzeyinin atim lazer ile eritilerek katkilanmasi (lazer destekli doping) (103) isleminde silikonun (4] kalkojen elementleri ile implant yapilmis olan yüzeyine atim lazer ile az sayida lazer atisi yapilmaktadir (ilgili lazer atim parametreleri Tablo 2"de gösterilmektedir). Kalkojen katkili silikon (4) malzemesinde kalkojen elementlerinin bulundugu tabakanin lazer ile eritilmesi sirasinda lazer gücü, lazer isinim atim sayisi, atim frekansi, atim süresi, tarama hizi ve dalga boyu gibi parametrelerin uygun degerlerinde islem yapilmasi gerekmektedir. Tablo 2` de yer alan optimum degerlerde çalisilmamasi kalkojen elementlerinin bulundugu tabakanin asiri eritilip yok olmasina (ablasyon) ya da yeterince eritilememesi sonucu Silikon (4) atomlari ile kalkojen elementlerinin yeterince bag kuramamasina sebep olmaktadir. Böylece silikonun (4) implant yapilmis yüzey tarafinin (nanometre derinliginde bulunan kalkojen elementlerin) asiri katkilanmasi gerçeklestirilmektedir. Az sayida lazer atisi yapilmasinin nedeni, implant yapilmis kalkojen elementlerinin konsantrasyonunun buharlasma ile azaltilmasini engellemek ve asiri doplamayi gerçeklestirmektir. Böylece, silikon (4] daha genis ara enerji bandi olusturup daha uzun dalga boylarinda tepkiselligini artirmaktir. Ayrica, mikrofabrikasyon (piksellestirme) yapiminda avantaj göstennektedir. Tablo 2. Implant yapilan silikon yüzeyi için lazer atim parametreleri Lazer modu, Lazer Lazer Tekrarlama i_ _ Tarama Atis/Tarama Numune EnerJisi Frekansi Hizi Sayisi Brust (darbelil Si(100l,Si(111), mod, Si(110l, continuous 1-5 Tek kristalli malzeme (sürekli) mod üretme: Czochralski ve Float Zone yöntemi (FZl Bulusun tercih edilen uygulamasinda silikonun (4) implantsiz (diger yüzey) bölgesinin atim lazer ile eritilmesi (darbeli/darbesiz) (104) islemi için öncelikle silikon (4) kristalleri bir tablaya yerlestirilmektedir. Üzerinde Silikon (4) kristalleri bulunan bu tabla bir vakum odasina alinmakta ve ortam vakumlanmaktadir. Ya da islem gaz (örnegin: hava, asal gaz veya asal olmayan gazlar vb.] atmosferleri altinda veya saf su Ortaminda da gerçeklestirilebilmektedir. Islem için uygun ortam olusturulduktan sonra silikonun (4] implant yapilmamis (kalkojen elementleri içermeyen) yüzeyi atim lazer sayesinde eritilerek/ablasyon yapilarak yüzey pürüzlendirilmekte (tekstürel, isigin SOgurulmasini saglayan mikro/nano yapilar (absorber tabakasi) elde edilmekte ve SIIIkOnun (4) yüzey yansimasi azaltilarak genis bant dalga boyunda isik absorbansi saglanmaktadir/artirilmaktadm Implant konsantrasyonunu azaltmamak için bu yüzeyde islem gerçeklestirilmektedir (ilgili lazer atim parametreleri Tablo 3" te gösterilmektedirl. Böylece, silikonun (4) Optik, elektro-Optik ve enerii bant yapi özelliklerini gelistirmek/degistirmek için katkilanmis ve katkilanmamis yüzeyleri birbirinden bagimsiz olarak islem yapilabilmektedir. Tablo 3. Implant yapilmayan silikon yüzeyi için lazer atim parametreleri modu, Lazer Tekrarlama EnerJisi Numune Hizi Sayisi Frekansi (darbeliil . _ . Tek kristalli (darbesisl . Czochralski yöntemi (CZ) ve F loat Zone yöntemi Bulusun tercih edilen