Au/ZnO/n-GaAs (MIS) SCHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN (SBDs) ELEKTRİKSEL KARAKTERİSTİKLERİNİN FREKANS VE VOLTAJA BAĞLI İNCELENMESİ.

Transkript

1

2 Au/ZnO/n-GaAs (MIS) SCHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN (SBDs) ELEKTRİKSEL KARAKTERİSTİKLERİNİN FREKANS VE VOLTAJA BAĞLI İNCELENMESİ Buket AKIN YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAYIS 2015

3 ETİK BEYAN Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi, Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı, Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu, bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim. (İmza) Buket AKIN 29/05/2015

4

5

6 Au/ZnO/n-GaAs (MIS) SCHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN (SBDs) ELEKTRİKSEL KARAKTERİSTİKLERİNİN FREKANS VE VOLTAJA BAĞLI İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) iv Buket AKIN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mayıs 2015 ÖZET Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotları (SBDs) hazırlandı ve onların elektriksel karakteristikleri, akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj-frekans (C-V-f) ve kondüktans-voltajfrekans (G/ω-V-f) ölçümleri kullanılarak oda sıcaklığında incelendi. Diyotun ters doyum akımı (Io), idealite faktörü (n) ve sıfır-beslem engel yüksekliği (ФBo) gibi temel elektriksel parametreleri sırasıyla 4,03x10-8 A, 3,75 ve 0,47 ev olarak bulundu. Arayüzey durumlarının (Nss) enerjiye bağlı dağılımı, hem etkin engel yüksekliğinin hem de n nin voltaja bağlı değerleri dikkate alınarak doğru beslem I-V verilerinden elde edildi. Frekansa bağlı C-V ve G/ω-V karakteristikleri ise 0,5 khz-500 khz aralığında incelendi. Nicollian ve Brews metodu kullanılarak elde edilen Rs değerlerinin artan frekans ile azaldığı gözlendi. Bu değerler Norde, Cheung ve Ohm metodları kullanılarak elde edilenlerle uyum içinde olduğu gözlendi. Engel yüksekliği (ФB), verici katkı atomlarının yoğunluğu (ND) ve tüketim tabakası genişliği (WD) frekansın fonksiyonu olarak 1/C 2 -V eğrilerinden elde edildi. Ayrıca, hem Nss hem de onların yaşama süreleri admittans spektroskopi metodu kullanılarak frekansa bağlı elde edildi. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : I-V,C-V-f ve G/ω-V-f ölçümleri; Frekans ve voltaja bağlı etki; Arayüzey durumları, Seri direnç Sayfa Adedi : 86 Danışman : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL

7 v THE INVESTIGATION OF FREQUENCY AND VOLTAGE DEPENDENCE OF MAIN ELECTRICAL PARAMETRES OF Au/ZnO/n-GaAs (MIS) SCHOTTKY BARRIER DIODES (SBDs) (M. Sc. Thesis) Buket AKIN GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES May 2015 ABSTRACT Au/ZnO/n-GaAs Schotky barrier diodes (SBDs) were fabricated and their electrical characteristics have been investigated using current-voltage (I-V), capacitance-voltagefrequency (C-V-f) and conductance-voltage-frequency (G/ω -V-f) measurements at room temperature. The main electrical parameters such as reverse saturation current (Io), ideality factor (n) and zero-bias barrier height (ФBo), were found as 4,03x10-8 A; 3,75 and 0,47 ev, respectively. The energy dependent of the interface states (Nss) was obtained from the forward bias I-Vdata by taking into account voltage dependence effective barrier height (Фe) and n. and their values are in the range Ec-0,21 to Ec-0,46 ev. The frequency dependent C-V and G/ω-V characteristics have been investigated in the frequency range of 0,5 khz-500 khz. The value of series resistance (Rs) was obtained from the C-V-f and G/ ω-v data using Nicollian and Brews method and it decreases with increasing frequency and compared with thieir Norde, Cheung and Ohm law methods The barrier height (ФB), doping concentration (ND) and depletion layer width (WD) were obtained from linear part of 1/C 2 vs V plot for each frequency. The energy dependent Nss values and their relaxation time were also obtained from admittance spectroscopy method. Science Code : Key Words : I-V, C-V-f and G/ω-V-f measurements; Frequency and voltage dependence; Surface states; Series resistance Page Number : 86 Supervisor : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL

8 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca her türlü konuda yardımlarını esirgemeyen, değerli tez danışman hocam Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL a Ayrıca maddi ve manevi desteklerini benden hiçbir zaman esirgemeyen aileme ve arkadaşlarıma, Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (UNAM) da malzemenin hazırlanmasında araştırmalarıma yardımcı olan Yrd. Doç. Dr İkram ORAK a sonsuz teşekkür ederim.

9 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... ABSTRACT... TEŞEKKÜR... İÇİNDEKİLER... ÇİZELGELERİN LİSTESİ... ŞEKİLLERİN LİSTESİ... RESİMLERİN LİSTESİ... SİMGELER VE KISALTMALAR... iv v vi vii ix x xii xiii 1. GİRİŞ METAL-YALITKAN-YARIİLETKEN (MIS) YAPILAR Metal Yalıtkan Yarıiletken (MIS) Kontaklar İdeal Metal-Yarıiletken Kontakların Schottky-Mott Teorisi Gerçek MIS Yapısı DENEYSEL YÖNTEM ZnO Tabakasının Özellikleri Yarıiletken GaAs Malzemenin Özellikleri Radyo-Frekans (RF) Püskürtme Yöntemi Termal Buharlaştırma Yöntemi Kristal Temizleme Au/ZnO/n-GaAs MIS Yapının Hazırlanması Deneysel Ölçüm Sistemi Akım-Voltaj (I-V) ölçüm sistemi Kapasitans-Voltaj (C-V) /İletkenlik-Voltaj (G/ω-V) ölçüm sistemi... 42

10 viii Sayfa 4. TARTIŞMALAR Giriş Akım-Voltaj (I V) Karakteristikleri Frekansa Bağlı Kapasitans-Voltaj (C V) ve İletkenlik-Voltaj (G/ V) Karakteristikleri SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 83

11 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. Oda sıcaklığında GaAs yarıiletkenine ait özellikler Çizelge 4.1. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotu için C -2 -V karakteristiklerinden elde edilen bazı temel parametreler Çizelge 4.2. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun Gp/ω-f grafiğinden elde edilen tuzaktaki yüklerin ömrü (τ) ve arayüzey durumlarının (Nss) yoğunluğunun değerleri... 69

12 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil.2.1. Bir metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) yapının şematik gösterimi... 8 Şekil 2.2. Փm>Փs durumunun geçerli olduğu metal/n-tipi yarıiletken (MS) kontağa ait elektron enerji bant diyagramı a) Nötr malzemelerin birbirlerinden ayrı olduğu durum ve b) Kontak yapıldıktan sonra termal denge durumu... 9 Şekil 2.3. Metal/n-yarıiletken (MS) kontağa ait elektron enerji bant diyagramları a) Termal denge durumu b) İleri besleme durumu ve c) Ters besleme durumu Şekil 2.4. Փm<Փs durumunun geçerli olduğu metal/n-yarıiletken (MS) kontağa ait elektron enerji bant diyagramı (a) Nötr malzemelerin birbirlerinden ayrı olduğu durum (b) kontak yapıldıktan sonra termal denge durumu (c) yarıiletken üzerine ters beslemin uygulandığı durum ve (d) yarıiletken üzerine düz beslem uygulandığı durumu Şekil 2.5. Bir Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) yapının eşdeğer kapasitans devresi Şekil 2.6. V 0 durumunda a) Yığılım, b) Tükenim ve c) Tersinim bölgeleri için ideal MIS yapının enerji-bant şeması Şekil 2.7. İdeal bir MIS yapının a) Yığılım, b) Tükenim ve c) Tersinim bölgelerine karşılık gelen devre şeması Şekil.2.8. İdeal olmayan MIS yapısında arayüzey durumları ve yüklerin sınıflandırılması Şekil 2.9. MIS yapısının eşdeğer devresi. a) Bir enerji seviyesi için b) Birbirinden farklı enerji seviyeleri için Şekil 3.1. a) Belirtilen örgü parametreleri a ve c olmak üzere ZnO hekzagonal kristal yapısı b) Sıfırda maksimum valans bandının enerjisi Şekil 3.2. GaAs kristal yapısı ve görünümü Şekil 3.3. DC püskürtmenin temel bileşenleri Şekil 3.4. RF püskürtme sisteminin temel bileşenleri Şekil 3.5. Püskürtme prosesi ve basamaklandırılmış çarpışmaların şematik diyagramı 33 Şekil 3.6. Termal buharlaşma sisteminin basit şeması Şekil 3.7. Au/ZnO/n-GaAs Schottky diyotların hazırlanması... 40

13 xi Şekil Sayfa Şekil 4.1. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun (a) I V (b) Ln(I)-V karakteristikleri Şekil 4.2. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun Ln (I)-Ln (V) karakteristiği Şekil 4.3. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun Ri-V eğrisi Şekil 4.4. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun a) dv/din(i)-i b) H(I)-I karakteristikleri Şekil 4.5. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun doğru beslemden elde edilen F(V)-V karakteristiği Şekil 4.6. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs yapının Nss-Ec-Ess karakteristiği Şekil 4.7. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun frekansa bağlı C-V karakteristiği Şekil 4.8. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotu frekansa bağlı G/ω-V karakteristiği Şekil 4.9. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun farklı voltajlarda C-logf karakteristiği Şekil Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun farklı voltajlarda G/ω-logf karakteristiği Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun frekansa bağlı C -2 -V karakteristiği Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotu için Ri-V karakteristiği Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun iki farklı frekans için ölçülen C-V karakteristiği Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun voltaja bağlı arayüzey durumları yoğunluğunun (Nss) karakteristiği Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs yapının frekansa bağlı Gp/ karakteristiği... 68

14 xii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Vaksis Nano-D 4S magnetron püskürtme çemberinin fotoğrafı Resim 3.2. Vaksis Nano-D 4S RF püskürtme cihazının fotoğrafı Resim 3.3. Vaksis MIDAS termal buharlaştırma PVD/3T cihazının fotoğrafı Resim 3.4. Hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs Schottky bariyer diyotun fotoğrafı Resim 3.5. Deneysel ölçüm sisteminin şematik gösterimi... 41

15 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler A Å Au Açıklamalar Alan Angstrom Altın A* Richardson sabiti A** C Co Cox Csc Cm dox Ea Ev Ec EF Fn Eg o i s Hz K Etkin Richardson sabiti Kapasitans Boş Kondansatörün sığası Yalıtkan tabakanın kapasitansı Uzay yükü kapasitansı Ölçülen kapasitans değeri Yalıtkan/oksit tabakasının kalınlığı Aktivasyon enerjisi Değerlik (valans) bant kenarı enerjisi İletkenlik bant kenarı enerjisi Fermi enerjisi n- tipi bir yarıiletkenin iletkenlik bandı ile Fermi seviyesi arasındaki enerji farkı Yarıiletken yasak enerji aralığı Boşluğun elektrik geçirgenliği Yalıtkan tabakanın dielektrik sabiti Yarıiletkenin dielektrik sabiti Frekans birimi (Hertz) Termodinamik sıcaklık k Boltzmann sabiti m* Elektronun etkin kütlesi mo ND NA Serbest elektron kütlesi Verici katkı atomlarının yoğunluğu Alıcı katkı atomlarının yoğunluğu

16 xiv Simgeler Açıklama NC NV Nss Qsc q Rs Si GaAs GaN ZnO T V Vd VF VFill VR Vy Vyi VG Vo VD WD Y Z ՓB ՓBo Փs Փm Փe Ω İletkenlik bandının etkin taşıyıcı yoğunluğu Değerlik bandının etkin taşıyıcı yoğunluğu Arayüzey durum yoğunluğu Uzay yükü Elektrik yükü Seri direnç Silisyum Galyum arsenik Galyum nitrat Çinko oksit Mutlak sıcaklık Gerilim Difüzyon potansiyeli Doğru beslem voltajı Dolum voltajı Ters beslem voltajı Yalıtkan üzerine düşen gerilim Yarıiletken üzerine düşen gerilim Metal plakaya uygulanan gerilim Kesişme voltajı Difüzyon potansiyeli Tüketim tabakasının kalınlığı Admittans Empedans Potansiyel engel yüksekliği Sıfır beslem potansiyel engel yüksekliği Yarıiletkenin iş fonksiyonu Metalin iş fonksiyonu Etkin engel yüksekliği Yalıtkan tabaka kalınlığı Ohm Yakalama tesir kesiti

17 xv Simgeler Açıklama χs Ψs Öz direnç Elektron yakınlığı Yüzey potansiyeli Kısaltmalar a.c. d.c. C-V G/-V I-V MS MIS MFS SBDs SCLC SCTL Açıklama Alternatif akım veya voltaj Doğru akım veya voltaj Kapasitans-voltaj İletkenlik-voltaj Akım-Voltaj Metal/Yarıiletken Metal/Yalıtkan/Yarıiletken Metal/Ferroelektrik/Yarıiletken Schottky engel diyotları Sınırlı uzay yük akım Sınırlı uzay tuzak yükü

18

19 1 1. GİRİŞ Bir doğrultucu metal-yarıiletken kontağın engel oluşumuna dair bir modeli ilk defa öneren W. Schottky ye atfen Schottky engel olarak bilinir. Metal-yarıiletkenler hakkında bilgimiz bir yüzyıldan daha çoktur. F. Braun [1] 1874 de bakır, demir ve kurşun sülfat kristalleri üzerindeki metalik kontakların doğrultucu özellik gösterdiğini bildirdi. O zamandan bu yana birçok deneysel ve teorik çalışmalar yürütülmüş olsa da, metal-yarıiletken eklemler hakkında bildiklerimiz yeterli değildir. Bu belki de bu eklemlerin performansının işleme bağlı olması gerçeğinden dolayıdır. Açık bir yarıiletken yüzeyi üzerine metalik kablonun kontak edilmesiyle üretilen nokta kontak diyotlar kablosuz telgrafın ilk günlerinde radyo dalgası dedektörü olarak kullanılıyordu. Ancak bu diyotların yerlerini 1920 lerin ilk yıllarında geliştirilen vakum diyotlar aldı. Frekans dönüştürücü ve düşük seviye mikrodalga dedektörü olarak kullanılabilmesi nedeniyle nokta kontak diyotlar İkinci Dünya Savaşı yıllarında tekrar önemli hale geldi. Nokta kontak doğrultucuların karakteristiklerinin oldukça güvenilmez olduğu kanıtlanınca bu doğrultucuların yerini uygun şekilde hazırlanan yarıiletken yüzeyi üzerine ince metalik filmlerin kaplanmasıyla elde edilen doğrultucular aldı. Bu kontaklar çok daha iyi karakteristikler sergiledi ve bugünkü metal-yarıiletken kontaklara dair bilgimiz bu tarz cihazlar üzerine yürütülen çalışmalardan elde edildi lar Schottky engel diyotları üzerine gerçekleşen araştırma ve geliştirme çalışmalarının tekrar canlandığı yıllardı. Bu, metalik kontakların yarıiletken teknolojisindeki önemi nedeniyle hatırı sayılır bir boyutta gerçekleşti. Bu gelişmenin sonucunda, Schottky engellerin uygulama alanlarına yenileri eklendi lerdeki çalışmalar iki yöne doğruydu. İlk olarak, Schottky engelleri üzerine araştırma ve geliştirmeyle bir önceki on yılda edinilen bilgiler kullanılarak bu engellerin kullanıldığı cihazların endüstriyel üretimi gerçekleştirildi. İkinci olarak, metal-yarıiletken arayüzeyinin tam olarak anlaşılmasına yönelik yoğun çabalar sarfedildi. Metal-yarıiletken kontakların doğrultucu özelliğini anlaşılmasının ilk kısmı Schottky ve diğerleri [3] tarafından yapılan metal ile yarıiletken arasındaki arayüzeydeki potansiyel engeliydi. Daha sonra Schottky [4] ve Mott [5] engel oluşumunun mekanizmasını açıkladılar ve engel yüksekliğiyle engel şeklini hesaplamaya yönelik modeller önerdiler. Doğrultma işlemi, alternatif akımı doğru akıma çevirme işlemi olarak özetlenebilir. Metal yarıiletken

20 2 kontaklarda meydana gelen doğrultma işlemi, yarıiletkenin eklem tarafındaki tüketim tabakası tarafından sağlanır [4]. Son yıllarda gündelik hayatta kullandığımız elektrikli cihazların büyük çoğunluğu doğru akımla çalıştıklarından böyle bir işleme ihtiyaç duyulur. Metal yarıiletken kontaklar, yarıiletken tabanlı devre elemanların üretiminde önemli bir fonksiyona sahiptirler. Anılan kontaklar, metal yarıiletken arayüzeyin karekterine bağlı olarak Schottky (doğrultucu) omik kontak gibi davranırlar. İki metal arasında kontak gerçekleştiği durumda, bu kontağın her iki tarafındaki yüzey yükleri nedeniyle dipol tabakası meydana gelir. Oluşan bu kontakta elektronlar, her iki yönde serbestçe hareket edebilmeleri nedeniyle omik kontak olarak adlandırılır. Eğer, kontağı oluşturan maddelerden biri metal diğeri yarıiletken ise oluşacak kontak, omik veya doğrultucu olabilir. Doğrultucu kontak durumunda, elektronlar bir yönde kolayca hareket ederken, kontak bölgesinde oluşan potansiyel engeli nedeniyle ters yöndeki geçişler zorlaşır. Özellikle mor ötesi (UV) bölgede çalışan lazer diyot (LD), ışık yayan diyot ve yüksek kapasitede veri depolamaya olan ilgi ve ihtiyaç, günümüzde bilim insanlarını klasik III-V yarıiletken malzemelerinin yanı sıra yeni malzemeleri araştırmaya yöneltmiştir. Bu çerçevede, yasak enerji aralıkları daha geniş yarıiletkenler tercih edilerek, üzerinde uygulamalara yönelik oldukça önemli çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. II-VI grubuna ait bileşik yarıiletkenler, yasak enerji aralığı geniş olan yarıiletkenler olup, bunlar genellikle wurtzite kristal yapısına sahiptirler. Wurtzite kristal yapısında birim hücrede dört atom olup, atomların ikisi Zn ikiside O atomundan oluşmaktadır. [6-10]. ZnO, 3,2-3,4 ev aralığında değişen yasak enerji aralığına ve direk bant yapısına sahip n-tipi yarıiletkendir. Optik ve elektrik özelliklerinden dolayı elektro-optik uygulamalarında gelecek vaat eden bir malzeme olarak ifade edilmektedir [11-17]. ZnO'in bağ yapısının oldukça kuvvetli olması nedeniyle yüksek sıcaklıklarda çalışılabilen yüksek güç transistörlerinde de kullanılmasını mümkün kılmaktadır. ZnO, termal dengede iken wurtize yapıda, kübik alttabaka üzerine büyütüldüğünde kübik zin blede yapıda, oldukça yüksek basınç altında büyütüldüğünde cubic rocksalt yapıda büyür. [16-17]. Hekzagonal wurtzite (a=b c, α=β=900 ve γ=1200 ) yapının örgü değerleri c=5.205 Å, a=3.249 Å olan ZnO ince film, c ekseni boyunca tane yönlenmesi gösterir ve görünür bölgede saydam olup geçirgendir. Zehirli olmayan bu malzeme kolaylıkla katkılanabildiği gibi maliyeti de düşüktür. Genellikle oksitlerin pek çoğu kimyasal yönden kararlıdır ve havadaki oksijenle tepkimeye girmez. ZnO yarıiletkeni kadar ilgi gören ve araştırmalar sonunda ticari olarak

