Yüksek Güç-Frekans Uygulamaları Için Mocvd Ile Epitaksiyel AlN Kristalinin Büyütülmesi, Katkılanması, Karakterizasyonu Ve Aygıt Üretimi

Abstract

....

Bu projede yüksek güç-frekans uygulamaları için MOCVD (metal organik kimyasal buhar depolama) ile epitaksiyel AlN kristalinin büyütülmesi, katkılanması, karakterizasyonu ve aygıt üretimi yapılarak diyot karakteristiklerinin incelenmesi hedeflenmektedir. III-N tabanlı yarıiletken aygıtlar özellikle yüksek kaliteli GaN materyalinin üretiminden sonra aydınlatma alanında son 20 yılda inanılmaz başarı göstermişlerdir. Bu başarı sadece bilimsel bir kazanım olarak kalmayarak hem enerji verimliliği hem de çevre sağlığı açısından oldukça ciddi katkılar yapmaktadır. Yapılan araştırmaya göre sadece 2017 yılında LED lambaların kullanımı ile dünya genelinde karbon salınımı 570 milyon ton azalmıştır [1]. GaN’ın üstün özelliklerinden dolayı aydınlatma alanında katettiği ivme ile son yıllarda elektronik aygıt alanında vazgeçilemez adaylardan birisi olmuştur. Fosil yakıtlar çevreye geri dönüşü olmayan zararlar vermekte olup yakın gelecekte bu yakıtların tükeneceği kabul edilmektedir. Günümüzde elektrikli-hibrit araçların kullanımı artmakta olup, bu araçların ve yenilenebilir enerji sistemlerinin daha verimli çalışabilmesi için düşük kayıplı yüksek güç-frekans tabanlı diyotlara olan ihtiyaç her gün artmaktadır. Bu alanlarda silikon tabanlı aygıtların performansı ve gelişimi her geçen gün artmasına rağmen materyalin kendisinden kaynaklı bir takım kısıtlamalar bulunmaktadır. Bu kısıtlamaları üstün özellikleri ile aşan adaylardan en güçlüsü yine GaN olmuştur. Fakat ucuz ve geniş boyutlu GaN alttaş eksikliği, çalışmaları bu iki malzemenin entegrasyonuna yönelterek şimdiye kadar oldukça yüksek performans sağlanmış ve performans açısından GaN/Si çalışmaları yavaş yavaş doyuma ulaşmaya başlamıştır. Artan enerji ihtiyacı ve güç tüketimi GaN’a kıyasla yüksek band aralığı, yüksek kırılma gerilimi ve yüksek termal iletkenliğe sahip AlN malzemesini son 5 yılda ön plana çıkarmaktadır. GaN ve AlN’ın yüksek güç-frekans aygıtlarının uygunluğunu değerlendiren Baliga yararlılık katsayısı (figure of merit) karşılaştırıldığında AlN’ın katsayısı 10 kat daha yüksektir [2] ki bu katsayı farkı yeni nesil güç aygıtları için inanılmaz avantaj sağlamaktadır. Henüz 2012 yılında başlayan AlN yüksek güç-frekans diyot çalışmaları gelecek vaad etmesine rağmen katkılamanın zorluğu, doğal alttaş eksikliği gibi sorunlar nedeniyle çok yavaş ilerlemektedir. Bu proje kapsamında yukarıda bahsedilen ve literatür özetinde detaylandırılan uygulamalar için literatürde ilk defa kullanılacak bir çok teknik ile AlN diyot üretimi yapılacaktır. Bu amaçla • Literatürde daha önce AlN katkılaması için kullanılmamış PALE (pulsed atomic layer epitaxy) tekniği yardımıyla deneysel olarak AlN’ın n tipi katkılanması çalışılacaktır. • Safir alttaş ve literatürde ilk defa silikon alttaş üzerine AlN diyot yapısı büyütülerek bu ürünün ticarileşmesine katkı sağlanacaktır. • AlN diyot yapılarının performansını arttırmak için uluslararası işbirliğiyle literatürde ilk defa hem desensiz hem de desenli silikon ve safir alttaşlar üzerine büyütmeler yapılacaktır. MOCVD ile büyütülen tüm tabakaların kalitesi CÜNAM bünyesinde kurulu bulunan karakterizasyon cihazları ile test edilecek ve aygıt fabrikasyonu için hazırlanacaktır. Teknolojik olarak oldukça önemli olan yüksek güç-frekans aygıtları alanında birçok özgün tekniğin literatürde ilk defa uygulanıp geliştirilmesiyle ülkemize bu teknolojinin kazandırılması sağlanacaktır. Bu sayede hem ülkemizde yüksek katma değeri olan ürün üretilmiş olacak hem de geleceğin ve günümüzün en önemli konusu olan enerji alanında dışa bağımlılığın azaltılmasında büyük bir adım atılmış olacaktır. Proje yürütücüsü doktora çalışmaları sırasında konusunda dünyaca saygınlığa sahip olan Prof. Dr. Manijeh Razeghi (Center for Quantum Devices-Northwestern University) danışmanlığında çalışma fırsatı bulmuştur. Çalışmaları sırasında kazandığı tecrübe ile doktorası bittikten hemen sonra hazırladığı proje TÜBİTAK tarafından desteklenmiştir. Ayrıca proje ekibi 1003, 1007, SANTEZ ve ASELSAN destekli birçok yüksek bütçeli proje yürütmüş-yürütüyor olması bakımından proje yürütülmesi konusunda oldukça deneyimlidir. Proje süresince (36 ay) ortak çalışmalar yapacak iki lisans, iki yüksek lisans ve bir doktora öğrencisi ile çalışılacak ve bu öğrencilerin proje kapsamında geliştirilecek ulusal ve uluslararası işbirlikleri kapsamında yeni laboratuvarlarda çalışmasının önü açılacaktır