Yarıiletken Teknolojisinde Kuantum Elektroniği – Nanoteknoloji

Elektrik - Elektronik Mühendisliği
Yarıiletken Teknolojisinde
Kuantum Elektroniği – Nanoteknoloji
Prof. Dr. Hasan Efeoğlu
[email protected]
Yrd.Doç.Dr. Tevhit Karacali, Murat Gülnahar, Atakan Abuşoğlu
Yarıiletken teknolojisi tranzistörün keşfi tümleşik devre tasarımının ortaya
çıkışı, Si, GaAs vb. yarıiletkenlerin büyütülmesi ve proses teknolojilerinin çok
iyi bir şekilde ortaya konması ile günümüzde endüstriyel, tıbbi ve askeri
alanlarda ve günlük hayatta kullanım alanı giderek artmaktadır.
Nano teknoloji kavramının ortaya çıkışı, nanoyapıların kollektif davranışları ile
yeni malzemeler ve uygulamalar ortaya konmaktadır. 1 cm2 alanda 1012’ye
varabilen tek tek nano yapıların koordineli çalıştırılması ile ortaya çıkacak
potansiyel uygulamalar ise klasikleşen yarıiletken teknolojisinin doyum
noktasından sonra gelişmelerin daha da hızlanacağına işaret etmektedir.
Yarıiletken teknolojisi, kullanılacak taban kristalin külçe veya ince film olarak
büyütülmesi, malzemenin karakterizasyonu, tasarım, fabrikasyon ve test
işlemleri için bu sürecin optimize edilmesi gerekmektedir.
Stratejik özgün tasarımların ortaya konması
öncelikle tecrübenin, bilgi birikiminin oluşması ve
kollektif çalışma anlayışı ile mümkün olacaktır
Yarıiletken Teknolojisindeki Yerimiz
Yarıiletken teknolojisinde temel bilim açısında üniversitelerimizde yürütülen
çalışmalar teorik ağırlıklı olup deneysel çalışmalara yönelme ise son yıllarda
artma eğilimine girmiştir. Gazi Üniversitesi’nde MBE, Bilkent Üniversitesi’nde
MOCVD için altyapı oluşumu gözlenirken, külçe kristal büyütmede Atatürk
Üniversitesi’nde altyapı ve tecrübe birikimi mevcuttur.
Yukarıda bahsi geçen süreçte ince film büyütmeye paralel olarak elektriksel ve
optik karakterizasyon devre performansını etkileyen faktörlerin ortaya
konması ve optimizasyonda önemlidir. Bu ise alt yapı, teorik bilgi ve uygulamalı
deneysel tecrübe ve kendi kendine yeterlilik gerektirmektedir.
Mühendislik Fakültesi bünyesinde E&E Mühendisliği Bölümü Katıhal Fiziğinin,
Kuantum Elektroniği ve Nanoteknolojide uygulama bulacağı birimdir.
Kuantum Elektroniği–Nanoteknoloji için E&E Müh.
Bölümünde Altyapı
Katıhal Elektroniği alanında çalışacak kişilerin özellikle kullandığı teknolojiyi
kontol edebilir ve ihtiyacı doğrultusunda da müdahale edebilir bilgi birikimi ve
tecrübeye sahip olması gerekmektedir.
İşaret edilen şartlar sağlandığı taktirde kesintisiz bir çalışma, deneyim
kazanımı ve süreklilik arz eden bilgi üretimi ve söz konusu olacaktır.