21 ta geliştirilmiş GaN yarı iletkeni kıyaslandığında ZnO'in GaN'e göre üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir [17].Yüksek kalitede bir ZnO, düşük yoğunluklu büyütülebilir. 3 İnce dilim alttaşlar üzerinde tek kristal yarıiletken tabakaların büyütülmesini içeren süreçte (Epitaxy) tabaka ve alttaş materyali aynı materyalin büyütüldüğü durumda (Homoepitaxyel) yüksek kalitede ZnO film büyütmek mümkündür. ZnO, Coulomb etkileşmesi nedeni ile bağlı elektron-deşik çiftlerinin yüksek bağlanma enerjisine sahip olmasından dolayı oda sıcaklığında çok güçlü mor ışık yayınlayabilir. GaAs yarıiletkeni de ZnO gibi geniş bant aralığına sahip olup doğrudan/direk bant aralığına ve o geleneksel silisyum ile kıyaslandığında daha yüksek doymuş elektron hızına ve yüksek mobiliteye sahiptir [13,14]. Genellikle, GaAs düşük güç ve yüksek frekans uygulamaları için aygıtlarda kullanıldı [18-20]. Yinede, sabit fermi enerjisi seviyesinin varlığı ve arayüzey yalıtkan tabakanın iyi kalitede olmayışı onların mikroelektronik endüstride kullanılmasına engel olmuştur [21-29]. Bu hoş olmayan durum metal ve yarıiletken arasında yüksek k-dielektrik sabitinin gösterilmesiyle ortadan kaldırılabilirdi. Bu durumun hem metal ve yarıiletken arasında ara-difüzyon sadece yüksek dielektrik materyal kullanılarak engellenelebileceğine, hem de pasivize edilmiş yüzey durumlarının çoğu ve dislokasyonların aygıt performansını geliştirebileceğine inanılıyordu. Bir başka ifadeyle, hem arayüzey tabakanın homojenliği hem de kalınlığı hesaplamalarda çok önemlidir. Yalıtkan tabakanın kalınlığı 30 Å dan daha az ise, dolan yüzey durumları veya tuzaklar metal ile temasa geçer iken onlar eğer yalıtkan tabakanın kalınlığı 30 Å dan büyükse yarıiletken ile temasa geçer. Ek olarak, yalıtkan tabaka kalınlığı yeteri kadar 500 Å dan büyük ve eşit olduğunda metal-yalıtkan-yarıiletken yapıları MIS tipi Schottky engel diyotlarıyla kıyaslandığında bir MOS kapasitör olarak adlandırılır Kapasitörler, filtrelemede yardımcı ve mikrofaradlar mertebesinde elektriksel enerji depolayan temel elektrik devresi elemanıdır. Kapasitörler başlıca iki uygulamaya sahip olup, bunlardan biri yük depolama veya yük boşaltma fonksiyonudur. Bu fonksiyon güç kaynaklarının doğrultucu devreleri, mikrobilgisayarların geri besleme devreleri ve zamanlayıcı devreler için elektriği boşaltmak veya depolama periyotlarında kullanılır. Metal/yarıiletken kontaklar, elektronik ve elektro optik sistemlerin devre elemanları teknolojisinde çok önemli işleve sahiptir. Bu kontaklar; güneş pilleri, metal yarıiletken

22 4 alan etkili transistörler, Schottky diyotlar, mikrodalga devre elemanları ve yarıiletken foto-detektörler gibi birçok devre elemanı yapımında kullanılan bir teknolojidir yılında Schottky ve Mott birbirlerinden habersiz olarak doğrultmanın gözlenen yönünün, elektronların, normal sürüklenme ve difüzyon şeklinde potansiyel engeli üzerinden geçişi ile açıklanabileceğini iddia etmişlerdir. Schottky-Mott teorisine göre, M/S arasında oluşan potansiyel engelin nedeni, metal ile yarıiletkenin iş fonksiyonları (Փm ve Փs) arasındaki nicelik farkından kaynaklanmaktadır. Yani, potansiyel engelinin büyüklüğü, metalin iş fonksiyonu ile yarıiletkenin elektron ilgisinin farkından elde edilmekteydi [5]. Fakat son zamanlarda yapılan deneysel çalışmalar, Schottky engel yüksekliğinin, metalin iş fonksiyonundan daha çok metal/yarıiletken kontağın hazırlanma yöntemleri ile ilişkili olduğunu göstermiştir [14-18]. Bu konuda yapılan değerlendirmeler sonucunda, bu teorinin eksikliğinin metal/yarıiletken arayüzünde bir tabakanın varlığının dikkate alınmaması olduğu ortaya çıkarılmıştır. Ancak kontağın hazırlanma şartlarına göre kalınlığı, kimyasal yapısı değişebilen ve çok ince de olsa metal/yarıiletken ara yüzeyindeki bir tabakanın varlığı pratikte her zaman mümkündür. Bu tabaka içinde olabilecek iyonlar nedeniyle ortaya çıkan elektronik arayüz hal yoğunlukları, yarıiletkene ait Fermi seviyesinin yasak enerji aralığındaki hareketini sınırlamaktadır (Fermi level pinning). Schootky-Mott teorisinin sadece ideal durumlar için geçerli olduğu daha sonra anlaşılabildi. Bu durum üzerine, metal/yarıiletken arayüzeyde yeterli sayıda lokal elektronik hallerin olması durumunda, potansiyel engel yüksekliğinin metalin iş fonksiyonundan bağımsız olacağını Bardeen yeni model olarak önerdi [4]. Bir devre elemanının istenilen performansta çalışabilmesi, devre yapısına ait bütün özelliklerin bilinmesine ve olabilecek olumsuzlukların giderilmesine bağlıdır. Dolayısıyla yarıiletken tabanlı elektronik devre elemanlarının, fiziksel ve elektronik özelliklerini ayrıntılı olarak incelemek önemlidir. Söz konusu araştırmaların amacı, bir taraftan bu yapıların fiziksel özelliklerini belirlemek, diğer yandan da fiziksel özelliklerden faydalanarak yeni devre elemanları geliştirmektir. Son yıllarda katıhal ve yarıiletken devre elemanları fiziğinde önemli gelişmeler sağlanmasına rağmen, Schottky diyotlarda Schottky engel yüksekliğinin oluşum mekanizmaları henüz tam olarak belirlenememiştir. MS kontaklarda Schottky engel yüksekliği kritik bir değer olup, son zamanlarda engel yüksekliğinin yapay olarak değiştirilmesi için çalışmalar sürdürülmektedir. Bu durumun sağlanması için metal ve yarıiletken, çeşitli yöntemlerle çok ince film tabakası ile kaplanmaktadır. Adı geçen arayüz tabakasının davranışı ve akım iletim mekanizmalarının

23 anlaşılabilmesi için araştırmalar devam etmektedir. Bu nedenle Schottky yapılarındaki arayüzey durumlarının karakteristik özelliklerinin belirlenmesi sayesinde daha kaliteli, daha uzun ömürlü ve daha hızlı Schottky yapılara sahip yarıiletken diyot, transistör ve entegre devrelerin geliştirilebilecek ve bu durumun bir avantaj ve bir özgünlük sağlayacağı düşünülmektedir. 5 Bu çalışma beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, Schottky engel diyotların tarihsel gelişimi, önemi ve kullanım alanları ile yapılan çalışmanın içeriği hakkında bilgi verildi. İkinci bölümde, Schottky engel diyotların yapısı ve temel bazı akım iletim mekanizmaları ile ilgili mevcut teoriler üzerinde duruldu. Üçüncü bölümde, Au/ZnO/n- GaAs tipi Schottky engel diyotların hazırlanması aşamaları ve kullanılan deneysel sistemi hakkında bilgi verildi. Dördüncü bölümde, hazırlanan diyotların C-V, G/ωV, I-V karakteristikleri 0,5 khz-500 khz gibi geniş bir frekans ve voltaj aralığında incelendi. Beşinci bölümde ise elde edilen deneysel sonuçlarla ilgili tüm grafik ve tablolarla ilgili yorumlar, mevcut literatür ile kıyaslanarak sonuçlar yorumlandı. Bu ve benzer konularda bundan sonra yapılacak çalışmalara katkısı olur düşüncesiyle bazı önerilerde bulunuldu.

24 6

25 7 2. METAL-YALITKAN-YARIİLETKEN (MIS) YAPILAR Bir Schottky kontak veya bir ohmik kontak bir yarıiletken üzerine metal kontak edildiğinde, taşıyıcı yoğunluğuna, arayüzey özelliklerine ve metal ile yarıiletken arasındaki iş fonksiyonunun farkına bağlı olarak oluşturulur. Schottky eklem diyotlarda aygıt performansını etkileyen ideal olmayan davranışların gözlenmesi arayüzey durumlarının varlığı ve oluşan doğal oksit tabakadan kaynaklanmaktadır. Önemli sayıda elektron tünelleme yoluyla yarıiletken yüzeyi üzerinde yeterince ince doğal bir oksit tabaka oluşturur ve M/Y arayüzeyindeki yalıtkan/oksit tabaka birçok içsel yüzey durumunu pasivize eder [30]. Bir metal ile bir yarıiletken arasında iki tip kontak oluşturulabilir. Bu kontaklar lineer olmayan doğrultucu akım-gerilim karakteristiğine sahip Schottky kontak (doğrultucu kontak) ve lineer akım-gerilim karakteristiğine sahip omik kontak olarak adlandırılır. Metal ile yarıiletken kontak edildiğinde oluşan engel yüksekliği iki malzemenin arasındaki iş fonksiyonlarından kaynaklanmaktadır. Փm metalin iş fonksiyonu, Փs de yarıiletkenin iş fonksiyonu olmak üzere, metal/n-tipi yarıiletken kontaklar için Փm>Փs durumunda doğrultucu kontak ve Փs>Փm durumunda ise omik kontak oluşur. Metal/p-tipi yarıiletken kontaklarda ise Փm>Փs durumunda omik kontak ve Փs>Փm durumunda ise doğrultucu kontak oluşur [30,31] Metal Yalıtkan Yarıiletken (MIS) Kontaklar Şekil 2.1 de metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) yapıların tabakaları ve bu yapının eş değer devresi görülmektedir. Sırasıyla Ci, Cs ve Cit yalıtkan, yarıiletken ve arayüzey durumlarının kapasitanslarıdır. Burada dox yalıtkan tabakanın kalınlığı, εox yalıtkan dielektrik sabiti ve VG ise dışarıdan yapıya plakaya uygulanan gerilimdir ve eşdeğer devrenin toplam kompleks admittansı, Y=1/z dir. Burada Y, Vg nin bir fonksiyonu ve biri kapasitans diğeri kondüktans olmak üzere elde edilen iki grafiğin uygunlaştırılması hesabına dayanır [31]. Vg gerilimi, metal plaka omik kontağa göre pozitif bir gerilim ile beslendiğinde pozitif, negatif bir gerilim ile beslendiğinde negatiftir. Bu yapının belirgin özellikleri paralel levhalı kondansatörde olduğu gibi yalıtkan ve yalıtkan-yarıiletken arayüzey özellikleri tarafından belirlenmektedir [32].

26 8 Şekil.2.1. Bir metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) yapının şematik gösterimi 2.2. İdeal Metal-Yarıiletken Kontakların Schottky-Mott Teorisi Bir metalin yarıiletken ile kontaklandığı zaman oluşan potansiyel engel metal-yarıiletken ara-yüzeyindeki yüklerin ayrımından dolayı ortaya çıkmaktadır, öyle ki; yarıiletkende hareketli taşıyıcıların bulunmadığı yüksek dirençli bölge oluşur. Oluşan engel yüksekliğini açıklayan ilk model Schottky ve Mott unkidir. Bu modele göre; engel iki malzemenin iş fonksiyonları arasındaki farktan kaynaklanmaktadır. Şekil 2 deki enerji band diyagramları engel oluşumu işlemini canlandırmaktadır. Şekil 2.2a Փm iş fonksiyonuna sahip bir metalin ve (Փm den küçük olan) Փs iş fonksiyonuna sahip n-tipi yarıiletkenin elektron enerji band diyagramlarını göstermektedir. Bir metalin iş fonksiyonu Fermi seviyesindeki bir elektronu vakum seviyesine çıkarmak için gereken enerji olarak tanımlanır. Vakum seviyesi metalin hemen dışında elektronun sıfır kinetik enerjiyle bulunduğu enerji seviyesidir ve Şekil 2.2a da gösterilen referans seviyesidir. İş fonksiyonu Փm kristal örgünün periyodik potansiyeli nedeniyle bir hacim katkısına sahiptir ve yüzeydeki dipol katmanın varlığı nedeniyle de yüzey katkısına sahiptir. Yarıiletkenin iş fonksiyonu Փs benzer şekilde tanımlanır ve yarıiletkendeki Fermi seviyesinin katkılamaya göre değişkenlik göstermesi nedeniyle değişken bir niceliktir. Katkılamaya bağlı olmayan önemli bir yüzey parametresi ise vakum seviyesinde ve iletim bandının alt kenarında bulunan bir elektronun enerji farkı olarak tanımlanan elektron afinitesi χs dir. İş fonksiyonları Փm ve Փs ile elektron afinitesi (elektron yakınlığı) χs genellikle elektron volt (ev) cinsinden verilir. Şekil 2.2a daki yarıiletkenin yüzeyde herhangi bir yükünün olmadığını, dolayısıyla yüzeyin bant yapısının yığınsalın (bulk) bant yapısıyla aynı olduğunu ve band bükülmesinin olmadığına dikkat ediniz.

27 9 Şekil 2.2. Փm>Փs durumunun geçerli olduğu metal/n-tipi yarıiletken (MS) kontağa ait elektron enerji bant diyagramı a) Nötr malzemelerin birbirlerinden ayrı olduğu durum ve b) Kontak yapıldıktan sonra termal denge durumu [4] Şekil 2.2b malzemelerin kontak edilerek dengenin sağlanmasından sonraki haline ait enerji band diyagramını göstermektedir. İki malzeme birbirleriyle kontak haline getirilince, metaldeki elektronlardan daha yüksek enerjiye sahip olan yarıiletkenin iletim bandındaki elektronlar her iki taraftaki Fermi seviyesi eşitleninceye kadar metale doğru akarlar. Elektronlar yarıiletkenden metale doğru aktıkça yarıiletkenin metal sınırındaki serbest elektron yoğunluğu azalır. Azalan elektron yoğunluğuyla birlikte iletim bandı Ec ve Fermi seviyesi EF arasındaki enerji farkının artmasından dolayı ve termal dengede EF nin sabit kalmasından dolayı iletim bandı Ec Şekil 2.2b de gösterildiği gibi bükülür. Metale geçiş yapan iletim bandı elektronları arkasında pozitif yüklü iyonize vericiler bırakır, dolayısıyla metal sınırındaki yarıiletken bölgesi hareketli elektronlarca tükenmiş olur. Böylece, arayüzeyin yarıiletken kısmında bir pozitif yük bölgesi oluşur ve metale geçiş yapan elektronlar kalınlığı arayüzeyden itibaren kalınlığı Thomas-Fermi mesafesi (~0,5 Å) kadar olacak şekilde ince bir negatif yük bölgesi oluşturur. Sonuç olarak, Şekil 2.2b deki gibi yarıiletkende metale doğru bir elektrik alan oluşur. Yarıiletkende fark edilebilir kalınlıkta bir uzay yük tabakası oluşur, çünkü yarıiletkendeki verici yoğunluğu metaldeki elektron yoğunluğunda birkaç derece azdır. Şimdi yarıiletkendeki enerji bantlarının ne kadar büküleceğini inceleyelim. Yarıiletkenin bant boşluğunun metal ile kontak haline getirilmesiyle değişmeyeceği açıktır; valans bandı kenarı Ev iletim bandı Ec ye paralel olacak şekilde yukarıya hareket eder. Ayrıca, yarıiletkendeki vakum seviyesi de Ec ile aynı davranışı sergiler. Bu, yarıiletkenin elektron

28 10 afinitesinin metal ile kontak edilmesinden sonra dahi değişmeyeceğinin kabul edilmesinden dolayıdır. Böylece, termal dengedeki bir metal-yarıiletken sistem için engel yüksekliğini belirleyen önemli nokta vakum seviyesinin geçiş bölgesi boyunca sürekli kalmasıdır. Bu yüzden, yarıiletken tarafındaki vakum seviyesi sürekliliği sağlamak adına metal tarafındaki vakum seviyesine yaklaşmalıdır. O zaman, bandlardaki bükülmenin büyüklüğü iki vakum seviyesi arasındaki farka, yani iş fonksiyonları arasındaki farka eşittir. Bu fark qvi = (Փm-Փs) eşitliğiyle verilir ki; burada Vi volt cinsinden verilen eklemin difüzyon potansiyeli (yerleşik) potansiyeli olarak da bilinen kontak potansiyel farkıdır. qvi açıkça yarıiletkenden metale hareket eden elektronların aşması gereken potansiyel engeldir. Fakat metalden yarıiletkene olan engel farklıdır ve aşağıdaki eşitlikler yardımıyla elde edilir; ՓB = (Փm - χs) (2.1) Փs = (Փn + χs) (2.2) Eşitlikleri kullanılırsa; ՓB=(qVi+Փn) (2.3) Burada Փn Fermi seviyesinin yarıiletkenin band boşluğundaki girginliğidir ve Փn=Ec-Ef eşitliğiyle verilir. Eş. 1 birbirlerinden bağımsız olarak Schottky [30] ve Mott [31] tarafından bulunmuştur. İlerleyen bölümlerde Schottky limiti olarak bahsedilecektir. Eş. 1 elde edilirken, Փm ve Փs deki yüzey dipol katkılarının metalin yarıiletkenle kontak edilmesinden sonra değişmediği kabul edilmiştir. Şekil 2.2b de elde edilen kontağın doğasını göz önüne alalım. Potansiyel engelinin tam şekli uzay yük tabakasındaki yük dağılımından hesaplanabilir. Birçok durumda engel yüksekliği ՓB, termal enerji (kt/q) dan kat kat büyüktür ve yarıiletkendeki uzay yük bölgesi hareketli yüklerden yoksun olan yüksek dirençli tükenim bölgesi haline dönüşür. Bu durumda, engelin şekli yarıiletkendeki verici dağılımından elde edilir. Schottky [30] metal arayüzeyine doğru yarıiletkenin düzgün şekilde katkılandığını kabul eder ki; bu durum tükenim bölgesinde düzgün yük yoğunluğuna neden olur. Bu sabit

