KUANTUM ÇAĞLAYAN LAZERLERİN ELEKTRİKSEL KARAKTERİZASYONU ve IŞIN DAĞILIM TESTLERİ 

Proje Yürütücüsü Prof. Dr. Hasan EFEOĞLU

Yarıiletken tabanlı lazer yapılar çalışma ömürleri, optik ışıma kararlılığı ve lazer oluşumu için eşik akım/gerilim parametreleri performansı ve rekabet edebilirliği belirleyen hususlardır. Yarıiletken lazerler özellikleri itibari ile çalışma sıcaklıklarının kararlı olması ve sabit akım ile beslenmesi gerekmektedir. Ancak, yaşlanma olarak tanımlanan ve performansın zamanla azalması yapıyı oluşturan mimari yapı içinde bulunana yarıiletken bölge/katmanların oluşturulması sürecinde/fabrikasyan esnasında ortaya için yapısal kusurlardan kaynaklanan ışımasız geçiş merkezlerinin oluşması ve mimari yapıya bağlı olarak optik çıkış yüzeylerinin çevresel etkilerden soğurma oranının artması şeklinde sıralayabiliriz. Sabit optik güç çıkısı ile geri beslemeli bir tasarım kullanımı zorunluluğu söz konusudur. Bu nedenle lazer diyod üzerinden geçen ve artan akım ile bu olumsuzların etkileri zamanla artacağı için yaşlanma süreci hızlanacaktır. Sonuçta katastrofik olarak ışıma yüzeyi zarar görecektir. Öngörülen bu olumsuzlardan ikincisi büyütme ve fabrikasyon işlemleri sonrasında kaplama ile giderilecek veya iyileştirilecek rutin bir işlemdir. Ancak yapısal kusurların varlığının tespit edilip kimliklendirilmesi, süreç içinde hangi aşamada oluştuğunun tespit edilmesi en önemli husus haline gelmektedir ve sistematik araştırma yapılmasını gerektirmektedir.

Örgü farklılığından ve büyütme parametrelerinden kaynaklanacak kusurların elektriksel aktivitelerinin olması söz konusu olduğundan ana iletkenliği belirleyen yüklerin 1/10⁶ veya daha düşük kesrinde belirleyecek karakterizasyon yönteminin olması Ar-Ge çalışmaları açısından önemli bir kazanımdır. Yasak enerji aralığı içinde derin seviye olarak tanımlanan ışımasız geçişler akım tranzienti ile veya kapasitans tranzienti ile varlıkları kolayca algılanabilmektedir. 

Yaşlanma parametresinde önemli bir etkende akım kontaklarının direncidir. Bu direncin minimum değerlerde olabilmesi için uygun metal/alaşım kullanımı ve uygun sıcaklıkta ısıl işlem yapılması gerekmektedir Bunun için örnek yapılar üzerinde kontak direncinin ölçümü için “Transmission Line Method” (TLM) yöntemi ile kontak direnci ölçümü yapılacak. Bunun için aygıt fabrikasyonu esnasında kullanılacak maskede bütünleştirilmişi patern kullanılabileceği gibi ybağımsız olarak fabrika edilmiş yapılarında kullanımı kontak direncini iyileştirme sürecine katkı sağlayacaktır. 

Derin seviye karakterizasyonunda kullanılabilecek en güçlü teknik Derin Seviye Tranzient Spektroskopisi (DLTS) tekniğidir. Klasik yöntemler ile geliştirilmiş olan bu teknik günümüzde bilgisayar teknolojisi ile sinyal /gürültü oranı daha da iyileştirilmiştir. Akım tranzientinden ziyade kapasitans tranzientinin sıcaklığa bağlı ölçülmesi ve analiz edilmesi en çok tercih edilen yöntemdir. Bu nedenle bu çalışmada derin sevilerin varlığını tespit etme ve kimlik bilgileri olan band kenarına göre enerji değerleri, yük yakalama tesir kesitleri ve birim hacim başına yoğunluklarını tespit edilerek kimlik bilgileri oluşturulacaktır. Bu çıktılar doğal olarak literatür bilgileri ve grup içinde yapılacak diğer karakterizasyonların verileri bütünleştirildiğinde aygıtın iyileştirilmesi sürecine ilave geri bildirim sağlayacaktır. Projenin devamında ön görülen yapıların üretiminin stratejik olarak önem arz etmesinden dolayı sürekliliği olan bir altyapının geliştirilmesi ve proje konusuna yönelik bilgi/tecrübe birikiminin olması önemli kazanımlardan biri olacaktır. 

Lazer diyodun çalışma ömrünün öngörülmesi üretici ve kullanıcı açısından önemlidir. Örneğin kullanıcı belirli bir sıcaklıkta belirli bir süre (Örneğin 50^oC de 4 yıl talep edilebilir) isterin olması durumunda üreticinin bunu karşılayacak öngörüsünün olması gerekir. Uzun süreli yaşlanma testinin pratik olmamasından dolayı yaşlanmanın aktivasyonu tespit edilmesi halinde belirlenen sıcaklıkta hızlandırılmış yaşlanma ölçümü yapılabilmektedir. Yaşlanma karakterizasyon projenin gidişatına göre bu grubun yeteneği dahilindedir. 

Aygıtın fabrikasyonuna da bağlı çıkış penceresinden yayınlanan optik ışıma demetin uzay içinden dağılımın bilinmesi optik tasarım için geri bilgi sağlayacaktır. Kısa süreli öncü yaşlanma testinde güç kabının yanında optik çıkış penceresinin yüzeyinde oluşabilecek lokal değişimlerin etkisi iki boyutta elde edilecek ışıma dağılımında görsel olarak doğrudan ortaya çıkacağından Ar-Ge sürecine önemli bir katkı sağlayacaktır.  

Bu proje kapsamda Sivas Cumhuriyet Üniversitesi-Nanofotonik Araştırma ve Uygulama Merkezi tarafından InGaAs/InAlAs süper örgülü InP alttaş üzerine büyütülecek olan epitaksiyel yapıların elektriksel karakterizasyonu için DLTS, Kapasitans-Voltaj (C-V) ve kontak direnç ölçümleri gerçekleştirilecektir. Özellikle DLTS, C-V ve TEM ölçümleriyle süper örgülerdeki kusurlar açığa çıkarılabilmesi için araştırmalar gerçekleştirilecektir. KÇL yapıların oluşturulmasından önce ara tabakalara ait örnek büyütmeler üzerinde yapılacak elektriksel karakterizasyonlar da öncü olması açısından büyütme sürecinin optimize edilmesi için kullanılacaktır. Öngörülen karakterizasyon çıktıları ile Sivas Cumhuriyet Üniversitesi grubu ile geri beslemeli ortak çalışmalar, büyütme şartlarındaki değişimler ile kusur yoğunlukları azaltılmaya çalışılacaktır. Ayrıca, proje kapsamında hazırlanmış ve İYTE grubu tarafından paketlenmiş KÇL’ler optik pencereden çıkan ışımanın dağılım ölçümleri gerçekleştirilerek dalga kılavuzu hakkında bilgiler açığa çıkarılacaktır. Bu çıktı aynı zamanda KÇL’ın ışıma penceresi önüne konulması planlanan optik sistemin öncül tasarımına veri akışı sağlayacaktır. Son olarak kısa sürelide olsa gerçekleştirilecek yaşlanma testinde yüzeyde yapılacak optik kaplamanın karalığının test edilerek referans ölçümlerle karşılaştırılması ile proje çıktısının yaygın etkisine önemli bir katkının sağlanması amaçlanmaktadır.