Yaptıklarımız
Yürütülen projeler
DPT 2003K120210 “Konfokal Mikroskop Tasarımı ve Yarıiletken Malzemelrde
Üç Boyutta Spektroskopik Fotolumünesans ve İki Boyutta Elektrolumünesans
ve Optik Soğurma/Reflektans Haritalanmasında Kullanımı”
BAP 2004/118 “Yarıiletkenlerde yüzey ve yüzey altı fotolumünesans-yansıma
haritalaması ve görüntü işleme”
BAP 2004/183 “İdeale yakın Al-Ag-Au/p-GaTe Schottky yapıların
fabrikasyonu ve sıcaklığa bağlı elektriksel karaterizasyonu”
Katıhal Elektroniği İçin Örnek İnstrumentasyon
Minyatür Isıl İşlem Ünitesi
Omik Kontak Oluşumu için Minyatür Isıl İşlem Ünitesi Tasarım ve Yazılım
Yarıiletkenlerin elektriksel karakterizasyonunda omik kontak yapımı numune
hazırlanmasında mutlaka yapılması gerek işlemlerden biri olmaktadır. Bu tür
karakterizasyonların tekrarlanabilirliği açısından omik kontağın kalitesi ve
kararlılığı en önemli faktör olmaktadır. Geleneksel ısıl işlem üniteleri bu
noktada pratik ve tekrarlanabilir bir ısıl işlem süreci açısından sorunlu
olmaktadır. Çok düşük maliyet ile bir minyatür ısıl işlem ünitesi tekrarlanabilen
ısıl işlem süreci ve minimize edilmiş kirlenme kaynağı ile tasarlanabilir. Şekilde
verilen kesit çizimde, iç içe geçmiş iki pyreks fanus dan içte olan numune altlığı
ve ısıtıcı, dıştaki ise yaklaşık oda sıcaklığında bulunuşu ile kirlilik kaynağı
olmadan kuru azot gazı atmosferinin numune üzerinde oluşmasını
sağlamaktadır. Bu ısıl işlem ünitesinde sıcaklık 100 Ohm platin diençle
ölçülmekte ve kontrol dizaynı ve imalatı tarafımızca tasarlanan bir ara devre
üzerinden çok fonksiyonlu I/O kartı vasıtasıyla (National Instruments–LAB
PC+) kontrol edilmektedir. Kontrol organizasyonu QBasic 7.1 dilinde hazırlanan
bir yazılımla sayısal PID kontrol mantığı kullanılarak gerçekleştirilmektedir.
Yazılımla ısıtma hızı, ısıl işlem süresi, güç kesme ve PID parametreleri kontrol
edilebilmektedir. Sıcaklık/zaman bilgileri eşzamanlı olarak grafik ortamında
görüntülenebilmekte ve sonraki kullanımlar için kaydedilebilmektedir. Efeoğlu H,
Coskun C, Karacalı T, Aydoğan Ş, Yogurtçu Y K, National Instruments Proceedings 2000, “Lab PC+ and controlling of miniature alloying furnace unit for ohmic
contac annealing”
•Neden Karakterizasyon ?
Yarıiletken devre elemanı üretim süreci içinde kullanılacak altlık malzemelerin
Numune
100Ω Platin
Direnç
Seramik Disk içinde
Isıtıcı
Sıcaklık (oC)
Set Sıcaklığı
400 oC
400
- lazer uygulamasında kuantum verimini,
- tranzistör veya diyod uygulamasında anahtarlama hızını
- dedektör uyglamasında sızıntı akımını
Prinç sabitleme Halkası
Pyrex
TiN kaplanmış Al
Altlık
O-Ring
belirleyen ve dolayısı ile performansı etkileyen derin seviyelerin kimlik
bilgilerinin ortaya konması, optimizasyon için çok önemlidir.
•Yarıiletken Karakterizasyonda Kullandığımız Teknikler
4-450 K aralığında sıcaklığa bağlı
N2 Çıkış
N2 girişi
300
200
Güç ve sıcaklık ölçüm Bağlantısı
100
Minyatür ısıl işlem ünitesinin kesit
çizimi.
t= 2 min, P=0.5, I= 0.175, D= 4.0
0
0
- Fotolumünesans (Uyarma 405 nm, 532 nm, Spektrum 200-1100nm)
- I-V, (20 mA – 0.001 pA),
- C-V, (3000 pF – 0.1 fF)
- DLTS
- Özdirenç ve Hall ölçümleri ile kompanzasyon ve derin seviye
tanımlama.
Ölçüm ve değerlendirmelerinin optimizasyon için kristal veya ince film
büyütücüsü tarafından yapılması gerekmektedir.
Yeterlilik ve Getirisi
Katıhal fiziği için öngörülen bu karakterizasyonların yapılabildiği hazır
sistemler, profesyonel çalışmalar için yetersiz kalacağı genelde gözlemlenen bir
sonuçtur.
160
320
480
640
Zaman (s)
Hedeflerimiz
MBE-MOCVD ile büyütlüen ince filmlerin kullanım maksadı için elektrik
ve optik karakterizasyonunun sistematize edilmesi,
İnce film teknolojisi ve fabrikasyon alt yapısının E&E Müh. Bölümünde
oluşturularak ulusal stratejik çalışmalara destek sağlanması,
Nanoteknoloji kullanılarak düşük sızıntı akımlı Schottky yapıların
fabrikasyonu,
Düşük eşik akımlı ZnO nano lazer yapılarının fabrikasyonu.
CEBIT 2005 Bilişim Fuarı, 6-11 Eylül 2005, İstanbul