29 uzay yük için elektrik alan kuvveti uzay yük tabasının sınırından itibaren uzaklıkla birlikte lineer olarak artar ve oluşan parabolik engel Schottky engeli olarak bilinir. Mott ise düzgün katkılı yarıiletken ile metal arasında sandviçlenmiş, herhangi bir yükten yoksun bir ince yarıiletken tabaka olarak kabul etmiştir. Bu ince bölgedeki elektrik alan kuvveti sabit ve bölge boyunca potansiyel lineer olarak artar. Bu tip engel Mott engeli olarak bilinir. Mott engeli neredeyse intrinsik yarıiletken gibi az katkılı ve ince bir tabakanın metal ve yüksek katkılı yarıiletken arasında konulmasıyla ortaya çıkar. 11 Şimdi Şekil 2.2b de gösterilen kontağın doğrultucu kontak olduğu gösterilecektir. Şekil 2.3. Metal/n-yarıiletken (MS) kontağa ait elektron enerji bant diyagramları a) Termal denge durumu b) İleri besleme durumu ve c) Ters besleme durumu [4] Şekil 2.3a kontağın termal enerji bant diyagramını göstermektedir. Denge durumunda, yarıiletken metale engel boyunca geçiş yapan elektronların miktarı ters yönde engel boyunca geçen elektronların miktarı tarafından dengelenmektedir ve net akım gerçekleşmez. Yarıiletkendeki tükenim bölgesinin az miktarda hareketli taşıyıcı içermesinden dolayı metalin ve nötr yarıiletkenin direncine kıyasla tükenim bölgesinin direnci çok daha büyüktür ve pratikte uygulanan tüm dış voltaj bu bölgede görülür. Uygulanan voltaj bantların toplam kavisini değiştirerek ve tükenim bölgesi boyunca gerçekleşen voltaj düşmesini modifiye ederek denge bant diyagramını değiştirir. V=VF voltajıyla yarıiletken metale göre negatif olduğunda, tükenim bölgesi genişliği daralır ve

30 12 Şekil 2.3b de görüldüğü gibi bu bölge boyunca olan voltaj Vi den (Vi-VF) ye düşer. Yarıiletken tarafındaki elektronlar bu durumda daha düşük bir engelle karşı karşıya kalırlar ve bunun sonucunda yarıiletkenden metale doğru olan elektron akımı termal denge durumuna kıyasla artmış olur. Metalden yarıiletkene olan elektron akımında ise denge durumundaki değerine göre bir değişiklik oluşmaz. Bu durum, metal boyunca voltaj düşmesinin olmamasından dolayı ՓB nin beslem voltajından etkilenmemesinin bir sonucudur. Böylece, yarıiletken üzerindeki negatif beslem için, metalden yarıiletkene doğru akıma neden olan, yarıiletkenden metale doğru net bir elektron akımı vardır. Bu kutuplanma nedeniyle, eklemin düz beslendiği söylenir. Düz beslem akımı uygulan VF voltajıyla birlikte üstel olarak artar. Ters beslemdeki bir kontağın enerji bant diyagramı Şekil 2.3c de gösterildiği gibidir. Burada, yarıiletken metale göre V=-VR voltajıyla pozitif beslenmiştir ve tükenim bölgesi boyunca olan potansiyel düşmesi (Vi+VR) ye artmıştır. Metalden yarıiletkene olan akım pratikte değişmezken, yarıiletkenden metale doğru olan elektron akımı bu sebeple dengedeki durumuna göre düşmüştür. Bu, düz yönde olana kıyasla küçük olan, yarıiletkenden metale doğru ters yönde bir akım oluşmasına neden olur. Böylece, kontak bir doğrultucu metal-yarıiletken kontaktır. Şekil 2.3b ve 2.3c de verilen enerji bant diyagramlarının denge durumu dışındaki durumlara karşılık geldiği ve tek bir Fermi seviyesi içermeyeceğine dikkat ediniz. Elektronların harekete başladığı bölgedeki Fermi enerjisi elektronların hareketini tamamlayarak aktığı bölgedeki Fermi enerjisine kıyasla daha büyüktür. Yukarıdaki tanımlamalar yalnızca iş fonksiyonu metalin iş fonksiyonundan küçük olan n-tipi yarıiletkenlere uygulanabilir. Փm < Փs durumunun geçerli olduğu bir p tipi yarıiletkenin elektron enerji bant diyagramı Şekil 2.4 de gösterildiği gibidir.

31 13 Şekil 2.4. Փm<Փs durumunun geçerli olduğu metal/n-yarıiletken (MS) kontağa ait elektron enerji bant diyagramı (a) Nötr malzemelerin birbirlerinden ayrı olduğu durum (b) kontak yapıldıktan sonra termal denge durumu (c) yarıiletken üzerine ters beslemin uygulandığı durum ve (d) yarıiletken üzerine düz beslem uygulandığı durumu [4] Şekil 2.4a malzemeler birbirinden ayrıyken enerji bantlarının durumunu göstermektedir. Kontak yapıldığı zaman elektronlar geride pozitif yük bırakarak metalden yarıiletkenin iletkenlik bandına doğru akarlar ve sınırın yarıiletken tarafında elektron yığılımına yol açarlar. Dengeye ulaşıldığında yarıiletkendeki Fermi seviyesi Şekil 2.4b deki gibi Փs - Փm miktarı kadar artar. Yarıiletkendeki yığılım tabakası yükleri Debye uzunluğu mertebesindeki bir kalınlık arasındadırlar. Metaldeki elektronların yoğunluğunun oldukça çok olmasından dolayı, metal tarafındaki pozitif yükler metal-yarıiletken arayüzeyinden 0,5 angstrom uzaklıkta yüzey yükü olarak sınırlandırılmışlardır. Yarıiletkende herhangi bir tükenim bölgesinin oluşmadığı açıktır ve yarıiletkenden metale veya tam tersi yöndeki elektron akışı için herhangi bir potansiyelin bulunmadığı da aşikardır. Arayüzeye yakın bölgedeki elektron yoğunluğu artmış olur ve sistemdeki en yüksek dirençli bölge yığınsal yarıiletken bölgedir. Pratikte dışarıdan uygulanan tüm voltaj, Şekil 2.4c ve Şekil 2.4d deki gibi her iki akım yönü için de bu yığınsal bölge üzerine düşer. Böylece akımın, yığınsal bölgenin direnci tarafından belirlendiği ve uygulanan beslemin yönünden bağımsız olduğu açığa kavuşmuş olur. İşte bu tip doğrultucu olmayan kontaklar omik kontak olarak adlandırılır.

32 14 M/S arayüzeyindeki yalıtkan tabakadan dolayı metal ve yarıiletken arasında bir kapasitans oluşur. Kondansatörlerin özelliklerini metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan tabaka ve yalıtkan yarıiletken arayüzeyi belirler. Oluşan kapasitans yalıtkan tabakanın dielektrik sabitine bağlıdır. Bir MIS yapının kapasitansına karşılık gelen eşdeğer devre Şekil 2.4 de gösterilmiştir. Uygulanan gerilimde küçük diferansiyel değişimler varsa MIS yapının kapasitansı C, yalıtkan tabakanın kapasitansı Cox ve uzay yükü kapasitansı Csc olarak gösterilebilir. Bunların eşdeğer kapasitansları bize MIS kapasitansını verecektir. Uygulanan gerilimde çok küçük diferansiyel değişimlerin olduğunu varsayarak MIS yapının yalıtkan ve uzay yükü bölgesinin kapasitansları sırasıyla aşağıdaki gibi tanımlanabilir: dq C (2.4a) dv m Aox G dq m Cox Aox (2.4b) dvox C sc dq sc Aox (2.5) d s Burada Aox metal ile yarıiletken arasında kalan yalıtkan tabakanın alanı, diğer bir ifadeyle MIS doğrultucu kontağın alanıdır. Metal C ox Yalıtkan d ox C sc Yarıiletken Şekil 2.5. Bir Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) yapının eşdeğer kapasitans devresi

33 Şekil 2.5 den de görülebileceği gibi MIS yapının eşdeğer kapasitansı, yüzey yük kapasitansı Csc ile yalıtkan/oksit kapasitansı Cox in seri olarak bağlandığı durumu temsil eden aşağıdaki denklem yardımıyla elde edilebilir C 1 1 C sc C ox (2.6) Burada yalıtkan oksit kapasitansı Cox C ox ox Aox (2.7) d ox eşitliği ile verilir. Burada εox yalıtkan tabakanın dielektrik sabiti, dox ise onun kalınlığıdır. Bunlar uygulanan gerilimden bağımsız olduklarından dolayı Cox de uygulanan gerilimle değişmez. Böylece MIS yapının kapasitansındaki değişimi yalnız Q SG uzay yükü kapasitansı belirler. Uygulanan gerilime bağlı olarak MIS kapasitansında meydana gelen durumlar Şekil 2.5 de gösterilmiştir ve bahis konusu durumlardan p-tipi için olanı aşağıda açıklanmıştır [33,35]. Yığılım: P-tipi yarıiletkenli MIS yapılarda metale negatif gerilim (V<0) uygulandığında, bu gerilimden dolayı oluşan elektrik alan, yarıiletkenin çoğunluk yük taşıyıcısı olan deşikleri yarıiletken arayüzeyine doğru çeker dolayısıyla yarıiletkendeki değerlik (valans) elektronları bandının tepesi yukarı doğru bükülür ve Fermi seviyesine yükselir (Şekil 2.5a). İdeal bir diyotta yük akışı olmadığı zaman Fermi enerji seviyesi yarıiletkende sabit kalır. Bunun nedeni EF EV enerji farkının üstel olarak taşıyıcı yoğunluğuna bağlı olmasıdır. Dolayısıyla, bant bükülmesi yarıiletken yüzeyinin yakınında çoğunluk taşıyıcı olan deşiklerin yığılmasına neden olur. Değerlik (valans) bandının yarıiletken arayüzeyinde Fermi seviyesine yaklaşmasıyla, yasak enerji bant aralığı sabit olduğundan iletim bandı da yukarı doğru bükülür, söz konusu duruma yığılma (accumulation) durumu denir. Yığılma durumunda arayüzeyde biriken yük yüzey yükü olduğundan dolayı uzay yük kapasitansı sonsuza gideceğinden ( C sc ) toplam kapasitans değeri de Cox e gidecektir ( C Cox ).

34 16 E F V < 0 E C E i E F E V E F V > 0 E C E F E i E V (a) V > 0 E F E C E i E F E V E F V < 0 E C E F E i E V (b) V >> 0 E C E F E i E F E V E F V << 0 E C E F E i E V p tipi (c) n tipi Şekil 2.6. V 0 durumunda a) Yığılım, b) Tükenim ve c) Tersinim bölgeleri için ideal MIS yapının enerji-bant şeması Tükenim: P-tipi yarıiletkenli MIS yapılarda metale küçük bir pozitif gerilim (V>0) uygulandığında yalıtkan içinde oluşan elektrik alan yarıiletken arayüzeyindeki deşikleri yüzeyden uzaklaştırır. Yarıiletken yüzeyindeki deşik yoğunluğu, yarıiletkenin iç kısımlarındaki deşik yoğunluğundan küçük olmaya başlar ve bantlar aşağı doğru bükülür (Şekil 2.6b).

35 İletim bandının yarıiletken yüzeyine yakın bölgelerinde, elektronlar toplanmaya başlar. Yarıiletken yüzeyinde uygulanan gerilimle değişen, belirli bir genişlikteki bölgede deşiklerin azaldığı tükenim bölgesi olarak adlandırılan bölge oluşur. Bu olayda bantlar aşağı doğru bükülür ve çoğunluk yük taşıyıcısı deşikler arayüzey bölgesinde tükenirler. Dolayısıyla bu duruma tükenim (depletion) durumu denir. Uygulanan gerilim arttığında ise tükenim tabakası yük dengesi için çok sayıda alıcı iyonları sağlamak durumunda kalacağından dolayı genişler. Tükenim bölgesinin genişliği aşağıdaki eşitlik ile bulunabilir. 17 W D 1 1 s Aox ( ) (2.8) C C ox Bu denklemde εs, Aox ve Cox sırasıyla yarıiletkenin dielektrik sabiti, doğrultucu kontağın alanı ve yalıtkan oksit kapasitansıdır. Tükenim durumunda uzay yükü yoğunluğu Q q. N. W Q (2.9) sc a a eşitliği ile verilir. Burada yüküdür. N a iyonlaşmış alıcı yoğunluğu, Qa ise birim yüzeydeki alıcı Bu bölgede MIS kapasitansını, uzay yükü kapasitansı ve yalıtkan kapasitansı belirler. Yüksek frekansta gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların tekrardan birleşme hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir. Bu durum C-V eğrisinin Cmin un altına düşmesine sebep olur. Bu dengesiz bir durum olup, derin tükenim olarak tanımlanır. Tersinim: P-tipi yarıiletkenli MIS yapılarda metale büyük bir pozitif gerilim (V>>0) uygulandığı zaman bandlar aşağı doğru oldukça fazla bükülür ve böylece saf durumdaki enerji seviyesi Ei, Fermi enerji seviyesi EF nin altına düşer (Şekil 2.6). Bu durumda yarıiletken yüzeyinde azınlık taşıyıcı olan elektronlar artmaya başlar ve elektron yoğunluğu deşik yoğunluğundan büyük olur. Bu aşamadan sonra p-tipi yarıiletken yüzeyi n-tipi yarıiletken gibi davranır. Sözü edilen duruma tersinim (inversion) durumu denir. Bu durumda oluşan uzay yükü, Qsc=Qn+Qa (2.10)

36 18 eşitliği ile verilir. Burada Qn tersinim bölgesinde birim yüzeydeki elektronların yükü, Qa ise birim yüzeydeki alıcıların yüküdür. Bu bölgede MIS kapasitansını, elektron yoğunluğunun, uygulanan gerilimin a.c. sinyalini takip edebilme yeteneği belirler. Yapılan çalışmalarda uygulanan a.c. gerilimin düşük frekansa sahip olması durumunda MIS yapının kapasitansına ilave bir kapasitans değerinin dahil olduğu tespit edilmiş ve bu durum arayüzey durumları (Nss) ile ilişkilendirilmiştir. Söz konusu durum ilerleyen bölümlerde daha detaylı olarak incelenecektir. Elektron yoğunluklu a.c. sinyali düşük frekanslarda izlenebilir ve kapasitans, artan gerilimle yalıtkan kapasitansının değerine ulaşır. Ara frekanslarda ise a.c. sinyali daha yavaş takip edebilir, dolayısıyla frekansın değerine bağlı olarak ara frekans eğrileri görülür, yüksek frekanslarda ise takip edilemez. Sabit yük, uzay yükü gibi etki eder ve kapasitans C min de kalır. Yüksek frekansta gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların yeniden birleşme (rekombinasyon) hızına bağlı olarak tersinim yükünün daha geç birikmesine, bu durumda eğrinin C min in altında değerler almasına sebep olur. İdeal bir MIS yapıda yığılım, tükenim ve tersinim durumları için devre şeması Şekil 2.7 deki gibidir [35]. C ox (a) C ox C tükenim (b) (c) C ox C tükenim C tersinim Şekil 2.7. İdeal bir MIS yapının a) Yığılım, b) Tükenim ve c) Tersinim bölgelerine karşılık gelen devre şeması 2.3. Gerçek MIS Yapısı MIS yapıya bakıldığında, ideal bir yalıtkanın içerisinde veya yarıiletken ile birleşim yüzeyi arasında herhangi bir hareketli yük bulunmadığı görülür. Fakat gerçek yapılarda yalıtkan ve yarıiletken arayüzeyi hiçbir zaman elektriksel olarak nötr değildir. Doymamış bağlardan

37 veya safsızlıklardan kaynaklanan yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde arayüzey durumları olarak adlandırılan tuzaklanmış yükler ve oksidasyon sırasında uygulanan yönteme bağlı olarak bazı durumlar ortaya çıkar ve bu durumlar MIS yapının ideal özelliklerinden sapmasına neden olur [24]. Gerçek bir MIS yapısında birçok durumlar ve yükler mevcuttur. Bunlar sırayla yalıtkan içindeki hareketli iyonlar, numunenin radyasyona maruz kalmasıyla oluşan iyonize tuzaklar, yarıiletken yüzeyinde veya yakınında yerleşmiş olan ve uygulanan elektrik alan altında hareketsiz olan sabit yüzey yükleri ile yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde yasak bant aralığı içinde enerji seviyeleri gibi tanımlanan arayüzey durumlarıdır [35]. Şekil 2.8 den görüldüğü gibi yalıtkan arayüzey tabaka metal ile yarıiletkeni hem birbirinden izole eder hem de metal ile yarıiletken arasındaki yük geçişlerini düzenler. Bu yalıtkan tabaka doğal olarak ya da termal oksidasyon veya püskürtme yöntemiylede istenilen kalınlıkta oluşturulabilir. Metal ile yarıiletken arasındaki bir yalıtkan tabaknın varlığı, yapının ideal durumdan sapmalara neden olur. Ancak yüksek dielektrik sabitli bir arayüzey tabakasının kullanılması yapının performansını arttırabilir. Yani diyotta oluşan kaçak akımları (leakage current), seri direnci ve arayüzey durumlarını azaltabilir. Diğer taraftan da diyotun kısa devree direnci ve doğrultma oranınıda arttırabilir. Bunlar, bir diyotun performansını arttıran sonuçlardır. Metal ile yarıiletken arasında oluşan arayüzey davranışlarının/tuzaklarının genel bir sınıflandırılması aşağıdaki gibi yapılabilir. 19 Yarıiletken Yalıtkan Metal Li + K + Hareketli (Mobil) iyonik yükler Oksitte tuzaklanmış yükler Sabit oksit yükleri Arayüzeyde tuzaklanmış yükler Si SiOx SiO2 Au Şekil.2.8. İdeal olmayan MIS yapısında arayüzey durumları ve yüklerin sınıflandırılması

38 20 Hareketli İyonlar: Hareketli iyonlar (yükler), bir MIS yapıda ya metal-yalıtkan arayüzeyinde ya da yarıiletken-yalıtkan arayüzeyinde bulunurlar. Bu iyonlar genellikle Na+, K+, Li+, H+, H3O+ gibi iyonlarıdır [36]. Hareketli iyonların yapıdaki hareketsiz yüklerden ayrımı beslem sıcaklığı ile yapılabilir. Yapı içerisinde hareketli iyonların ortaya çıkması bir takım etkenlere bağlanabilir. Bunlardan önemli olan bazı durumlar; kullanılan kimyasal maddelerin bu iyonları içinde bulundurması, mekanik parlatma esnasında çıplak elle yapılan temasların vuku bulması, oksitleme fırınlarındaki kuartz tutucularının kirli olması ve oksitleme gazlarında bulunan safsızlıklar olarak sıralandırılabilir. Düşük sıcaklıklarda bu iyonların oksit içindeki hareketlilikleri artacağından iyonların sürüklenmesi gözlenebilir. Bu yükler uygulanan elektrik alanda altında hareket ettiklerinden MIS yapısının kararlılığını büyük ölçüde bozarlar. İyonlaşmış tuzaklar: Kimyasal yapı bozukluklarından ve radyasyondan kaynaklanan bu tuzaklar yalıtkan içinde bulunurlar ve yarıiletken arayüzeyi ile yük alışverişi yaparlar. Böylece yalıtkan oksit ve yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde ilave bir yük oluştururlar. İyonlaşmış tuzaklar elektron yakalayarak yüksüz hale geçerler. Anılan tuzaklar kapasitansvoltaj eğrisine etki ederler. Gerilimi negatif değerlerden pozitif değerlere doğru artırırken ölçülen kapasitans değerleri ile gerilimi pozitif değerlerden negatif değerlere doğru artırırken ölçülen kapasitans değerleri arasında farklılıkları gösteren kapasitans-voltaj eğrisinde histeresis etkisi gözlenir. Kapasitans-gerilim eğrisinin iki yönde ölçülen değerlerindeki kayma miktarı oksit içindeki tuzakların miktarını verir. Dolayısıyla histeresis yük yoğunluğu: VHisFBCox QHis (2.11) q şeklinde yazılır. Burada VHisFB düz banttaki kayma miktarıdır. Sabit oksit ve arayüzey yükleri: Sabit oksit ve arayüzey yükleri, yalıtkan içinde ve yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde bulunurlar. Yalıtkanla, yarıiletkenin kristal yapılarının farklı olmasından dolayı oksidasyon esnasında yarıiletkenden yalıtkan tabakasına geçerken kaçınılmaz olan kristal bozuklukları yerel yüklere neden olurlar.

