Orta ve Uzun Kızılötesi Dalgaboylu Kuantum Çağlayan Lazerlerin MOCVD ile Büyütülmesi

Proje Yürütücüsü Doç Dr. İlkay DEMİR

Elektronik ve optoelektronik sistemler geçtiğimiz yüzyılın ikinci yarısından itibaren hızla gelişmekte, sağlık, sivil ve askeri alanlarda gün geçtikçe daha fazla yer edinmektedir. Tıp alanında özellikle “non-invasive” yani tahribatsız uygulamalarda optik tabanlı sistemler yoğun şekilde iyileşme süresinin kısa olması ya da hiç olmaması sebebiyle sıkça tercih edilmektedir. Örnek olarak üre tayininde yakın kızıl ötesi lazer diyotlar kullanılarak tahribatsız (kan ya da idrar testi olmadan) olarak belirlenebilmektedir. Bunun yanı sıra sivil uygulamalarda da değişim yarıiletken tabanlı elektronik ve optoelektronik aygıtlara doğrudur. Günümüzde en büyük çevresel sıkıntılardan biri sera gazı (greenhouse gases) salınımıdır. Sera gazı temel olarak CO₂ ve CH₄ gazlarından oluşmaktadır ve bu gazlar 1,6 µm dalgaboyundan itibaren belirli dalgaboylarında orta/uzun kızılötesi bölgede soğurma kenarlarına sahiptir. Bu özellikleri nedeni ile sera gazı tespiti optik yolla mümkündür. Günümüzde bu gazlara özel olarak üretilmiş sensör sistemleri bulunmaktadır ancak her gaz için farklı bir sensör kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra uzun mesafeler boyunca (km mertebesinde) belirli bir alanın taraması tek bir sensör ile yapılamamaktadır. Askeri alanlarda ise kızılötesi karşı tedbir (Infrared Counter Measures-IRCM) sistemlerinde orta/uzun dalgaboyuna sahip lazer sistemleri düşük saçılma (scattering) ve soğrulma (absorption) özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir. Bunun nedeni orta/uzun dalgaboyuna sahip lazerlerin uzun mesafelere odaklanarak gönderilmesi ve sonrasında algılanmasının mümkün olmasıdır. Sonuç olarak şu ana kadar verilen tüm uygulamalarda kullanılabilecek bir lazer sistemi teknoloji olarak büyük bir adımdır ve Kuantum Çağlayan Lazer’ler (KÇL) bu yetkinliktedir. Kuantum Çağlayan Lazer’ler orta kızılötesi ile THz bölgesinde ışıma yapan yarıiletken tabanlı kenar ışımalı lazerdir. Birçok gazın soğurma kenarı bu bölgede bulunması dolayısı ile KÇL’ler bu gazların tespitinde kullanılan önemli aygıtlardandır. Bu gazlar proje kapsamında hedef olarak belirlenen lazer ışımlarında atomik titreşimlere sahip oldukları için soğurma kenarları proje içeriğinde belirlenen dalgaboyu aralığındadır. Bunların yanı sıra T.C Cumhurbaşkanlığı tarafından başlatılan millileştirme politikası kapsamında KÇL’lerde bulunmaktadır ve kritik öneme sahip aygıt sınıfındadır. Projede tasarımı ASELSAN ARGE tarafından InP tabanlı 3-5 µm (KÇL-1a, KÇL-1b) ve 8-12 µm (KÇL-2) dalgaboyuna sahip KÇL kristalleri Metal Organik Kimyasal Buhar Depolama Sistemi (MOCVD) ile Sivas Cumhuriyet Üniversitesi Nanofotonik Uygulama ve Araştırma Merkezinde (CÜNAM) büyütülecektir. Literatürde KÇL’büyütmeleri arge amacıyla moleküler ışın demeti yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Ancak bu yöntem seri üretime uygun olmamaması nedeniyle literatürde son yıllarda KÇL büyütmeleri sıklıkla MOCVD tekniği ile büyütülmeye çalışılmaktadır. Bu yönü itibari ile de CÜNAM’da KÇL’nin MOCVD ile büyütülecek olması literatüre uygun ve günceldir. Büyütme işlemleri öncelikle tasarımda yer alan her katmanın tek tek büyütülmesi ile başlayacaktır. Tek katman büyütmeleri sonrası yarıiletken karakterizasyon işlemleride yine CÜNAM’da gerçekleştirilecektir. Bu kapsamda X-ışını kırınım sistemi yapısal karakterizasyon, buna ek olarak Atatürk Üniversitesi ve Karadeniz Teknik Üniversitesi tarafından taramalı elektron mikroskopu yöntemi ile CÜNAM’da gerçekleştirilen yapısal karakterizasyon desteklenecektir. Optik mikroskop ile yüzey analizi ve Hall sistemi ve C-V sistemi ile elektriksel karakterizasyonları da yine CÜNAM bünyesinde gerçekleştirilecektir. Karakterizasyon işlemleri sonrası elde edilen bilgiler doğrultusunda katmanlar optimize edilecek, kristal kalitesi, kalınlık ve katkılama değerleri tasarım ile uyumlu olacak şekilde elde edilecektir. Bu işlemin ardından süperörgü, dalgakılavuzu, kaplama tabakları üst üste büyütülecektir. KÇL’nin tam olarak büyütülmesinin ardından benzer metotlarla yarıiletken karakterizasyonu gerçekleştirilecek, KÇL’nin değerleri isterlere ve tasarıma uygunluğu gösterilecektir. Bu işlemlerin ardından tasarıma uygunluğu gösterilen numune mikro fabrikasyona hazır şekilde ilgili gruplara teslim edilecektir.

Proje hedeflerine ulaşılması durumunda, ülkemizde emekleme aşamasında bulunan KÇL geliştirilmiş olacaktır. KÇL’lerin millileştirilmesi ile ülkemizde yüksek katma değerli ürün ve teknoloji alanında çalışan kalifiye eleman sayısı arttırılmış olacaktır. Böylece proje ile sosyo-ekonomik olarak topluma katkı sağlanacaktır. KÇL’lerin ticarileştirilmesi durumunda ülkemizin %100 dışa bağımlı olduğu bir alanda millileşme ile ithalat kaleminde azalma sağlanacak, uluslararası standartlarda ürün elde edilmesi durumunda ihracat yolu ile ülke ekonomisine ayrıca katkı sağlayacaktır. Jeopolitik konumu nedeni ile ülkemiz sık sık ithalat kısıtlamalarına maruz kalmakta, askeri uygulamalarda kullanılacak ürünlerin (alt ürünler dahil) ithalatı gerçekleştirilememektedir. Projenin başarı ile tamamlanması durumunda ilgili kritik alanlarda dışa bağımlılık azaltılarak ve bu alandaki mağduriyet giderimiş olacaktır.