c. SEMINANO (Physics and Technology of Elemental, Alloy and Compound Semi Conductor Nanocrystals: Materials and Devices)
SEMINANO
BİR AB 6. ÇERÇEVE PROJESİ OLAN SEMINANO, YARIİLETKEN NANOKRİSTALLERİN KEŞFEDİLMEYİ BEKLEYEN YANLARINI ARAŞTIRIYOR
ODTÜ Fizik Bölümü’nden Prof. Dr. Raşit Turan’ın öcülüğünde hazırlanan ve nanoteknoloji alanında bilimsel ve teknik araştırma-geliştirme çalışmalarını içeren AB 6. Çerçeve Programı projesi 1 Eylül 2004’ten bu yana başarı ile sürdürülüyor. Kısa adı SEMINANO (Semiconductor Nanocrystals) olan proje, 9 ülkeden 11 araştırma grubunun katıldığı ve nanoteknoloji alanında Türkiye’nin yönettiği tek AB projesi olma özelliğini taşıyor. 2 yıl süren bir hazırlık çalışması sonrasnda orataya çıkan proje, içerdiği bilimsel ve teknik çalışmaların yanı sıra, Türkiye’nin 6. Çerçeve programına katılımı ve program bütçesinden yüksek pay alması açısından da önem taşıyor. SEMINANO projesiyle yarıiletken nanoyapıların üretilmesi, çeşitli açılardan incelenmesi ve teknolojiye uygulanması hedeflenmektedir. Büyüklüğü 1-20 nm civarında olan yarıiletken kristal yapıların farklı ortamlarda ve farklı yöntemlerle büyütülmesi ve bu yapıların optik ve elektronik özelliklerinin kontrol altına alınarak mikroelektronik ve optoelektronik alanlarında kullanılması projenin ana hedefleridir. Alanında öncü çalışmalar ve yeni metodlar geliştirmeyi hedefleyen SEMINANO Projesi için ayrıntılı bilgiye www.phsics.metu.edu.tr/smd/seminano adresinden ulaşılabilir.
Yarıiletken nanokristallerin renklendirdiği yeni ışık saçan diyotlar (Light Emitting Diodes -LED)
Günümüzde göstergeler oluşturmak, ışıldayan yazılar yazmak ve görüntüler oluşturmak için ışığa gereksinim duyulan her yerde yarıiletken ışık saçan diyotlar kullanılır. Yaşamın her alanında yoğun olarak kullanılan bu diyotlar, bileşik yariiletkenler kullanılarak üretilir. Oysa modern yarıiletken elektronik teknolojisi Silisyum (Si) kristaline dayanır. 20. yüzyılın sonunda büyük bir toplumsal dönüşüme neden olan mikroelektronik devrimi, Si kristalinin olağanüstü ayrıntı ile işlenmesi sonunda oluşturulan entegre devrelerin üretimi ile gerçekleşmiştir. Bu gün milyonlarca diyot ve transistör çok küçük alanlara sığdırılarak son derece karmaşık ve hızlı işlemciler birkaç cm2 alana sığdırılabilmektedir. Si kristali, sahip olduğu olağanüstü elektronik ve mekanik özelliklere rağmen ışık üretme konusunda yetersiz kalmaktadır. Dolaylı elektronik bant aralığı ve momentum korunumu yasası nedeni ile Si elektronları bantlar arasındaki geçişi ışık üretimi olmaksızın gerçekleştirir. Oysa bileşik yarıiletkenler (örneğin GaAs) doğrudan bant aralığına sahip olduğundan elektron geçişlerinde momentum korunumu kendiliğinden gerçekleşir. Bu nedenle bileşik yarıiletkenler etkili bir ışık üretecidir.