39 n-tipi ve p-tipi yarıiletkenlerin her ikisi için, ideal C-V eğrisine göre, uygulama geriliminin negatif değerlerine doğru C-V eğrisinin kaymasına pozitif sabit oksit yükleri (+Qf), C-V eğrisinin ileri pozitif uygulama gerilimine doğru kaymasına da negatif sabit oksit yükleri (- Qf) sebep olurlar [37]. Bu yüklerin başlıca özelliği, yalıtkan-yarıiletken yapısına uygulanan gerilimden, yük durumlarının bağımsız olmasıdır. Yarıiletken ile bu yük merkezleri arasında yük alışverişi olmaz. Aynı zamanda, yalıtkan oksidin büyüme hızı, oksitleyen gaz ve sıcaklık gibi bir takım büyüme koşulları yük yoğunluğuna etki eder [38]. 21 MIS kapasitansı eğrisinde sabit yükün etkisi, gerilim ekseni boyunca C-V eğrisinin paralel kaymasıdır ve V kayma miktarı, Q fc Qox V q (2.12) C C ox ox şeklinde yazılır. Sabit oksit yüklerinin sebep olduğu kaymadan faydalanılarak yalıtkan içindeki sabit pozitif yük yoğunluğu Qox, yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde oluşan toplam yük Qeff ve arayüzey yük yoğunluğu Qss hesaplanır. Buna göre Qox, Qeff ve Qss ; VMGC q ox Q (2.13a) ox Q eff VFBC q ox (2.13b) Q ss Q eff Q ox (2.13c) bağıntılarıyla verilir. Burada, VMG gerçek ve ideal C-V eğrilerinin bant ortasındaki gerilim kaymasını ve VFB düz bant durumunda gerilim kaymasını göstermektedir. Düz bant gerilim kaymasına, yalıtkan içine enjekte olmuş yükler ya da yalıtkan içindeki hareketli yükler neden olabilir [39].

40 22 Arayüzey durumları: Shockley, Taam ve diğer bilim adamları tarafından teoriksel olarak araştırılan arayüzey durumları, kısa bir zamanda yarıiletkenle yükleri değişebilen, yalıtkanyarıiletken arayüzeyinde yasak bant aralığı içindeki girilebilir enerji seviyeleri olarak tanımlanır. Arayüzey durumları verici veya alıcı tipte olabilirler [4,5]. Alıcı, enerji seviyesi dolu ise negatif yüklü, boş ise yüksüzdür. Verici, enerji seviyesi dolu ise yüksüz, boş ise pozitif yüklüdür. Bir gerilim uygulandığında, arayüzey tuzak seviyeleri, Fermi seviyesi geride sabit kalırken, değerlik ve iletkenlik bantları ile aşağı ve yukarı hareket ederler. Arayüzey tuzaklarındaki yükün değişimi, arayüzey tuzakları iletkenlik bandı ve değerlik bandı ile yük alışverişi yapmasıyla meydana gelir. Bu yükün değişimi MIS kapasitansına katkıda bulunur ve ideal MIS eğrisini değiştirir. Arayüzey durumlarının elektriksel etkileri şu niceliklere ayrılabilir: Kapasite: Bir arayüzey duruma, arayüzeyde izin verilen başka bir durumun eklenmesiyle meydana gelir. Bu yüzden durum başına temel yükün bir kapasitesi eklenir. Bu kapasite uygulanan gerilimin keskin bir pikidir. Fermi seviyesi arayüzey durum seviyesini aştığı için pik gerilim için görülür. İletim: Arayüzey durumları tarafından taşıyıcıların yayınlanması ve yakalanması sonsuz hızda olmadığından zaman gecikmesi yaşanarak birleştirilir. Bu zaman gecikmesi arayüzey durumunun bir RC devresiyle özdeşleştirilmesiyle açıklanır. Bu zaman kayması aynı zamanda dolum boşalım zamanıdır ve = 1/(Rss.Css) bağıntısı ile verilir ve Rss arayüzey direncidir [37]. Devredeki arayüzey kapasitansı Css aşağıdaki eşitlikle verilir: C ss Q ss Aox (2.14) ss Arayüzey potansiyeli: Yukarıda ifade ettiğimiz kapasite ve iletim a.c. etkisindedir. Arayüzey durumları bunlara ek olarak bir d.c. etkisine de sebep olur. Arayüzey

41 durumlarında depo edilmiş yük, arayüzey elektrik alanını değiştirir. Arayüzey durumları varken arayüzey potansiyelini değiştirmek için ideal durumdan daha fazla gerilim uygulanması ihtiyacı ortaya çıkar. Bu etki kapasite-gerilimin zorunlu genişlemesi (stretch out) olarak gözlenir. 23 Arayüzey durumları C-V eğrisinin ideal C-V eğrisine göre kaymasına sebep olur. Arayüzey durumlarının birim enerji ve birim alan başına durum yoğunluğu; N ss Qss (2.15) E ile verilir. Yani, birim enerji başına birim arayüzey durum yükü olarak tanımlanır. Burada E enerji olup E= q.ψs ile verilir. E nin diferansiyeli alınırsa de=q.dψs elde edilir. Bunu (2.15) eşitliğinde yerine koyup tekrar düzenlersek durum yoğunluğu: N ss Q ss E Q ss s s E 1 Q q ss s (2.16) şeklinde yazılır. Arayüzey durumlarında bulunan Qss yük yoğunluğu yarıiletkendeki katkı yoğunluğu ve oksit kalınlıklarından etkilenmez [36]. Bir elektron veya deşik tarafından bir arayüzey durumunun işgal edilme olasılığı, bu yüzey durumunun safsızlık enerji seviyelerindeki gibi Fermi seviyesiyle belirlenir. Bu şekilde yüzey potansiyeli değiştikçe arayüzey durumun enerji seviyesi de onunla hareket eder. Sonuçta Fermi seviyesinin bu bağıl değişikliği bir elektron tarafından bu arayüzey durumunun işgal edilme olasılığının değişimine sebep olur. Arayüzey durumları, uzay yükü kapasitansına paralel kapasitans ve seri direnç etkisi yaptığında temel eşdeğer devre Şekil 2.9 da verildiği gibidir.

42 24 C ox C ox C sc C ss C sc C ss R ss R ss (a) (b) Şekil 2.9. MIS yapısının eşdeğer devresi. a) Bir enerji seviyesi için b) Birbirinden farklı enerji seviyeleri için

43 25 3. DENEYSEL YÖNTEM 3.1. ZnO Tabakasının Özellikleri ZnO yarıiletken cihazların uygulamaları için oldukça umut verici bir malzemedir [40-45]. Yakın UV-spektral bölgede geniş bir bant aralığına sahiptir ve oda sıcaklığının üzerinde eksitonik emisyon işlemlerini gerçekleştirebilsin diye büyük bir serbest eksiton bağlanma enerjisine sahiptir [46-50]. ZnO Şekil 3.1a dan görüldüğü gibi hekzagonal yapıda bir kristal olup Şekil 3.1b de maksimum valans bandı enerji diyagramı verildi. Doğal yüzey üzerine ZnO filmin büyütülmesi genişleyen kusurların düşük konsantrasyonuna ve sonuç olarak elektronik ve fotonik aygıtlarda daha iyi performansla sonuçlanır. Diğer bir büyük avantajı ise ıslak kimyasal aşındırmaya elverişlidir. Bu özelliği aygıt tasarımı ve fabrikasyonunda büyük önem taşır. Şekil 3.1. a) Belirtilen örgü parametreleri a ve c olmak üzere ZnO hekzagonal kristal yapısı b) Sıfırda maksimum valans bandının enerjisi

44 26 ZnO iletkenliğinin kontrolü büyük bir problem olarak kalmıştır. Doğal kusurlara nispeten küçük konsantrasyonlarda kirlilikler (10-14 cm - 3 veya 0.01 ppm aşağı ) önemli ölçüde yarıiletkenin elektrik ve optik özelliklerini etkiler [51]. Bu yüzden doğal kusurların rolünün anlaşılmasında ve kirliliklerin birleşmesi ZnO iletkenliğinin kontrolünde anahtardır. Ancak son çalışmalarda yüksek kalitede ZnO kristalleri üzerinde elektron paramanyetik rezonans ölçümleri doğal kusurların doğru olamayacağını ve oksijen atomu boşlukları aslında derin vericilerden meydana geldiğini bu sebeplede n-tipi iletkenliğe katkıda bulunamayacağı gösterilmiştir. ZnO nun p-tipi katkılanmasıda oldukça zordur. Bunun üç temel nedeni bulunmaktadır. N-tipi iletkenliğe eğilimlidir. Kusurlar n-tipi iletkenlikte bir rol oynamayıp p-tipi katkılamayı dengeler. Çok az sığ alıcı atom ZnO ya katkıda bulunabilir Zn üzerinde sütun 1A elementleri (Li, Na, K) biri derin alıcılar diğeri stabil arayüzey vericilerdir. Sütun 1B elementleri derin alıcılardır (Cu, Ag, Au) ve p-tipi iletkenliğe katkıda bulunmazlar. ZnO yu diğer yarıiletken malzemelerden ve oksitlerden ayıran uygulamalar için avantaj sağlayan özellikleri aşağıdaki gibidir. Direk ve geniş bant aralığına sahip olması: Düşük sıcaklıkta ZnO bant aralığı 3,44 ev ve oda sıcaklığında 3,37 ev dir. Optoelektronik uygulamalarda mavi/uv bölgede, ışık yayan diyot, lazer diyot ve fotodedektör olarak kullanıma uygundur. Büyük uyarma bağlanma enerjisi: ZnO nun serbest bağlanma enerjisi 60 mev dir. Oda sıcaklığında ve daha yüksek sıcaklıklarda bu etkili eksiton emisyonu geniş bağlanma enerjisini gösterir. Direkt bant aralıklı yarıiletkenlerde osilatörün gücü tipik olarak diğer elektron-hol iletimlerinden daha geniştir ve optik aygıtlar için umut vaat edicidir. Geniş piezoelektrik sabiti: Piezoelektrik malzemelerde uygulanan bir voltaj kristal içerisinde ve tersine bir deformasyon oluşturur. Bu malzemeler genel olarak sensör, dönüştürücü ve aktüatörler olarak kullanılır. Hekzagonal kristal yapısının düşük simetrisi büyük bir elektromekanik çift ile birleşir ve piezoelektrik, pyroelektrik özelliklere kuvvetli bir şekilde yol açar. Piezoelektrik ZnO filmler aynı kalınlıkta ve yönlendirmesiyle çeşitli yüzeyler üzerinde büyütülürken farklı biriktirme teknikleri

45 27 içeren sol-jel yöntemi, kimyasal buhar biriktirme, moleküler ışın epitaksi ve püskürtme gibi yöntemler kullanılır. Kuvvetli ışık yayılması: Spektrumun yeşil-beyaz bölgesinde güçlü bir lüminesans nedeniyle ZnO fosfor uygulamalarında da uygun bir malzemedir. Yayılım spektrumu 495 nm de bir pik verir. n-tipi ZnO iletkenliği vakum floresan görüntüler ve alan emisyon görüntüleri için uygundur. Mevcut absorbe edilmiş türlerin yüzey iletkenliğinin güçlü duyarlılığı: ZnO ince filmin iletkenliği yüzeyin çeşitli gazlara maruz kalması durumuna oldukça duyarlıdır. Trimetilamin günümüze kadar yiyecek ve içeceklerin tazeliğini tespit etmede yüksek duyarlılığı nedeniyle kullanılmıştır. Son çalışmalar ortamdaki havaya maruz bırakıldığında ortadan kalkan birikim tabakasındaki yüzey elektronlarının vakumda tavlandığını göstermektedir. Bu tabaka sensör hareketinde rol oynayabilir. Polikristal ZnO nun güçlü lineer olmayan direnci: Ticari olarak temin edilebilen ZnO varistörleri yarıiletken polikristal film ile yüksek omik olmayan akım-voltaj karakteristiklerinden oluşur. Doğrusal olmayan direnç sıklıkla tanecik sınırına katkıda bulunurken, mikroskobik mekanizmalar mikro yapılar ve katkıların etkileri henüz tamamen anlaşılamamıştır bunun yanısıra onların bozunma mekanizmalarıyla olan ilişkisi hala tartışılmaktadır. Büyük doğrusal olmayan optik katsayısı: Lineer olmayan optik aygıtlar için ZnO kristaller ve özellikle ince filmler ikinci ve üçüncü sırayla lineer olmayan optik davranış gösterirler. ZnO nun lineer ve lineer olmayan optiksel özellikleri yüzeyin kristalliğine bağlıdır. Lazer biriktirme, reaktif püskürtme ve piroliz (ısıl dönüşüm) spreyiyle güçlü ikinci-sıra lineer olmayan tepki gösteren ZnO filmler büyütülürler. Bu lineer olmayan optik tepki ince ZnO filmlerde bütünleşik lineer olmayan optik aygıtlar için ilgi çekici olmuştur. Yüksek termal iletkenlik: Bu sayede ZnO nun heteroepitaksi veya homoepitaksi (çok benzer örgü sabiti olan GaN nin büyütülmesi gibi) yüzeyler olarak kullanılmasına olan ilgi artmıştır. Yüksek termal iletkenliği aygıt işlevleri boyunca yüksek ısının uzaklaştırılması etkisiyle sonuçlanır. Büyük tek kristallerin uygunluğu: Bir yarıiletken olarak ZnO nun en ilgi çekici özelliklerden biri tek kristaller için uygun olmasıdır ve şimdi epi-hazır yüzeyler için üretime geçilmiştir. Hidrotermal büyütme, buhar-faz taşıma ve basınçlı eriyik gibi yöntemler ile yığın kristallerde büyütülmektedir. Doğal bir yüzey üzerinde epitaksal

46 28 olarak büyüyen ZnO potansiyel olarak yüzeye yayılan kusurların azalmasını ve yüksek kalitede bir ince film elde etmemize imkan verir. Kimyasal ıslak aşındırmaya uygunluğu: Yarıiletken aygıt fabrikasyon prosesleri için büyük ölçüde düşük sıcaklıklar için kimyasal aşındırmaya uygun olması fayda sağlar. ZnO ince filmler asitler, alkalinin yanısıra karışık solüsyonlarda kullanılarak aşındırılabilir. Düşük sıcaklıklarda kimyasal aşındırma olasılığı, proseslerde, aygıt dizaynında ve optoelektronik aygıtlarda büyük bir esneklik sağlamaktadır. Radyasyon sertliği: Yüksek yükseltilerde veya uzaydaki uygulamalar için önemlidir Yarıiletken GaAs Malzemenin Özellikleri Çizelge 3.1 de kullanılan GaAs yarıiletkenine ait özellikler ve Şekil 3.2 de GaAs yarıiletkenine ait kristal yapı ve görüntüsü verilmiştir. GaAs bazı elektriksel özellikleri nedeniyle silikona göre tercih edilmektedir. Çünkü yüksek doymuş elektron hızına ve yüksek elektron mobilitesine sahip, 250 GHz den fazla frekansta transistör işlevi yapar. Silikon eklemlerin aksine, GaAs aygıtlar göreceli olarak daha geniş bant aralığına sahip olması nedeniyle ısıya duyarlıdır. Ayrıca GaAs aygıtlar silikon aygıtlara göre özellikle yüksek frekanslarda gürültüye eğilimi düşüktür. Bu özellik daha yüksek taşıyıcı mobilitesinin ve daha düşük dirence sahip bir aygıt olmasının sonucudur [52].

47 29 Çizelge 3.1. Oda sıcaklığında GaAs yarıiletkenine ait özellikler Miktar Sembol GaAs Birim Kristal Yapısı - Hekzagonal - Direk/İndirek Bant - Direk - Aralığı Örgü Sabiti a 5,6533 Å Yasak Enerji Aralığı Eg 1,42 ev Özgün Taşıyıcı ni 2,0x10 6 cm -3 Yoğunluğu İletim Bandındaki Etkin Durumların Yoğunluğu Nc 4,4x10 17 cm -3 Valans Bandındaki Etkin Durumların Yoğunluğu Nv 7,7x10 18 cm -3 Elektron Mobilitesi μ 8500 cm 2 / V.s Hol moblitesi μp 400 cm 2 / V.s Elektron Difüzyon Dn 220 cm 2 /s Katsayısı Hol Difüzyon Dp 10 cm 2 /s Katsayısı Elektron Afinitesi χ 4,07 V Minör Taşıyıcı Ömrü τ 10-8 s Etkin Elektron me* 0,067 me - Kütlesi Ağır Etkin Hol Kütlesi mh* 0,45 me - Dielektrik Sabiti εr 13,1 - Yakın Eg Yansıtma n 3,4 - Katsayısı Yakın Eg Soğurma Katsayısı α 10 4 cm -1

48 30 Şekil 3.2. GaAs kristal yapısı ve görünümü 3.3. Radyo-Frekans (RF) Püskürtme Yöntemi Bu sistemde hedef katot ve yüzey katodun karşısında bulunan anottur. Değişken DC/RF (en yaygın olarak MHz) güç kaynağı hedefe doğru iyonları hızlandırmak için kullanılır. RF kondansatörün engellemesi durumunda DC güç kaynağı beslem ve plazma sağlamak için RF den optimize güç transferi ile eşleşen ağları geliştirmeye ihtiyaç duyar. Püskürtme için iyonların en basit kaynağı iyi bilinen bir olgu olan ışıltılı boşaltım düşük basınçlı bir gazda iki elektrot arasına elektrik alan boyunca uygulama ile sağlanmaktadır. Belirli bir minimum voltaja ulaştığında gaz iyonlaşır. Böyle bir iyonize gaza plazma denilir. Plazma iyonları büyük bir elektrik alan tarafından hızlandırılır. İyonlar hedefe etki ettiğinde, atomlar veya moleküller plazma içerisinde hedefin yüzeyinden kopar ve yüzey üzerinde biriktirilir. Taşınan ve sonra yüzey üzerinde biriktirilen iyonlar hedefe etki ettiğinde atomlar veya moleküller koparılır. Bu tip püskürtmeye DC püskürtme denilir [53-56].

