Yarıiletken Teknolojisinde Kuantum Elektroniği – Nanoteknoloji
Transkript
Yarıiletken Teknolojisinde Kuantum Elektroniği – Nanoteknoloji
Elektrik - Elektronik Mühendisliği Yarıiletken Teknolojisinde Kuantum Elektroniği – Nanoteknoloji Prof. Dr. Hasan Efeoğlu hefeoglu@atauni.edu.tr 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