uygulamasinda Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve elektro-Optiksel sinyal ölçülmesi için mesa (piksellestirmel yapi olusturulmasi (mikrofabrikasyon) (105) islemi; klasik/standart mesa asindirma (piksellestirme) teknigi ya da fotolitografi mesa asindirma teknigi kullanilarak fotodedektörler için mesa yapi olusturulmaktadir (Sekil 1). Mesa yapi olusturmakta bir diger teknik, lazer asindirma metodunun kullanilmasidir. Optimum parametreler ile kalkojen katkilanmis silikon (4) yüzeyinde, lazer ile istenilen noktalar istenilen derinliklerde asmdirilarak mesa yapisi olusturulmaktadir. Asindirma sirasinda yüzeyde silikon oksit olusmakta ancak HF (hidrojenfiorür) uygulanarak oksitlenmis tabaka yüzeyden kaldirilarak mesa elde edilmektedir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve optoelektrik sinyal alinmasi için yüzeylerin metal ile kaplanmasi (106] isleminde, klasik! standart metal kaplama (metalizasyon) teknikleri kullanilmaktadir. Böylece, birinci elektrik alt kontakt (3), ikinci elektrik alt kontak (5) ve üst elektrik kontak (7l elde edilmektedir. Metal kaplama islemleri de yapildiktan sonra elde edilen metal katmanlarini gösteren yariiletkeri fotodiyot yapisi Sekil 1" de gösterilmistir. Bulusun bir baska uygulamasinda Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve Optoelektrik sinyal alinmasi için yüzeylerin metal ile kaplanmasi (106] isleminde, silikonun (4) implant edilmemis tarafi metal ince film kapli cam yüzey üzerine oturtulmakta ve asindirilmis silikon (4) yüzeyinin belli noktalari atimli lazerin vakumlu ortamda yaptigi atislar ile buharlasip metal ile kaplanmaktadir. Böylece, birinci elektrik alt kontakt (3), ikinci elektrik alt kontakt (Sl ve üst elektrik kontakt (7] elde edilmektedir. (Metal kaplama islemleri de yapildiktan sonra elde edilen metal katmanlarini gösteren yariiletken totodiyot yapisi Sekil 11 de gösterilmistir.] Bulusun tercih edilen uygulamasinda metal ve Silikon (4) arasinda ohmik kontakt OIUSturmak ve olusan yapisal stres ve kusurlari iyilestirmek için termal tavlama yapilmasi (107) islemi SSOK 7 9OOK sicaklik degerleri arasinda ve Sdk 7 60dk zaman araliginda gerçeklestirilmektedir. Bu temel kavramlar etrafinda, bulus konusu genis bant araliginda çalisan yariiletken fotodiyot (1) ve elde etme yöntemi (100) için çok çesitli uygulamalarin gelistirilmesi mümkün olup, bulus burada açiklanan örnekIErle sinirlandirilamaz, esas olarak istemlerde belirtildigi gibidir. Silikon (4) örneklerinin hazirlanmasi Silikonuri (4) tek yüzeyine kalkojen elementlerinin implant yapilmasi \ Implant yapilan silikon (4) yüzeyinin atim lazer ile eritilerek katkilanmasi (lazer destekli dopingi Silikonun (4) implantsiz (diger yüzey) bölgesinin atim lazer ile eritilmesi (darbelI/darbesiz] Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve elektro-optiksel sinyal ölçülmesi için mesa (piksellestimie) yapi olusturulmasi (mikrofabrikasyon) Silikon (4) yüzeyinden elektriksel ve optoelektrik sinyal alinmasi için yüzeylerin metal ile kaplanmasi Metal ve Silikon (4) arasinda ohmik kontakt olusturmak ve olusan yapisal stres ve kusurlari iyilestirmek için termal tavlama yapilmasi TR TR TR TR TR TR TR