49 31 Şekil 3.3. DC püskürtmenin temel bileşenleri Püskürtülmüş atomlar ve püskürtülmüş gaz arasında gerçekleşen herhangi bir kimyasal reaksiyondan kaçınmak için, püskürtülmüş gaz olarak daima Argon gibi inert bir gaz kullanılır. Bununla birlikte, bazı uygulamalarda örneğin azot ve oksijenin biriktirilmesinde, biriktirilmiş film kimyasal bir birleşik olsun diye reaktif gaz olarak Argon ilave edilir. Bu tip püskürtme reaktif püskürtmedir. Plazma iyonları hedefe çarptığında, onların elektriksel yükü nötrdür ve atomlar gibi geri dönerler. Eğer hedef bir yalıtkansa, bu nötralizasyon süreci hedef yüzey üzerinde pozitif bir depolama ile sonuçlanır. Bu depolama öyle bir seviyeye ulaşır ki bombardıman iyonları püskürtülür ve püskürtme süreci durur. Bu sürecin devam edebilmesi için, kutuplar yüzeyde depolamayı ortadan kaldırmak amacıyla plazmadan yeteri sayıda elektronu çekmek için ters olmalıdır. Kutupların ters yönde periyodu otomatik olarak hedef montajın üzerinde uygulanan bir radyo-frekans (RF) voltajı ile yapılır [57]. Püskürtme işleminin etkisini arttırmak için, bir magnetron kaynağı aracılığıyla bazı manyetik sınırlamalar için püskürtme kaynağı yaygın olarak kullanılır. Manyetik alanın etkisiyle spiral elektronlar daha fazla iyonlaştırıcı çapışmalara maruz kalır ve böylece yüksek bir yoğunlukta plazma oluşturan manyetik alanların meydana gelmesi sağlanır.

50 32 Püskürtme yönteminin bu tipi magnetron püskürtme olarak adlandırılır ve DC veya RF ile püskürtme olarak kullanılabilir. Şekil 3.4. RF püskürtme sisteminin temel bileşenleri Magnetron püskürtme tekniği plazma iyon bombardımanı yardımıyla yüzeyde hedef atomların biriktirilmesi tekniğidir. Püskürtme gazı hızlandırılmış iyonların çarpışması ve yaygın olarak argon gazı, iyonize olmuş ve hedefe doğru hızlandırılmış iyonların hedefin yüzey atomlarının emisyonu nedeniyle momentum ve enerji transferi ile sonuçlanır. Yayılan atomların yoğunluğu nedeniyle yüzey üzerinde ince film tabakası oluşur. Magnetron püskürtme yöntemiyle nanokristal boyutu, yoğunluğu ve tünel oksit kalınlığı kontrolü sağlanır. Püskürtme, yüzey atomlarını dağıtabilmek için belli bir enerjiye sahip iyonlarla hedef malzemenin bombardıman edilmesiyle oluşur. Hedefe yönelmiş enerjili iyonlar esnek olmayan çapışma yoluyla hedefin yüzey atomlarının enerji ve momentum transferi gerçekleşir. Hedef yüzeyinin dışında yüzey bağlanma enerjisi ve momentumu daha fazla yüzey atomları enerji kazandığında püskürtme işlemi başlar. Hedef atomlarının çarpışması ve etkileşimi oldukça komplekstir. Yüzeyin momentum açısını değiştirebilmek için çarpışmaları basamaklandırmak gerekir. Bu çarpışmalar sonucunda iyon enerjisinin %

51 95 den fazlası hedefte ısı enerjisine dönüşür. Bir kristal hedefin püskürtülmesi basamaklandırılan çarpışmalar hakkında fikir verebilmek için Şekil 3.4 de gösterilmiştir. 33 Şekil 3.5. Püskürtme prosesi ve basamaklandırılmış çarpışmaların şematik diyagramı Eğer bir örnek vakumda hedef yüzeyin üzerine püskürtülürse, püskürtülmüş atomlar örnek üzerinde yoğunlaşır. Bu hala ince film biriktirme tekniğinin etkili bir yolu olarak tümleşik devre teknolojisinde kullanılmaktadır [57-60]. Tümleşik devre teknolojisinde birleşik değişiklikleri olmaksızın biriktirme ve seri üretim uygunluğu, film kalınlığının kolay kontrolü, çeşitli püskürtülebilen hedef malzemelerle püskürtme ile biriktirme tekniği güçlü ince film depolama tekniği olmuştur. Malzemeler örneğin, saf metaller ve element yarı iletken elemanları, alaşımlar ve bileşikler (örneğin oksitler gibi, nitrit, sülfit ve karbürler) püskürtülebilir. Püskürtme yöntemi kaplanacak kaynak ile aynı bileşime sahip olan filmin çökelmesine olanak sağlar. Bu nedenle ince film biriktirme tekniği olarak yaygın olarak püskürtme yöntemi tercih edilir. Diğer biriktirme teknikleriyle kıyaslandığında, püskürtme daha homojen ve tekrarlanabilir sonuçlar verir.

52 34 Resim 3.1. Vaksis Nano-D 4S magnetron püskürtme çemberinin fotoğrafı Püskürtme yöntemi, Hemen hemen tüm malzeme tipleri için kullanılabilen çok yönlü bir tekniktir. Malzemelerin özelliklerini değiştirmek ve uygun hale getirmek için çoğu sürece sahiptir. Katı halde bulunan kaplanacak olan malzemelerin ve bileşiklerin kontrollü yapılmasına olanak verir. Ayrıca, karmaşık kimyasal işlemlerin kullanılmasını önler. Diğer ince film biriktirme teknolojileriyle karşılaştırıldığında, örneğin MOCVD veya MBE, püskürtme yöntemi basit aparatları, düşük biriktirme sıcaklığı ve uygun bir fiyata sahip olması nedeniyle tercih edilir. Magnetron püskürtme tekniği ile büyütülen ZnO filmin düşük kristalize kalitesi nedeniyle filmin yüzeyinde parçacıkların kontrollü bir şekilde bulunması zorken iyi optik kalitesiyle kusurların büyütülmesi önlemektedir. Malzemenin hazırlanmasında Bilkent Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezinde (UNAM) bulunan Vaksis Nano-D 4S Magnetron Püskürtme cihazı resimde görüldüğü gibidir.

53 35 Resim 3.2. Vaksis Nano-D 4S RF püskürtme cihazının fotoğrafı Reaktör çemberi açılmadan sırasıyla 4 farklı malzeme biriktirmesine izin veren Vaksis RF Püskürtme cihazı 4 magnetrondan meydana gelir. Magnetlerin ikisi yalıtkan ve yarıiletken malzemelerin biriktirilmesi için uygundur çünkü onlar RF güç kaynağıdır. İnce film ZnO yu hazırlamak için temizlenen n-gaas alttaş yüzey tutucu üzerine yerleştirilir. O2 reaktif gaz olarak ve Argonda söktürme gazı olarak kullanılır. Plazmaya uygulanan Rf gücü, ZnO hedefinden elde edilen söktürme ürün oranını düzenlemek için ayarlanır. Biriktirme işlemi başlamadan önce hedef yüzey (ZnO) üzerindeki kirliliği kaldırmak ve sistemin kararlı hale gelmesini sağlamak için bir ön-püskürtme işlemi gerçekleştirilir. Optimizasyon sağlandıktan sonra ortama yüksek saflıkta oksijen ve argon gazı verilerek istenilen kalınlıkta ZnO, n-gaas üzerine yaklaşık 10-3 Torr basınçta biriktirilir.

54 Termal Buharlaştırma Yöntemi Termal buharlaştırma tekniği yarıiletken yüzeyine metal filmlerin birikmesi için en yaygın kullanılan yöntemlerdendir. Bu teknikte alaşım veya metalin küçük boyutlu parçacıkları kontrollü bir oranda buharlaştırma potasına konulur ve buharlaştırma ile metal birikmesi sağlanır. Buharlaştırılmış materyal daha önceden ısıtılmış cam taban üzerine 10-5 veya 10-7 Torr düşük basınç altında çöktürülür. Filmler yüksek vakumda elde edildiklerinden, ortamdaki yabancı atomlarla etkileşimleri çok azdır bu da kaliteli filmler elde edilmesini sağlar. Şekilde görülen termal buharlaştırma sistemi temel olarak bir vakum odası, örnek tutucu, ısıtıcı flaman, buharlaştırılacak metal, metal buharı ve örnek altlığından oluşmaktadır [60-62]. Şekil 3.6. Termal buharlaşma sisteminin basit şeması

55 37 Resim 3.3. Vaksis MIDAS termal buharlaştırma PVD/3T cihazının fotoğrafı Saf Au (~%99,999) n-gaas alttaş yüzeyinde buharlaştırılmasında BİLKENT Ulusal Nanoteknoloji ve Araştırma Merkezinde (UNAM) bulunan Vaksis MIDAS Termal Buharlaştırma 3T cihazı kullanılmıştır. Bu sistem yüksek buhar basıncına sahip ve kolay kontamine edilen metalleri termal yöntem ile buharlaştırmaya olanak sağlamaktadır. Sistemin minimum vakum seviyesi 5x10-8 Torr seviyesindedir ve üç adet buharlaştırma kaynağı kullanılabilmektedir. Sistem basit ve ucuz olması, iyi derecede saf film elde edebilmek ve yüzeyin daha az zarar görmesi nedeniyle tercih edilmiştir. Cihazın kaynak tutucularına takılan tungsten bot veya sepetlerin içerisine yerleştirilen kaynak metal (Au), bu bot veya sepetten geçirilen yüksek akım sayesinde pota etrafına sarılı rezistans teller yardımıyla ısıtma işlemi gerçekleşir. Akım kontrollü bir şekilde arttırılarak potanın zarar görmesi engellenir. Maksimum 800 ye kadar sıcaklıkta bu işlem gerçekleştirilebilir.

56 38 Quartz osilatör kristal monitörden kaplanacak filmin numarası seçilir ve kalınlık ayarlanır ardından akım kontrollü bir şekilde arttırılır ve shutter açılır. Kalınlık istenilen düzeye geldiğinde shutter kapatılarak akım kontrollü olarak azaltılır. Bu sayede düşük ergime sıcaklığına sahip olan saf Au yüksek sıcaklıkta buharlaştırılır. Buharlaşan malzeme kaynakların üzerinde yerleştirilmiş örnek tutucuya sabitlenmiş örnek üzerinde yoğunlaşır. Yapılan kaplamanın kalınlığı 1500 Å olarak quartz osilatör kristal bir monitör ile kontrol edilerek elde edilmiştir Kristal Temizleme Au/ZnO/n-GaAs Schottky bariyer diyotlarını (SBDs) hazırlamak için 300 m kalınlığında 1-10 Ω.cm dirençli n-tipi GaAs alttaş kullanıldı. Bu n-tipi GaAs alttaş uzunluğu 1,0 cm ve genişliği 1,0 cm olacak şekilde bir elmas kesici kullanılarak parçalara ayrıldı. Parçalara ayrılan n-gaas alttaşın yüzey temizliği malzemenin tekrar kullanılabilirliği açısından oldukça önemlidir ve iyi bir aygıt karakteristiğinin yanı sıra filmin yüzey üzerine iyi yapışmasını sağlar. Yüzeydeki parçacıkları ve organik kirleri ortadan kaldırabilmek için üç aşamadan oluşan bir kristal temizleme işlemi gerçekleştirildi [63]. Bu sayede ideale yakın bir Schottky diyot elde edebilmek için çok sayıda yüzey kusuru ortadan kaldırılabilir. 1. Organik kirlerin ve yüzey pürüzsüzlüklerinin yok edilebilmesi için ilk olarak aseton ((CH3)2CO) ile 5 dakika ultrasonik banyoda mekaniksel titreşimler yardımıyla temizlendi. Ardından izo-propil alkol ((CH3)2CHOH) ile 5 dakika ultrasonik banyoda temizlendi. Son olarak yüksek dirençli (18 MΩ) deiyonize su ile durulandı ve azot (N2) gazı ile kurutuldu. 2. Omik kontak oluşturduktan sonra, n-gaas alttaşın arka yüzeyinde oluşan doğal oksit tabakası HF+10H2O çözeltisi ile temizlendi. 3. Son aşamada deiyonize su ile yaklaşık 30 saniye durulandıktan sonra N2 ile kurutuldu Au/ZnO/n-GaAs MIS Yapının Hazırlanması Omik kontakların oluşturulmasında Şekil 3.7 ye benzer bir maske kullanıldı. Vakum sistemi ile elde edilen ~10-6 Torr basınç altında üzerinden akım geçirilen tungsten flaman

57 yardımı ile oldukça saf altın (Au) (~99,999%) buharlaştırılarak n-gaas alttaşın mat arka yüzeyine ~1500 Å Au tabaka oluşturuldu. Buharlaştırma ile elde edilen arka kontağın, GaAs alttaşın üzerine çöktürülmesi ile omik kontak elde edilmiş oldu [27]. Omik kontaktan sonra GaAs alttaşın ön yüzüne RF püskürtme yöntemi kullanılarak ZnO (50 nm) yalıtkan tabaka oluşturuldu. Monitörden kontrol edilerek oluşturulan yalıtkan tabakanın kalınlığı kapasitans-voltaj ölçümlerinde kuvvetli yüzey akümülasyon durumundan C Cox belirlendi. Yalıtkan tabakanın kalınlığı 50 Å olarak hesaplandı. 39 ZnO kaplama prosesi, omik ve doğrultucu kontaklar oluşturabilmek için yaklaşık 4x10-6 Torr bir vakum kaplama sistemi kullanılarak sağlandı. Elektriksel ölçümleri yürütebilmek amacıyla, gümüş pasta ile ince gümüş kaplı Cu kaplı kablo kullanılarak elektriksel kontaklar üst elektrotlara yapıldı ve örnek bir çift holder üzerine ile gümüş topuz yardımıyla yerleştirildi. Resim 3.4. Hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs Schottky bariyer diyotun fotoğrafı Üzeri ZnO kaplanmış yüzey, üzeri çok sayıda 1 mm çaplı delikler açılmış olan bakır maske üzerine parlak yüzey aşağı gelecek şekilde yerleştirildi. Flaman üzerine konulan kimyasal olarak temizlenen altın (Au) metal parçası 10-6 Torr vakumda buharlaştırılarak, kristalin parlak yüzeyine küçük dairecikler (1 mm çaplı) şeklinde ve 1500 Å kalınlığında altın kaplanması sağlandı [27]. Böylece doğrultucu kontağın da oluşturulmasıyla Au/ZnO /n- GaAs şeklinde MIS yapı elde edilmiş oldu. Soğuması için bir süre bekletilen kristal vakum

58 40 ortamından çıkartılarak her bir dairecik (diyot) ortada kalacak şekilde, elmas kesici yardımıyla eşit dört parçaya bölündü. MIS yapının hazırlanış şeması Şekil 3.7 de verilmiştir Şekil 3.7. Au/ZnO/n-GaAs Schottky diyotların hazırlanması

59 Deneysel Ölçüm Sistemi Tüm deneysel ölçümler, Gazi Üniversitesi Fen Fakültesi Fotonik Laboratuarında gerçekleştirildi. Akım-gerilim (I-V) ölçümlerinde Keithley 2400 programlanabilir sabit akım kaynağı kullanıldı. Kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/-V) ölçümlerinde ise Hawlett Packard 4192 A LF (5 Hz-13 MHz) empedans analizmetre kullanılarak oda sıcaklığında gerçekleştirildi. Ayrıca I-V, C-V ve G/-V ölçümlerinin tümü Janis VPF-475 kriyostat içinde alınmıştır. Ölçümlerin tümü IEEE-488 AC/DC dönüştürücü kart ile bir bilgisayar kullanılarak kontrol edilmiştir. Akım-gerilim (I-V) ölçümleri, kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/-V) ölçümlerinin yapıldığı düzenekler Resim 3.5 te verildi. Resim 3.5. Deneysel ölçüm sisteminin şematik gösterimi

60 Akım-Voltaj (I-V) Ölçüm Sistemi Akım-voltaj ölçümlerini almak için Keithley 2400 akım-gerilim kaynağı kullanıldı. Resim 3.2 de görülen Keithley 2400 akım-gerilim ölçüm cihazı, hem akım kaynaklı gerilim ölçümü, hem de gerilim kaynaklı akım ölçümü yapabilmektedir. ±1 μv dan ±200 V a gerilim ölçümü ve ±10 pa den ±1 A e kadar akım ölçümü yapabilmektedir. ± % 0.15 hassasiyetle ölçüm yapabilen cihaz IEEE-488 arayüzey veri yoluna sahiptir Kapasitans-Voltaj (C-V) /İletkenlik-Voltaj (G/ω-V) ölçüm sistemi Frekansa bağlı kapasitans-voltaj ölçümlerini almak için Hewlett Packard 4192A LF Empedans Analizörü (5 Hz-13 MHz) kullanıldı. HP 4192 LF empedans analizörü Resim 3.3 de verilen HP 4192 LF empedans analizörünün frekans ölçümleri sınırları 5Hz- 13 MHz olup, osilatör genlik aralığı 5 mv-1 V arasındadır. Doğru akım, ileri ve ters besleme özelliğine sahip cihazın -35 V tan +35 V a kadar ayarlanması mümkündür. Aynı anda empedans, admitans, kapasitans, indüktans ölçebilmekle birlikte, aralarındaki faz değerlerini ve kalite faktörlerini de ölçebilmektedir. ±% 0.15 hassasiyetle ölçüm yapabilen cihaz IEEE-488 arayüzey veri yoluna sahip olup test point yazılımı yardımı ile bilgisayar ile kontrol edebilmek mümkündür. Janis vpf-475 kriyostat Dış etkenlerin tüm ölçümler üzerindeki etkisini azaltmak için hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotların I-V, C-V ve G/ω-V ölçümleri 4 optik pencereli bir Janis vpf-475 kriyostat içinde yaklaşık 10-2 mbar basınçta gerçekleştirildi. Bu kriyostat, Lake Shore model 321 sıcaklık kontrol sistemine sahip olup, 79 K ile 425 K sıcaklık aralığında ölçüm yapabilme özelliğine sahiptir.