Si kristalinin ışık üretiminde yetersiz kalması mikroelektronik ve optoelektronik teknolojilerin ayrı ayrı ilerlemesine neden olmuştur. Mikroelektronik devreler ve ışık üreten sistemler birbirinden ayrı ve bağımsız olarak üretilmiştir. Bu iki teknolojinin tümleştirilmesi halinde yeni ve olağanüstü gelişmeler olması bekleniyor. Si tabanlı ışık üreten diyotların ve dalga yönlendiricilerin üretilmesi ile ışık, mikroelektronik devrelerde kullanılacak ve yüksek hızlarda ve kapasitelerde çalışan devrelerin üretilmesi mümkün olacaktır. Böylece optik anahtarlardan optik bilgisayarlara kadar uzanan bir dizi yeni gelişmeye tanık olacağız. Böylece yıllardır Si teknolojisine yetişmeye çalışan bileşik yarıiletkenler bu yarışta biraz daha geride kalacaktır.
Si kristalinden ışık elde edilmesi bu alanda çalışan bilim insanlarının oldukça eski bir düşüdür. Yapılan bütün denemeler başarısız olmuştur. Si ve Ge süper örgülerden oluşan yapay kristallerden ya da poroz Si yapılarından yararlanılarak ışık üreten diyotların üretimi istenen sonuçları vermemiştir. Son yıllarda nanometre boyutlarında yarıiletken yapıların kontrollü üretimi ve elde edilen heyecan verici sonuçlar, Si nanokristallerin, yıllardır süren Si tabanlı ışık yayan sistemlerin oluşturulması çabasında yeni bir umut doğurmuştur. Boyutu 1-10 nm düzeyindeki yapılar içinde barındırdıkları elektronlar için bir kuvantum kuyusu oluşturur. Kuvantum kuyuları içine hapsedilmiş elektronlar adeta bir atomun çevresinde dolaşan elektronlar gibi sürekli olmayan (discrete) enerji düzeylerine sahiptir ve bu düzeyler arasındaki geçişlerde ışık üretimi kolaylıkla gerçekleşir. Bu etkiye kuvantum boyut etkisi denir (quantum size effect). Eğer küçük boyutlu nanokristaller halinde kullanılabilirse silisyumun ışıyabileceği görülür. Hatta nanokristal boyutunu ayarlayarak elde edilen ışığın dalga boyunu, yani rengini ayarlamak olasıdır. Görünür bölgenin bütün renklerini aynı kristalden hem de mikroelektroniğin temel malzemesi olan Si’dan elde edildiği bu durum istenenden de öte bir gelişme olacaktır. Nitekim bir çok laboratuvarda bu yönde sonuçlar elde edilmiş ve bilimsel yayın halinde yayınlanmıştır. Elde edilen ışığın kaynağı konusunda tartışmalar sürse de, Si nanokristallerden kaynaklanan ışıma kesin olarak kanıtlanmıştır. Şimdi sıra elde edilen ışımanın kontrol altına alınması ve ışık saçan aygıtlara uygulanmasına gelmiştir. SEMINANO projesi tam da bu gelişmelerin en canlı olduğu dönemde önerilmiş ve yerinde bir kararla desteklenmesine karar verilmiştir. SEMINANO, Si ve Ge nanokristallerin boyut etkisi kullanılarak bu malzemeleri ışık üreten sistemler haline dönüştürmek ve bu yapıları ışık saçan diyotların üretiminde kullanmayı hedeflemektedir. Geleneksel LED yapıları bir p-n ekleminden oluşur ve n tarafından gelen elektronlar p tarafından gelen deşikler (hole) ile tam eklem noktasında birleşir ve bu geçiş sıarsında foton üretimi gerçekleşir. Nanokristallerin kullanıldığı LED aygıtları (NC-LED) geleneksel LED sisteminden oldukça farklıdır. NC-LED, nanokristallerin oksit tabakanın içine gömüldüğü metal-oksit-yarıiletken yapısına sahiptir. Yalıtkan olmasına rağmen oksit tabakası, kalınlığı ve iletkenlik özelliklerinin ayarlanması sonunda elektriği iletebilir ve yarıiletken ya da metal tarafından gönderilen yük taşıyıcılar (elektron ve deşik) oksit tabakadan geçerek nanokristallere ulaşır ve burada enerji düzeyleri arasında geçişlere neden olarak ışık üretimi gerçekleşir. SEMINANO araştırmacıları bu deneyleri başarı ile gerçekleştirmiş ve NC-LED operasyonunu göstermiştir. Önümüzdeki dönemde NC LED yapılarının daha da geliştirilmesi beklenmektedir.