61 43 4. TARTIŞMALAR 4.1. Giriş Hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs yapının bazı temel elektriksel parametreleri akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/-V) ölçümleri kullanılarak incelendi. I-V, C-V ve G/-V ölçümleri hem doğru hem de ters ön gerilim altında (-5 V ile + 5V) ve geniş bir frekans aralığında (0,5 khz 500 khz) oda sıcaklığında gerçekleştirildi. Oda sıcaklığında doğru ön gerilim I-V ölçümlerinden bu yapının doyma akımı (Io), idealite faktörü (n), potansiyel engel yüksekliği (ΦB(I-V)) ve seri direnci (Rs) Ohm, Norde ve Cheung yasası kullanılarak elde edildi. Bununla birlikte arayüzey durumlarının (Nss) dağılım profili etkin potansiyel engel yüksekliği (Փe) elde edildi. C-V ve G/-V ölçümlerinden ise yapının verici katkı atomlarının (ND) yoğunluğu, difüzyon potansiyeli (VD), Fermi enerji seviyesi (EF), tüketim tabakasının (WD) genişliği, metal ile yarıiletken arasında oluşan potansiyel engel yüksekliği (ՓB(C-V)), yapının seri direnci (Rs) ve arayüzey durumlarının (Nss) yoğunluğu elde edildi. Elde edilen bu deneysel sonuçlar literatür ile karşılaştırıldı Akım-Voltaj (I V) Karakteristikleri Metal ve yarıiletken arasındaki yalıtkan tabakanın kalınlığı ve kalitesi temel elektriksel parametreleri etkileyen önemli parametrelerdir. Genelde yarı-logaritmik ölçekte doğru öngerilim I-V karakteristikleri orta gerilim bölgesinde 0,1 V-0,8 V dur. Ancak yeterince büyük bir voltaj (V uygulandığında Rs in etkisi nedeniyle lineerlikten sapar. Bu yapılar boyunca bir beslem voltajı uygulandığı için aygıtın seri direnci, tüketim bölgesi, yalıtkan tabakanın şekli uygulanan ön gerilimi paylaşır. Bu nedenle bu yapıların yüksek idealite faktörü değeri yalıtkan tabaka, yüzey durumlarının engel yüksekliğine bağımlılığı ve M/S arayüzeyinde engel homojensizliği boyunca düşen ön gerilimin etkisi aracılığıyla açıklanabilir. M/S arayüzeyinde yalıtkan tabaka üzerinde ilk çalışmalar bir metal iş fonksiyonu olarak farklı metal kaplama ile Schottky engel yüksekliğinin analizinden tahminleri elde eden Cowley ve Sze tarafından yürütüldü [63-70]. Schottky engel diyotların davranışı üzerinde Nss ve yalıtkan/oksit tabakanın mevcut etkisi incelenmiştir ve

62 44 doğru öngerilim I-V karakteristiklerinden yarıiletken bant aralığı Nss in dağılım yoğunluğundan çıkarılmıştır. (a) (b) Şekil 4.1. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun (a) I V (b) Ln(I)-V karakteristikleri

63 Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel yapının karakteristik olarak doğru ve ters öngerilim yarılogaritmik I-V grafiği Şekil 4.1a da verilmiştir. Şekil 4.1a dan görüldüğü gibi Au/ZnO/n- GaAs yapının karakteristiği iyi bir doğrultma davranışı göstermektedir. Doğru öngerilim bölgesinde akım voltaj ile birlikte eksponansiyel olarak artarken, ters öngerilim bölgesinde akımın voltaja bağımlılığının zayıf olduğu görülmektedir. Yarı-logaritmik Ln(I)-V eğrisi ise orta öngerilim bölgesine karşılık gelen (0,059-0,459V) Şekil 4.1b de görüldüğü gibi geniş bir lineer bölge içermektedir. Bununla birlikte deneysel sonuçlar Ln(I)-V eğrisinin özellikle doğru öngerilim voltajının (V 1,15 V) lineerlikten Rs nin etkisi ve arayüzey tabakasının etkisiyle saptığını göstermektedir. Bilindiği gibi yarıiletken aygıtların gerçek direnci pozitif doğru öngerilim bölgesinden elde edilen değerdir. Yapının seri direnci bu bölgede hesaplanabilir. Ayrıca ters öngerilim bölgesinde uygulanan öngerilim voltajının bir fonksiyonu olarak doyuma ulaşmamış az değişen akım görülmektedir. Bu Schottky engel yüksekliğinin görüntü-kuvvet düşmesi olarak açıklanabilir. Au/ZnO/n-GaAs yapının doğrultma oranı yaklaşık ±2,4 V için yaklaşık 500 Å dur. Yalıtkan tabaka hem kaçak akımı önler hem de doğrultma oranını arttırır. 45 İdealite faktörününün (n) 1 den büyük olması durumunda seri direncin (Rs) etkisi görülmektedir. Uygulanan gerilim ve akım arasındaki ilişki V 3kT/q için termiyonik emisyon teorisine (TE) göre aşağıdaki şekilde verilir [70-73]. qv I=Io exp D nkt 1 (4.1) Burada VD diyot üzerine düşen gerilim, q elektron yükü, n idealite faktörü, k Boltzmann sabiti, T Kelvin cinsinden sıcaklık ve Io ise ters doyum akımıdır. Ters öngerilim doyum akımı Ln(I)-V eğrisinin sıfır beslemde doğrusal olarak x-eksenini kestiği yer olup aşağıdaki eşitlik ile verilir. I o AA ** 2 qφ T exp kt Bo (4.2)

64 46 Burada ՓBo metal ile yarıiletken arasında oluşan sıfır beslem potansiyel engel yüksekliği, A diyodun doğrultucu kontak alanı ve A** etkin Richardson sabiti olup değeri n-tipi GaAs için 8,16 A.cm -2 K -2 dir [14]. Buna göre Eş. 4.2., Eş 4.1. de yerine yazılırsa; ** 2 qφ Bo I= AA T exp kt qv exp( D ) 1 (4.3) nkt şeklinde ifade edilir. Yarıiletkenin gövde direnci, yalıtkan arayüzey tabakası ve kontaklardan dolayı bir seri dirence sahip ise Eş. 4.3 ifadesi, I=Ioexp q nkt ( s V IR ) (4.4) şeklinde olacaktır. Burada IRs terimi yapının seri direnci üzerine düşen voltajdır. Bu eşitlikte IRs terimi ihmal edildi çünkü düşük ve orta gerilim bölgesinde yapıya uygulanan voltaja göre (V daha düşüktür. Diyotun doğrultucu kontak alanı ile Io değeri ve etkin Richardson sabiti hesaplandığında sıfır beslem engel yüksekliği; 2 kt AA * T Bo In (4.5) q Io eşitliği ile verilir. İdeal termiyonik emisyon teorisine göre elde edilen deneysel Ln(I)-V eğrisinde meydana gelen doğrusallıktan sapma idealite faktörünün hem 1 den büyük ve hem de lineer bölgenin daha dar olduğunu göstermektedir. Bu eğride doğrusal bölgenin eğiminden idealite faktörünün değeri elde edilir ve Eş. 4.6 ile ifade edilir. q dv n (4.6) kt d( In( I))

65 Termiyonik emisyon (TE) teorisine göre idealite faktörünün 1 den büyük olması pratikte mümkün değildir. İdealite faktörü Au/ZnO/n-GaAs yapıda Schottky engel yüksekliğinin alçalması ile bir yalıtkan tabakadan oluşan metal-yarıiletken (M/S) arayüzey durumuna bağlıdır. Schottky engel yüksekliğinin homojensizliğinin varlığı ise deneysel sonuçlarda çoğu anormalik durumunu tutarlı bir şekilde açıklamayı sağlar. Tüm bunların yanısıra n nin bu yüksek değeri yasak enerji aralığında lokalize olmuş arayüzey durumları (Nss), görüntü-kuvvet etkisi ve rekombinasyona atıfta bulunmaktadır. Au/ZnO/n-GaAs yapı için sırasıyla Io, ՓBo ve n değeri 4,03x10-8 A; 0,47 ev ve 3,75 olarak bulundu. 47 Şekil 4.2. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun Ln(I)-Ln(V) karakteristiği

66 48 Akım-iletim mekanizmasını anlamak için tüm doğru beslem bölgesi boyunca Ln(I)-Ln(V) karakteristiği Şekil 4.2 de görüldüğü gibi üç farklı lineer bölge için verildi. Bu bölgeler I, II ve III numara ile adlandırıldı. Bu eğri akım-iletim mekanizmasında hem denge durumundaki taşıyıcıların ve hem de termal olarak üretilmiş serbest taşıyıcı yoğunluğunun çok daha yüksek olduğu zaman enjekte olmuş serbest taşıyıcıların yoğunluğunun baskın olduğunu göstermektedir. Burada Au/ZnO/n-GaAs yapı için üç farklı bölgeden üç farklı eğim elde edildi. Uygulanan voltaja bağlı olarak akım karşılaştırılabilir (I~V m ). Bu bölgelere ait eğimler sırasıyla 1,37;4.28 ve 2,45 olarak bulundu. Birinci bölgede akımiletim mekanizması düşük öngerilim bölgesi boyunca omik bir davranış gösterir. Bu davranış enjekte olmuş serbest taşıyıcı akımının bulktan üretilen akımın toplamınından daha fazla olmasına atıfta bulunabilir. İkinci bölgede akım iletim mekanizması güç yasası ile orta beslem bölgesi boyunca karakterize edilebilir ve bu davranış sınırlı uzay-yük-akım (SCLC) teorisine tuzak durumlarının dağılımının eksponansiyel olarak uyması ile açıklanabilir. Enjekte edilmiş elektron sayısının artması sonucu tuzakları doldurur ve uzayyük yoğunluğu artar. Üçüncü bölgede yani yüksek öngerilim bölgesi boyunca akım iletim mekanizması tuzaklardaki elektronlar kaçar ve tuzak seviyesine katkıda bulunur. Bu mekanizma serbest-tuzak-yük akım mekanizması (SCTC) olarak adlandırılır. SCLC rejimi dengedeki yük yoğunluğu ile enjekte edilmiş yük yoğunluğu karşılaştırıldığında ihmal edilebilir ve enjekte edilen elektrotların bir uzay-yük bölgesinin yakınındadır [74-77].

67 49 R sh R s Şekil 4.3. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun Ri-V eğrisi Diyotun seri direnci (Rs) ve şönt direnci (Rsh) diyotun performansı ve kalitesinin anlaşılması için iki önemli parametredir [78-81]. İdeal durumda seri direncin değeri 0 iken şönt direncinin değeri 10 9 Ω olarak bilinir. Bununla birlikte bu değerler pratikte ideal durumdan farklıdır. Au/ZnO/n-GaAs arayüzey tabakasının Rs ve Rsh üzerindeki etkisi

68 50 diyotun direncine (Ri) karşılık çizilen voltaj (V) eğrisi olan Şekil 4.3 den elde edilir ve ohm kanunu kullanılarak Eş. 4.7 ile hesaplanır. dv Ri di (4.7) Burada V diyota uygulanan voltaj ve I diyotun akım değeridir. Ters beslemde direncin en yüksek değeri şönt direncidir ve bu değer 1,27 kω olarak bulundu. Bu direnç kaçak akımdan meydana gelir. Seri direncin (Rs) değeri yeterince yüksek gerilime sahip doğru beslem bölgesinde 2,38 Ωolarak bulundu. Daha yüksek gerilimlerde akım-voltaj karakteristiği diyotun arayüzeyde tüketim tabakasının değişmesi nedeniyle lineer olmayan bir davranış gösterir. Bu değişiklik eklem bölgesindeki seri dirençtenkaynaklanır. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel yapının karakteristiği hem seri direnç hem de şönt direnci direncinin voltaja bağımlı değişiminin üstel olarak azaldığı görülmektedir. Gelişmiş ideal bir aygıtın performansı bu durumda hem düşük seri direnç hem de yüksek şönt direnci gerektirir.

69 51 (a) (b) Şekil 4.4. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun a) dv/din(i)-i b) H(I)-I karakteristikleri

70 52 Şekil 4.1a da görüldüğü gibi yarı-logaritmik I-V karakteristiği düşük doğru beslem voltajında lineer bir bölgeye sahipken Rs nin etkisi nedeniyle lineerlikten sapmaktadır. Rs, n ve ՓB nin değerleri Cheung ve Cheung tarafından doğru beslem karakteristiğinin lineer davranış sergilemeyen bölge için başarılı bir şekilde geliştirilmiş ve Eş. 4.8 ve 4.9 ile ifade edilmiştir [81-83]. dv din( I) kt n +IRs (4.8) q kt I H ( I) V n In( ) nb IRs (4.9) 2 q AA * T Şekil 4.4a ve b oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs yapının deneysel olarak sırasıyla dv/dln(i) ve H(I) nın akıma bağlı karakteristiklerini göstermektedir. Bu doğruların eğimleri kullanılarak Rs değerleri Cheung metoduna göre hesaplanır. Au/ZnO/n-GaAs için Rs nin değeri sırasıyla Şekil 4.4a ve b den 1,286 Ω ve 1,433 Ω olarak bulundu. Ohm metodu kullanarak hesapladığımız Rs değeri (2,38 Ω) ile bu değerler karşılaştırıldığında Rs nin bu değeri metal (Au) ve yarıiletken (n-gaas) arasındaki mevcut doğal arayüzey oksit tabakanın varlığına atıfta bulunur. Ek olarak arayüzey tabakası boyunca voltaj düşmesi sebebiyle Schottky kontağın öngerilime bağlı olması ve değişen arayüzey durumlarından kaynaklanmaktadır. Burada Cheung fonksiyonu sadece yarılogaritmik eğrinin doğru beslemdeki konkav bölgesi için uygulanabilir.

71 53 Şekil 4.5. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun doğru beslemden elde edilen F(V)-V karakteristiği Seri direnç değeri (Rs) ve engel yüksekliğinin (ՓB) hesaplanmasında Norde alternatif bir metod önerdi. Bu metoda göre F(V) fonksiyonu Eş ile verilmektedir. F( V ) V kt I( V ) In q AA * T 2 (4.10) I(V), LnI-V eğrisinin eğiminden elde edilen n değeri birden çok büyük (3,75) olduğu için değeri 4,5 alındı. Çünkü değerinin n den büyük olan bir reel sayı olmalıdır. F(V)-V karakteristiği ՓB ve Rs değerlerini hesaplayabilmek için kullanılan minimum bir noktaya sahiptir. Bu değerleri hesaplamada kullanılan Eş ve 4.12 aşağıdaki denklemlerle ifade edilir [84]. B V min kt F( V min) (4.11) q

72 54 ( n) kt Rs q Imin (4.12) F(Vmin) F(V) nin minimum değeri, Vmin bu değere karşılık gelen voltaj ve Imin V=Vmin da doğru besleme karşılık gelen akımdır. Au/ZnO/n-GaAs yapısı için Ф ve Rs nin değeri sırasıyla Norde metoduna göre 0,58 ev ve 1,1 Ωolarak bulundu. Norde metodu Cheung metodu ile karşılaştırıldığında her iki değerin birbirinden farklı olduğu görülmektedir. Çünkü Norde metodu sadece ideal Schottky engel diyotları için geçerli bir metottur. Norde metodunda I-V karakteristiğinde tüm doğru beslem bölgesi boyunca voltaj uygulanırken Cheung metodu daha sınırlı bir bölge için uygulanmaktadır. Yarıiletken ile dengede Au/ZnO/n-GaAs yapı için arayüzey durumlarının dağılım profilinin enerji yoğunluğu doğru beslemdeki I-V karakteristiklerinden belirlenebilir. I-V datalar voltaja bağlı etkin engel yüksekliği Փe ve idealite faktörüne (n(v)) karşılık gelir. n(v) ve Փe Eş ve 4.14 ile sırasıyla verilir. q V n ( V ) (4.13) kt I In( ) Io 1 e Bo V Bo ( 1 ) V (4.14). n( V ) Card ve Rhoderick tarafından Schottky engel diyotları için idealite faktörünün (n) 1 den büyük olması durumunda türetilmiş n(v) Eş ve buradan elde edilen yarıiletken ile dengede arayüzey durumları yoğunluğu (Nss) Eş ile verilir [85-87]. s n(v)=1+ W i D qnss (V ) (4.15) 1 i S Nss(V)= q ( n( V ) 1 W D (4.16)

73 Burada δ ara yüzey tabaka kalınlığı, WD tüketim tabakasının kalınlığı, εs ve εi ise sırasıyla yarıiletkenin ve arayüzey tabakanın dielektrik sabitleridir. n-tipi GaAs için εs= 13,1εo, εi = 50 εo ve boşluğun dielektrik εo=8.85x10-14 F/cm alındı. Bir MIS yapıda M/S arasındaki arayüzey tabakanın kalınlığı (δ), ~30 Å dan küçük ise arayüzey durumları metal ile dengede olurlar, ~30 Å dan büyük ise arayüzey durumları yarıiletken ile dengede olurlar. M/S arasına n-gaas yüzeyi üzerine büyütülen ZnO tabakanın kalınlığı δ, yüksek frekanstaki C-V ölçümlerinden yararlanılarak Cox=Ci= εiεoa/δ eşitliğinden δ=500 Å olarak elde edildi. 55 Şekil 4.6. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs yapının Nss-Ec-Ess karakteristiği Bir yarıiletkenin yüzeyinde arayüzey durumlarının enerjisi (Ess) ile iletim bandının (Ec) tabanına göre, Ec Ess=q(Φe V) (4.17)

74 56 V tüketim tabakası boyunca voltaj düşmesi ve Փe etkin engel yüksekliği ile ifade edilir. Metal ve yarıiletken arasındaki mevcut arayüzey tabakasının varlığı yarıiletkenin yasak enerji aralığında lokalize olmuş arayüzey durumlarına (Nss) atıfta bulunur. Şekil 4.6 ya Nss nin Au/ZnO/n-GaAs yapısı için enerji dağılım profilinin Rs değerleri dikkate alınmaksızın doğru beslem I-V karakteristiğinden elde edildi. Şekil 4.6 dan görüleceği üzere Nss nin değeri bandın ortasından iletim bandına artan Ec-Ess değeri ile üssel olarak azalmaktadır. Elde edilen arayüzey durum yoğunluğu değerleri uygulanan voltaj ile azalmaktadır. Başka bir ifadeyle, öngerilim ile Nss nin dağılım yoğunluğu değişmektedir. Nss nin yoğunluk dağılımının enerji değerleri Ec-0,21 ve Ess-0,46 ev arasındadır. Au/ZnO/n-GaAs yapı için oda sıcaklığında Nss nin büyüklüğü 7,14x10 12 ev -1 cm -2 olarak Eş dan hesaplandı. Sonuç olarak, Rs nin etkisi olmaksızın iletim bandı bölgesinin yakınında artan Ec-Ess ile arayüzey durumları yoğunluğunun azaldığı görülmektedir Frekansa Bağlı Kapasitans-Voltaj (C V) ve İletkenlik-Voltaj (G/ V) Karakteristikleri Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun kapasitans-voltaj (C-V) ve kondüktans-voltaj (G/ω-V) karakteristikleri oda sıcaklığında geniş bir frekans aralığında (0,5 khz-500 khz) sırasıyla Şekil 4.7 ve 4.8 de verildi. Şekil 4.7 de görüldüğü gibi C-V eğrisi terslenim, yığılım ve tüketim tabakasından oluşan üç bölgeye sahiptir. Kapasitans-voltaj (C-V) tekniği uygulanan voltaja bağlı olarak diyotun uzay-yük bölgesinin öngerilimlenmişterslenim bölgesinin genişliğine dayanır. Şekil 4.7 den görüleceği üzere kapasitans-voltaj (C-V) özellikle tüketim bölgesinde azalan frekansla artan bir davranış sergilemektedir ve bu eğri yaklaşık 1,5 V da bir pik vermektedir. Bu davranış hem yasak enerji aralığında mevcut arayüzey durumlarının varlığına hem de diyotun arayüzey tabakasının varlığına atfedilebilir. Kuvvetli yığılma bölgesindeki aşağı doğru bükülme ise seri direncin varlığına ve büyüklüğüne atfedilebilir. Arayüzey durumlarındaki yükler küçük frekanslarda a.c. sinyali takip edebilirler ve diyotun kapasitansı tüketim bölgesinde baskın olur. Ayrıca düşük frekanslarda yüzey polarizasyon etkisi görülmektedir. Bu durumun aksine yüksek frekanslarda arayüzey durumları (Nss) a.c. sinyali takip edemez ve hem C hemde G/ değerlerine bir katkı getirmez. Toplam kapasitans hem tüketim kapasitansı tarafından hem

75 de bulk direnci tarafından etkilenir [88-90]. Bununla birlikte yeterince küçük gerilimler dikkate alındığında kapasitans-voltaj eğrisi üzerinde kayda değer değişiklikler meydana getirmez. Şekil 4.9 dan görüleceği üzere kondüktans-voltaj (G/-V) değerleri doğru beslem bölgesinde artan frekans ile artmaktadır. Bu davranış kapasitans-voltaj karakteristiği ile benzerlik göstermektedir. 57

76 58 Şekil 4.7. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun frekansa bağlı C-V karakteristiği

77 Şekil 4.8. Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun frekansa bağlı G/ω-V karakteristiği 59

78 60 (a) Şekil 4.9. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun farklı voltajlarda C-logf karakteristiği (b) Şekil Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun farklı voltajlarda G/ω-logf karakteristiği

79 61 Şekil 4.9 da ve Şekil 4.10 da verilen C-logf ve G/ω-logf grafikleri düşük frekanslarda voltaja bağımlı iken yüksek frekanslarda voltajdan bağımsızdır. Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyodun frekansa bağlı C -2 -V karakteristiği Şekil 4.11 de görüleceği üzere Au/ZnO/n-GaAs yapının C -2 -V grafiği dört farklı frekans için elde edildi. Bu eğriler yüksek frekanslarda geniş bir aralıkta uygulanan öngerilim voltajıyla lineer bir davranış sergilemektedir. Şekilden görüleceği üzere Schottky engel diyot için (-2,88 )V-(+5,5 )V arasında mükemmel bir lineer bölge görülmektedir. Sıfır beslemde x-eksenini kesen voltajı (Vo) elde etmek amacıyla lineerlik gösteren çizgiler voltaj eksenini kesecek şekilde ekstrapole edilebilir. C -2 -V karakteristikleri yüksek frekans değeri için aşağıdaki eşitlikle hesaplandı [91,92]. C q A N s D ( V o V R ) (4.18)

80 62 Burada VR ters beslem voltajı, A diyot alanı, s yarıiletkenin dielektrik sabiti, ND donor atomların serbest elektron yoğunluğu ve Vo sıfır beslemde difüzyon potansiyeli voltajıdır. Au/ZnO/n-GaAs yapı için Vo değeri C -2 -V eğrisinin x-eksenine ekstrapolasyonundan 100 ve 500 khz frekans aralığında sırasıyla 1; 0,8; 0,5 ve 0,25 V olarak bulundu. Bu frekanslarda difüzyon potansiyeli (VD), iletim bandındaki taşıyıcı yoğunluğu (Nc), donör taşıyıcı yoğunluğu (ND) ve fermi enerji seviyesi (EF) sırasıyla aşağıdaki eşitlikler kullanılarak hesaplandı. V o V D kt q (4.19) E F kt q Nc In ND (4.20) WDsoVD/ND) 1/2 (4.21) Burada Nc, n-gaas iletkenlik bandında bulunan etkin durumların yoğunluğu olup me*=0,067 mo elektronun etkin kütlesidir. Au/n-GaAs/ZnO Schottky engel diyotun engel yüksekliği C-V ölçümlerinden aşağıdaki eşitlik yardımı ile hesaplanabilir. kt (C V ) Vo q B EF (4.22) C -2 -V eğrisini kullanarak yüksek frekanslarda Vo, ND, WD ve ՓB (C-V) değerleri elde edildi ve çizelge 4.1 de verildi. Burada Schottky engel alçalması (ΔՓ)değeri küçük olduğu için ihmal edilerek, (4.22) eşitliği aşağıdaki gibi yeniden yazılabilir. kt ( C V ) Vo q B EF (4.23)

81 63 Çizelge 4.1. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotu için C -2 -V karakteristiklerinden elde edilen bazı temel parametreler f V o N D E F W D (C-V) (khz) (ev) (cm -3 ) (mev) (nm) (ev) 100 0,28 4,37x ,4 9,60 0, ,53 2,19x ,5 18,7 0, ,83 1,75x ,7 26,2 0, ,03 1,26x ,2 34,3 0,970 Çizelge 4.1 e göre ND nin değeri üstelolarak azalırken ՓB(C-V) nin değeri artan frekansa bağlı olarak olarak artmaktadır. Bu davranış Schottky engel diyotta arayüzey durumları, arayüzey tabakası, etkin kontak alanı ve tüketim tabakasının içerdiği tuzaklara atıfta bulunulabilir.

82 64 Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotu için Ri-V karakteristiği Seri direncin (Rs) değerini hesaplamada literatürde birçok metot vardır [93]. Bu bölümde seri direncin değerini hesaplarken Nicollian ve Brews tarafından geliştirilmiş admittans metodu kullanıldı [96]. Kapasitans ve kondüktans ölçümleri özellikle güçlü yığılım bölgelerinde yeterince yüksek frekanslarda (f 1 MHz) seri direncin (Rs) değerine karşılık gelmektedir. Gerçek seri direncin değerini hesaplayabilmek amacıyla admittans metodu diyotun tüm ölçüm aralığı için kullanıldı. Bir yarıiletken aygıtın gerçek seri direnç değeri yeterince ileri pozitif gerilimde elde edilen değerdir. Çünkü yarıiletken aygıtın seri direnci ileri pozitif gerilimlerde gerçek değerine ve ters gerilimlerde ise sonsuza doğru gitmektedir. Diyotun gerçek seri direnci ölçülmüş kapasitans (Cm) ve kondüktans (Gm) değerlerinden verilen Eş ile elde edilir. Yüksek frekanslarda, paralel RC devresini kullanarak, Eş de belirtildiği üzere, kuvvetli yığılım altındaki eşdeğer devrenin toplam admittansı ve empedansı

83 65 Y G jwc m m m (4.24) Rs G 2 ma Gma ( C ma ) 2 (4.25) Burada Cma ve Gma sırasıyla kuvvetli yığılma bölgesinde ölçülen kapasitans ve iletkenlik değerleridir. Kuvvetli yığılım bölgesindeki kapasitans (Cma) ile Rs ve yalıtkan tabakanın kapasitans (Cox) arasındaki ilişki, C ma Cox 2 2 (1 R C s 2 ox ) 4.26) eşitliği ile verilir. Eş 4.26 ve Eş 4.27 kullanılarak Cox değeri, C ox C ma G 1 ( C ma ma 2 ) i 0 A d ox (4.27) eşitliği ile verilir. Burada dox yalıtkan tabakanın kalınlığı olup 5x10-6 cm, εi=13,1 εo ve εo=8,85x10-14 F/cm 2 diyotun alanı A=7,85x10-3 cm 2 olarak alındı. Burada ω (=2πf) açısal frekans, Cm ve Gm/ güçlü yığılım bölgesindeki kapasitans ve kondüktans değerleridir. Au/ZnO/n-GaAs diyotu için Rs nin değeri farklı frekanslarda ve uygulanan voltaj değerleri altında Şekil 4.12 de görüldüğü gibidir. Yüksek frekanslarda Rs nin voltajdan bağımsız olduğu görülmektedir. Dolayısıyla Rs değeri hem frekans hem de uygulanan voltaja bağlıdır. Bu değerler bölgeden bölgeye M/S arayüzey durumlarının dağılımı nedeniyle değişir. Bununla birlikte tuzaklardaki taşıyıcı ömrü (τ), düşük frekanslarda açısal frekansın (1/2πf) tersinden daha düşüktür. Bu sayede arayüzey durumları a.c. sinyali takip edebilir ve mevcut kapasitans ile kondüktansa ilave bir katkı gelir bu durum seri direncin daha büyük değerde çıkmasına neden olur. Bu nedenle Rs değerinin yeterince yüksek frekanslarda elde edilen C-V ve G/-V eğrilerinden hesaplanması, değerin güvenilirliği ve doğruluğu açısından önemlidir.

84 66 Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun iki farklı frekans için ölçülen C-V karakteristiği Arayüzey durumlarının (Nss) dağılım profili öngerilim voltajına bağlı olup düşük-yüksek frekans kapasitans metodu kullanılarak (CLF-CHF) deneysel ölçümlerden hesaplandı [94,95]. Nss [( ) ( ) ] qa CLF Cox CHF Cox (4.28) Burada CLF ve CHF sırasıyla düşük frekanslarda (0,5 khz) ölçülmüş kapasitans değeri ve yüksek frekanslarda (500 khz) ölçülen kapasitans değerleridir. Cox ise arayüzey yalıtkanın kapasitansı, A doğrultucu kontağın alanı ve q elektron yüküdür. Eşitlik(4.28) kullanılarak arayüzey durumlarının dağılım yoğunluğu ölçülen CHF ve CLF deneysel değerlerinden elde edildi ve Şekil 4.14 de gösterildi. Şekil 4.14 de görüldüğü gibi arayüzey durumlarının değeri (Nss) terslenim bölgesinde artan voltaj ile artmaktadır [80,81]. Bununla birlikte düşük frekanslarda tuzaktaki yüklerin ömrü (~ s)

85 periyottan (T(0.5kHz)=(1/2πf) daha büyük olduğunda iletkenlik artışı ile sonuçlanırken yüksek frekanslarda periyot (T(500kHz)=(1/2 tuzaktaki yüklerin ömründen daha küçük olup arayüzey durumlarının (Nss) etkisi kaybolmaktadır. Şekil 4.14 den görüldüğü gibi, Nss değerleri I-V den elde edilenlerden oldukça yüksektir. Ancak, hesaplanan aralık I-V lerde doğru beslemde ( 0,1V-0,8V) aralığındayken, burada ters beslemde -4)V- (0)V) aralığındadır. Dolayısıyla bu fark ölçümün değerinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, Şekil 4.13 de görüldüğü gibi, yaklaşık 0V değerinden sonra C değerleri hızla artarken, G değerleri azalmaktadır. Bu davranış indüktans özellik göstermektedir. 67 Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun voltaja bağlı arayüzey durumları yoğunluğunun (Nss) karakteristiği

86 68 Şekil Oda sıcaklığında Au/ZnO/n-GaAs yapının frekansa bağlı Gp/ karakteristiği Şekil 4.15 farklı voltajlarda diyotun Gp/ω-log(f) grafiğini göstermektedir. Gp/ω-log(f) grafiği -1,5 V ve 1,0 V arasında bir pik vermektedir. Uygulanan voltajın azalmasıyla (Gp/ω)max pikinin büyüklüğü artmaktadır. Gp/ karakteristiğinde görülen bu davranışı voltajın değişmesiyle düşük frekanstan yüksek frekansa arayüzey durumlarının (Nss) değişen katkısıyla açıklayabiliriz. Bu değişiklikler tüketim bölgesinden terslenim bölgesine doğru meydana gelmektedir. Arayüzeyde tuzaklanmış yükler ZnO/n-GaAs arayüzeyinde yakalanan enerji seviyelerini arttırır. Bir voltajın uygulanmasıyla arayüzey durumları tuzak seviyelerini işgal eder ve fermi seviyesi (EF) sabit hale gelir. Pikin büyüklüğü arayüzey tuzak seviyeleri üzerinde yakalama oranına bağlıdır. Gp/ω -log(f) karakteristiğinde görülen geniş aralıktaki pikler yüzey potansiyelinde mevcut olan oksit yükü ve arayüzey durumlarının düzensizliklerinden dolayı görülür. Arayüzey tuzak seviyesinin değeri uygulanan kapı öngerilimi ile hesaplanır [96]. Gp/ω nın değeri (Gp/ω)max pikine karşılık gelir ve bu değer; wτ=1.98 (4.29)

87 69 eşitliği ile hesaplanır. Burada τ tuzaktaki taşıyıcı yüklerin ömrü ve ω (=2 açısal frekanstır. Zaman sabitinin (τ) ve arayüzey durumları yoğunluğunun (Nss) değerleri Çizelge 4.2. de verildi. Çizelge 4.2. Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotun Gp/ω-f grafiğinden elde edilen tuzaktaki yüklerin ömrü (τ) ve arayüzey durumlarının (Nss) yoğunluğunun değerleri Ln(f ) (Hz) V (Gp/)max τ (s) Nss (ev -1 cm -2 ) 3,00-1,5 1,31x10-6 1,05x 2,04x ,48-1,25 1,29x10-6 0,91x10-4 2,01x ,48-1,00 1,28x10-6 0,91x10-4 1,99x ,50-0,50 1,27x10-6 0,9x10-4 1,98x ,70 0,00 1,31x10-6 0,85x10-4 2,04x ,70 0,25 1,30x10-6 0,85x10-4 2,03x ,85 0,50 1,30x10-6 0,82x10-4 2,03x ,85 1,00 1,29x10-6 0,82x10-4 2,01x10 13 Bir kapı öngeriliminde frekansın fonksiyonu olarak eşdeğer paralel kondüktans (Gp) aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır. Gp w Gm wcox Gm w 2 Cm 1 Cox 2 (4.30) ω açısal frekans, Gp eşdeğer paralel kondüktans, Cox arayüzey yalıtkanın kapasitansıdır. Hem Cm hem de Gm, Rs için düzeltilmiş değerler olup bu değerler sırasıyla farklı frekanslarda ve uygulanan farklı voltajlar altında ölçüldü. Bununla birlikte, arayüzey durumlarının yoğunluğu aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir.

88 70 Nss 4 5 qin Gp ( w ) max (4.31) Çizelge 4.2 den görüleceği üzere τ nun değeri hem artan frekans hem de voltaj ile azalmaktadır. Ancak yüksek Nss değerleri yine yapının bu aralıkta indüktans davranış sergilemesine ve arayüzey durumlarının özel bir dağılımına atfedilebilir [61].

89 71 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada, RF püskürtme yöntemi kullanılarak hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs Zn- Schottky engel diyotların elektriksel karakteristikleri geniş bir frekans aralığında (0,5 khz- 500 khz) ve uygulanan voltaja bağlı olarak akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/-V) ölçüm metotları kullanılarak geniş bir voltaj aralığında oda sıcaklığında incelendi. ZnO arayüzey tabakasının elektriksel parametreler üzerine etkisini araştırmak amacıyla (ZnO) idealite faktörü (n), sıfır beslem engel yüksekliği (ՓBo), doyum akımı (Io),seri direnç (Rs) ve arayüzey durumları yoğunluğu (Nss) oda sıcaklığında I-V ölçümleri kullanılarak elde edildi. C-V ve G/-V ölçümlerinden 0,5 khz-500 khz frekans aralığında incelenerek diğer bazı temel diyot parametreleri frekansa bağlı elde edildi. Deneysel sonuçlar güçlü bir şekilde temel elektriksel parametrelerin oldukça yalıtkan tabakanın kalınlığına, seri direncine (Rs) ve arayüzey durumlarının yoğunluğuna (Nss) bağlı olduğu gözlemlendi. Deneysel yarı-logaritmik verilen I-V eğrisi bir doğrultma özelliği göstermekte ve geniş bir voltaj aralığında lineer bölgeye sahip olduğu görülmektedir. Bu eğri ileri voltajlarda (V 1,15 V) lineerlikten seri direncin (Rs) ve arayüzey durumlarının etkisi (Nss) nedeniyle sapmaktadır. Ln(I)-V eğrisinin eğiminden temel diyot parametrelerinden biri olan idealite faktörü (n) değeri 3,75 olarak hesaplandı. Bulunan idealite faktörü (n) değerinin 1 den büyük olmasının nedeni yalıtkan tabakanın (ZnO) kalınlığı, engel homojensizliği, tünel mekanizması, Schottky engel alçalması ve arayüzey durumlarının M/S arayüzeyindeki özel bir dağılımına atfedildi. Tüketim bölgesinin genişliğinin azalmasıyla verici katkı atomların yoğunluğunun artmasıyla tünelleme etkisi artar. Aynı zamanda In(I)-V eğrisinden yararlanarak temel diyot parametrelerinden doyum akımı (Io) ve engel yüksekliği (ՓB) lineer bölgenin extrapole edilmesiyle sırasıyla 4,03x10-8 A ve 0,47 ev olarak hesaplandı. Ln(I)-Ln(V) eğrisi literatürde olduğu gibi düşük, orta ve yüksek gerilim bölgesi olmak üzere üç bölgeye sahiptir. Düşük gerilim bölgesinde (I.bölge) omik bir davranış sergilemekte olup bu bölgede kaçak akımlar etkindir. Orta gerilim bölgesinde (II. bölge) akım-iletim mekanizması güç yasasına uymakta ve bu davranış sınırlı-uzay-yük dağılımı terorisiyle (SCLC) ile açıklanmaktadır. Bu bölgede eğri lineer bir davranış sergilemekte bu nedenlede seri direncin etkisi azalmaktadır. Eğimin değerinin diğer iki bölgeye göre