(a)
(b)
a) Geleneksel LED yapısı bir p-n ekleminden oluşur. n- tarafından gelen elektronlar p-tarafından gelen deşikler eklem noktasında birleşirler ve bu birleşme sonunda açığa çıkan enerji ışık olarak dışarı çıkar. b) Nanokristal LED yapısı bir Metal Oksit Semiconductor (MOS) sisteminden oluşur. Oksit içinden tünelleme yolu ile
Si nanokristaller flash belleklere güç katacak
Yarıiletken nanoyapıların bir başka uygulama alanı ise yeni generasyon ‘flash’ bellek elemanlarının geliştirilmesidir. Geleneksel flash bellek sistemleri, SiO2 matris içine yerleştirilen ve ‘yüzen geçit’ (floating gate) adı verilen metal ya da poli-silisyum bir depolama elemanından oluşur. Yüzer geçit ile Si alttaş arasındaki oksit tabakanın kalınlığı 2-3 nm’dir. Bu tabakanın çok ince olması nedeni ile, yüzer geçit ile alttaş Si arasında kısa devre oluşma
olasılığı yüksektir. Bu nedenle, özellikle aynı yonga üzerinde çok sayıda ve yoğun olarak üretildiğinde flash bellek birimlerinin güvenilirlikleri azalır. Bu güvenilirlik sorununu aşmak üzere metal geçit yerine nanokristallerin kullanılması önerilmektedir. Yüzer geçit yerine yüzlerce nanokristal den oluşan kuvatum kuyusu demeti kullanıldığında depolanan yükler bu nanokristaller arasında paylaşılır. Kullanılan nanokristal adacıkları birbirinden bağımsız olduğundan oluşacak bir kısa devre yalnızca bir kaç nanokristaldeki yükü etkileyecek ve bellek elemanının tamamına etkisi olmayacaktır. Nanokristaller flash belleklerin güvenirliğini ve dolayısı ile kapasitelerini artıracaktır. SEMINANO konsorsiyumuna üye araştırma gruplarından bazıları bu alanda uzmanlardan oluşmaktadır. Elde ettikleri ilk sonuçlar Si nanokristallerin flash bellek depolama elemanı olarak başarı ile kullanılabileceğini göstermişlerdir. ODTÜ yönetiminde yürütülen bu çalışmaların önümüzdeki dönemde yeni gelişmelere yol açacağı şimdiden bellidir.
a) Geleneksel flash bellek yapısı yüklerin depolandığı bir polisilisyum ya da metal yüzen geçit içerir.
b) Nanokristal tabanlı flash bellek hücresinde yükler çok sayıda nanokristal tarafından paylaşılır.
SEMINANO geçtiğimiz Eylül ayında Budapeşte’de bütün dünyadan katılımın sağlandığı büyük bir çalıştay düzenlemiş ve SEMINANO adını geniş bir bilim topluluğuna yaymıştır. Bu çalıştaya gösterilen yoğun ilgiden cesaret alan SEMINANO konsorsiyumu ikinci çalıştayı 2006 yılının Haziran ayında Antalya’da düzenlemeye karar vermiştir. Bu çalıştay yeni sonuçların sunulduğu ve tartışıldığı dünya çapında tanınan bir toplantı serisinin bir parçası olmaya adaydır.
SiO2 içinde oluşturulan Ge nanokristallerin TEM resmi.
a) İyon ekme sistem
b) Manyetik saçtırma sistemi
Nanokristal olusturabilmek için kullanılan cihazlar