90 72 yüksek olmasının sebebi ise artan voltajla elektron yoğunluğu sayısının artmasından kaynaklanmaktadır. Yüksek gerilim bölgesinde ise (III. bölge) akım-iletim mekanizması boyunca elektronlar tuzaklardan kurtulur ve sınırlı-uzay-yük akım teorisine katkıda bulunurlar. Eğrinin bu bölgesinde seri direnç etkisi nedeniyle lineerlikten sapma görülmüştür ve sadece bu bölgede Rs nin etkisi dikkate alınabilir. Düşük ve orta gerilim bölgesinde Rs nin etkisi ihmal edilmiştir. Şekil 4.3 de yüksek pozitif öngerilim (V 2,5 V)değerleri diyotun seri direncine (Rs), yüksek negatif öngerilim değerleri (V 2,5V) ise diyotun kısa devre direncine (Rsh) karşılık gelmektedir. Yüksek gerilimlerde diyotun M/S arayüzeyinde tüketim tabakasındaki değişiklikler nedeniyle akım-voltaj lineer olmayan bir davranış göstermektedir. Bu değişiklikler seri direncin varlığına neden olur. Şönt direnci (Rsh) ise kaçak akımdan meydana gelir. Her iki dirençte bu eğriye göre Ohm yasasından hesaplanmıştır. Şekil 4.4 de Au/ZnO/n-GaAs yapının oda sıcaklığındaki dv/dln(i)-i ve H(I)-I grafikleri verildi. Doğru beslem I-V karakteristiğinin özellikle aşağıya doğru Rs nin etkisi ile büküldüğü bölgede, terslenim ve tüketim bölgelerinde Nss in etkin olması ve dağılım profili bant aralığı bölgeden bölgeye değişmektedir. Bu nedenle küçük lineer bölgede bariyer yüksekliği ve idealite faktörünün değerini tam olarak hesaplayabilmek daha zordur. Böyle bir durumda, yüksek gerilim bölgesinde n ve ՓB yi hesaplayabilmek için Cheung fonksiyonları kullanıldı. Şekil 4.4 den görüldüğü gibi dv/dln(i)-i ve H(I)-I eğrisi lineer bir doğru vermektedir ve bu doğruların eğiminden Rs değeri sırasıyla 1,286Ω ve 1,433Ω olarak elde edildi. Şekil 4.5 de verilen F(V)-V grafiğinden seri direnç (Rs) ve idealite faktörüne (n) sahip olan Au/ZnO/n-GaAs Schottky diyotu için modifiye edilmiş Norde fonksiyonu kullanılarak seri direnç (Rs) ve bariyer yüksekliği (ՓB) değeri sırasıyla 1,1 Ω ve 0,58 ev olarak hesaplandı. Norde metoduna göre elde edilen engel yüksekliği değeri doğru beslem In(I)-V karakteristiğinden elde edilen değerden biraz daha yüksek bulundu. Engel yüksekliği değerindeki bunun gibi farklılıklar ileri gerilim I-V eğrisinin farklı bölgelerinde çalışılmasına atfedilebilir. Bir başka deyişle ileri gerilimde In(I)-V ve Cheung metodu lineer bölge için düşük voltajlarda ve lineer olmayan bölge için yüksek voltajlarda In(I)-V karakteristiğinin ileri gerilimlerde bölgelerinden oluşmaktadır. Öte yandan, Norde metodu eklemin In(I)-V karakteristiği için tüm ileri gerilim bölgesi için uygulanır ve bu metotta

91 minimum noktayı tam olarak bulmak daha zordur. Yüksek seri direnç değeri ZnO ince yalıtkan tabaka, uzay-yük enjeksiyonu ve arayüzey durumlarına atfedilebilir. 73 Arayüzey durumlarının (Nss), Ec-Ess enerji aralığındaki dağılım profili doğru beslem I-V ölçümlerinden elde edildi ve Şekil 4.6 da verildi. Arayüzey durumları, arayüzey yalıtkan tabakanın kalınlığına bağlı olarak Au ve n-gaas arasındaki yük alışverişini düzenler. Yalıtkan tabaka (ZnO) katkılamadaki amaç metal (Au) kontak ve yarıiletken (n-gaas) arasındaki difüzyonu ve reaksiyonları önlemek, yüksek kapı kaçak akımını ve arayüzey durumları yoğunluğunu azaltmaktır. Şekil 4.6 dan görüldüğü gibi iletim bandının alt kısmından yasak enerji aralığının ortasına doğru arayüzey durumları yoğunluğu artmaktadır. Diyot doğru öngerilimdeyken arayüzey durumları yarıiletken ile dengede ters yönde ise arayüzey durumları ihmal edilebilir. Deneysel ölçümlerden arayüzey durumlarının yoğunluğunun ortalaması yaklaşık 7,14x10 12 cm -2 ev -1 civarında bulundu. Bu sonuç literatür ile uyumludur. Bu çalışmada hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs diyotunun Ohm yasası, Norde ve Cheung metodları kullanılarak temel diyot parametreleri olan idealite faktörü (n), bariyer yüksekliği (ՓB) ve seri direnç (Rs) hesaplanmış oldu. Norde ve Cheung metotları LnI-V eğrisinin dar bir bölgesinde lineer bölge seçimi zor olduğundan bu temel parametreleri hesaplamada kolaylık sağladı. Au/ZnO/n-GaAs (MIS) yapının C-V ve G/-V eğrileri 0,5 khz-500 khz aralığındaki frekanslar için elde edildi ve sırasıyla Şekil 4.8 ve Şekil 4.9 da verildi. Şekil 4.8 de görüldüğü gibi kapasitans değerleri artan frekans ile azalmakta ve grafik pozitif voltajlarda bir pik vermektedir. Bu pik frekansa bağlı olarak banttaki derin tuzakların varlığı, seri direnç ve arayüzey durumlarının varlığına atfedilebilir. Kapasitans ölçümleri doğrultucu kontaklar için ters beslem voltajı ve frekansına bağlıdır. Metal (Au) ve yalıtkan (ZnO) arasındaki voltaj ve frekansa bağımlılık schottky engelin bir özelliği, kirlilik seviyesi, yüksek seri direnç, arayüzey durumları ve arayüzey tabakası nedeniyledir. Frekans üzerinde kapasitansın ve kondüktansın bağımlılığı Şekil 4.9 ve Şekil 4.10 da verilmiştir. Düşük frekanslarda kapasitansın yüksek değerleri a.c. sinyali takip edebilen n-tipi GaAs ile dengedeki arayüzey durumlarının yüksek kapasitansı ile sonuçlanır. Düşük frekanslarda ölçülmüş kapasitans değerleri frekanstan bağımsız ve öngerilime bağlı olan doğrultucu kontağın tüketim kapasitansı baskın olduğu görüldü. Frekans arttığında toplam diyot

92 74 kapasitansı hem tüketim kapasitansı hem de derin kirlilik seviyelerine yanıt olarak frekansa bağlı ve yavaş elektron yayılımı ile ilgili olan bulk direncinden etkilenmektedir. Ayrıca yüksek frekanslarda arayüzey durumlarının a.c. sinyali takip edememesi nedeniyle arayüzey durumları kapasitansa katkıda bulunamaz. Bu nedenle kapasitans yüksek frekanslarda düşük frekanslar ile karşılaştırıldığında daha düşük değerlere sahiptir. Şekil 4.9 ve Şekil 4.10 da oda sıcaklığında kapasitans ve kondüktans ölçümleri sıfır dc öngerilimde frekansın bir fonksiyonu olarak farklı voltajlarda gösterildi. Şekil 4.9 ve Şekil 4.10 da kapasitansın ve kondüktansın güçlü ölçüde frekansa bağlı olduğu görüldü. Deneysel C-logf ve G/-logf grafiklerinden kapasitansın ve kondüktansın frekansla üstel olarak azaldığını göstermektedir. Kapasitanstaki ve kondüktanstaki bu değişim arayüzey durumları yarıiletken ile dengede olduğunda tipik bir dağılım göstermektedir ve yüksek frekanslarda kapasitansa arayüzey durumları a.c. sinyali takip edemediğinden bir katkı gelmemektedir. Bu durumda Au/ZnO/n-GaAs ın kapasitansı sadece uzay-yük kapasitansıdır. Şekil 4.11 de C -2 -V karakteristiklerinden Vo, ND, EF, WD, ՓB (C-V) ve değerleri elde edildi. Yüksek frekanslarda elde edilen lineer bölgede hesaplanan bu değerlerden EF, ND artan frekansla azalırken Vo, WD ve ՓB(C-V) artmaktadır. Artan frekans değerleriyle birlikte donör taşıyıcı yoğunluğunun (ND) üstel olarak azalması ve potansiyel bariyer yüksekliği (ΦB) değerlerinin artması arayüzey durumlarının varlığına atfedilebilir. Bu çalışmada Au/ZnO/n-GaAs Schottky engel diyotu için Rs değerleri frekansa bağlı olarak admittans metodu ile hesaplandı ve Şekil 4.12 de grafiği verildi. Rs değeri M/S arayüzeyinde arayüzey durumlarının dağılımı ve fabrikasyon sırasında arayüzeyde oluşan safsızlıklar nedeniyle bölgeden bölgeye değişmektedir. Seri direnç değeri (Rs) değeri tüm öngerilim voltajlarında artan frekansla azalmaktadır. 0,5 khz-70 khz aralığında seri direncin voltaja bağlı değişimi incelendi ve seri direncin yüksek frekanslardaki değişimi çok küçük olup uygulanan voltajdan bağımsız olduğu görüldü. Çünkü yüksek frekanslarda arayüzey durumları ac sinyali taşıyıcı ömrü () ölçülmüş kapasitans (Cm) ve Gm/ periyodundan(t) daha yüksek olduğundan takip edemez. Au/ZnO/n-GaAs yapının arayüzey durumları (Nss), farklı frekanslarda ölçülen voltaja bağlı profili düşük frekans (CLF=0,5 khz) -yüksek frekans (CHF=500 khz) frekans-kapasitans

93 metodu kullanılarak elde edildi. Bu metodun avantajı yalıtkan tabakanın çoğu elektriksel özelliğini hesaplamada uygun bir yöntem olmasıdır. Elde edilen Nss değerlerinin artan frekans ile üstel olarak artmakta olduğu gözlendi. Hesaplanan arayüzey durumlarının yoğunluğu 6x10 14 ev -1 cm -2 olup elde edilen sonuçlar genelde litaratürle uyumludur. 75 Şekil 4.15 de 0,25 V aralıklarda elde edilen (-1,5 V) (+1,0 V) gerilim değerleri arasında elde edilen Gp/-logf pikinin maksimum değerine karşılık gelen frekans değerlerinden zaman sabiti elde edildi. Gp/-logf karakteristiğindeki davranış mevcut arayüzey durumu tuzaklarının sürekli bir dağılımı ile açıklanabilir ve görülen geniş pik yüzey potansiyelinin dalgalanmasından kaynaklanır. Verilen gerilimlerde, fermi seviyesi arayüzey tuzak durumlarının doldurulması ve arayüzey durumlarıyla ilişkili olarak zaman sabitinin ZnO yüzeyinde bir yük yoğunluğu meydana getirir. AC sinyal zaman sabitine karşılık geldiğinde, pikler arayüzey tuzak seviyeleriyle ilişkili olarak ortadan kaybolmaktadır. Eğer frekans zaman sabitinden çok az farklıysa ya tuzak seviyelerine karşılık gelmez ya da bu kayıplar farklı frekansların bir fonksiyonu olarak azalır. Çizelge 4.2 de maksimum Gp/ω pik değerlerine karşılık gelen frekanslar ve bu pik değerlerinden ara yüzey durumları yoğunluğu (Nss) ortalama 2,02x10 13 ev -1 cm 2 ve zaman sabiti 0,89x10-4 s olarak hesaplandı. Seri Direnç (Rs): Schottky diyotlarda en önemli parametrelerden olan seri direnç (Rs) Ohm yasası, Cheung fonksiyonları ve Norde yöntemi ile hesaplandı ve elde edilen değerler birbiri ile karşılaştırıldı. Au/ZnO/n-GaAs yapı için ohm yasası ile elde edilen Rs değeri 2,77 Ω olarak bulundu. Schottky diyotun I-V ölçümlerinden elde edilen dv/din(i)-i ve H(I)-I eğrilerinde görülen lineer doğrunun eğiminden seri direnç değerleri sırasıyla 1,28 Ω ve 1,44 Ω olarak hesaplandı. Diğer bir metot olan Norde fonksiyonu ile seri direncin değeri 1,1 Ω olarak bulundu. Norde ve Cheung metotu karşılaştırıldığında Rs değerlerinde görülen farklılık Cheung metotunun dar bir lineer bölgede hesaplanabilmesi Norde metotunun ise tüm doğru beslem bölgesi için ideal diyotlarda hesaplanabilmesinden kaynaklanmaktadır. Cheung metotu ile ohm yasası arasındaki fark ise ohm yasası doğru beslem boyunca uygulanırken Cheung metotu sadece kavisli bölge için uygulandığından ohm yasasında seri direncin değeri daha büyük bir değer olarak bulundu. Ayrıca C-V ölçümlerinden C-V ve G/-V eğrilerinden yararlanılarak Nicollian ve Brews metoduna göre Rs değeri I-V ölçümlerinden elde edilen Rs değerinden daha büyük olarak bulundu. Çünkü düşük

94 76 frekanslarda arayüzey durumları daha etkin olup a.c. sinyali takip edebilmesiyle nedeniyle sığa artar ve seri dirence (Rs) bir katkı gelir. İdealite Faktörü (n): Teorikte idealite faktörünün değeri 1 iken Au/ZnO/n-GaAs diyotunun idealite faktörü (n) In(I)-V grafiğinden 3,75 olarak bulundu. Ayrıca In(I)-In (V) eğrisinden ise sırasıyla üç bölgenin eğiminden 1,37, 4,28 ve 2,45 olarak bulundu. Pratikte görülen bu sonuçlar, seri direnç (Rs) ve arayüzey durumlarının varlığını hem de engel homojensizliğini göstermektedir. Bariyer Yüksekliği (ՓB): Çizelge 4.2 den görülen ՓB(C-V) değerleri Şekil 4.1a dan elde edilen ՓB(I-V) değerinden (0,47 ev) daha yüksektir. Bu fark arayüzey durumlarının varlığı veya yarıiletkendeki tuzak durumları ve Schottky engel yüksekliğinin homojensizliğinden kaynaklanmasıyla açıklanabilir. C kapasitansı tüm alan boyunca C-V metotu ortalaması ve uzay-yük genişliğinden daha az bir uzunluk skalası üzerinde potansiyel dalgalanmalarından etkilenmezփbo, DC akım arayüzey durumlarına ve engel dağılımına üssel olarak bağlıdır. Werner ve Guttler a göre Schottky kontakta metal/n-gaas arayüzeyinde uzaysal homojensizlik I-V ve C-V ölçümlerinden hesaplanmış engel yüksekliği değerinin farklılıklarına neden olabilir. ՓB(C-V) değerinin ՓB(I-V) değerinden büyük çıkmasının nedeni akım-voltaj karakteristiklerinin yalnızca doğru öngerilim bölgesinden yararlanılarak hesaplanmasından kaynaklanırken C-V karakteristiklerinde ters öngerilim bölgesi de hesaba katıldığı için daha büyük potansiyel engel yükseklik değeri sonucuna ulaşıldı. Arayüzey Durumları Yoğunluğu (Nss): Arayüzey durumlarının yoğunluğu I-V ölçümlerinden yararlanılarak Nicollian ve Brews metotu ile 7,14x10 12 ev -1 cm -2 olarak bulundu. C-V ölçümlerinden yüksek-düşük kapasitans metotuna göre 6x10 14 ev -1 cm -2 olarak Gp/logf eğrisinden ortalama Nss değeri 2,57x10 15 ev -1 cm -2 olarak hesaplandı. I-V ölçümlerinden hesaplanan arayüzey durumları yoğunluğunun C-V ölçümlerinden elde edilen sonuçlara göre iki-üç mertebe küçük olduğu görüldü. Literatürde arayüzey durumları yoğunluğu yaklaşık mertebesinde olup elde edilen sonuçlar ile uyumludur.

95 77 Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre; Au/ZnO/n-GaAs yapıda RF püskürtme yöntemi ile yalıtkan tabakanın istenilen kalınlıkta (ZnO) büyütülmesinde diğer yöntemlere göre pratik ve daha uygun bir metot olduğu, Yalıtkan tabaka olarak ZnO kullanılması ve malzemenin kontaminasyon oranının fazla olması nedeniyle temiz oda şartlarının daha uygun halde olması gerektiği, ZnO katkılamada optimizasyon şartları belirlenerek ve yalıtkan tabakanın kalınlığı arttırılarak kapasitansın değeri 10-6 farad mertebesinde olduğunda hazırlanan diyotun süper kapasitör olarak kullanılabileceği, Au/ZnO/n-GaAs yapıda yalıtkan tabakanın (ZnO) kalınlığı azaltılarak idealite faktörünün 1 e yakın bir değer olarak elde edilmesiyle ideale yakın bir Schottky diyot elde edilebileceği, Hazırlanan Au/ZnO/n-GaAs diyotların elektriksel parametrelerinin geniş bir frekans ve voltaj aralığında incelenerek güvenilir sonuçlar elde edilebileceği görüldü. Elde edilen deneysel sonuçlar ışığında bundan sonra bu veya benzeri konularda yapılacak çalışmalarda aşağıdaki önerilerin dikkate alınmasının yararlı olacağı kanısındayım: 1. Ölçümlerin doğruluğundan emin olmak için, tekrarlanabilirliği kontrol edilerek benzer çalışmalarla kıyaslanmalıdır. 2. Ölçümlerin hem daha geniş bir frekans veya sıcaklık aralığında hem de geniş bir voltaj aralığında alınması. 3. İdeal durumdan sapmaya neden olan faktörlerin detaylıca araştırılması ve genel düzeltmelerin yapılması. 4. Hazırlanan örneklerin tekrarlanabilirliği test edilerek en uygun şartlar tespit edilmelidir.

96 78

97 79 KAYNAKLAR 1. Cowley, A.M., Sze, S.M. (1965). Surface State and Barrier Height of Metal Semiconductor Systems. J. Appl. Phys. 36 (10): Card, H.C., Rhoderick, E.H., (1971). Studies of tunnel MOS diodes I. Interface effects in silicon Schottky diodes. J. Phys. D-Appl. Phys. 4(10): Welker, H. (1976). Walter Schottky Physics Today. 29 (6): Sharma, B.L. (1984). Metal-Semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications. New York: Plenum Press, Rhoderick, E.H. and Williams, R.H. (1988). Metal Semiconductor Contacts. Oxford: Oxford Press, Tyagi, M. S. (1991). Introduction to Semiconductor Materials and Devices, John Wiley& Sons, New York, Tung, R. (1991). Electron-transport of inhomogeneous schottky barriers. Applied Physics Letters, 58 (24) Werner, J. H., Gütter, H. H. (1991). Barrier inhomogeneities at Schottky contacts. Journal of Applied Physics, 69 (3) Tung, R. T. (1992). Electron-Transport at Metal-Semiconductor Interfaces-General Theory. Physical Review B, 45 (23): Tyagi, M. S. (1991) Introduction to Semiconductor Materials and Devices. John Wiley& Sons, New York, Gorla, C. R., Emanetoglu, N. W., Liang, S. (1999). Tructural, optical and surface acoustic wave proporties of epitaxial ZnO films grown on (011 over bar 2) sapphire by metalorganic chemical vapor deposition. J Apply Phys Lett, 85(5): Chen, Q. H., He, J. L., Tan, K. X, et al. (2002). Influence of grain size on distrubution of temparature and thermal stress in ZnO varistor ceramics. Sci China Ser E-Tech Sci, 45(4): Carcia, P. F., McLean, R. S., Reilly, M. H, et al. (2003). Transparent ZnO thin film transistor fabricated by rf magnetron sputtering. Apple Phys Lett, 82: Bae, H. S., Yoon, M. H., Kim, J. H. et al. (2003). Photodetecting proporties of ZnObased thin-film transistors. Apply Phys Lett, 83: Znaidi, L., Soler I, G., Benyahia, S. et al. (2003). Oriented ZnO thin films synthesis by sol-gel process for laser application. Thin Solid Films, 428:

98 Hoffman R L., Norris B J., Wagner J F. (2003). ZnO based transperent thin film transistors. Apply Phys. Lett, 82: Fortunato E M C., Barquinha P M C., Pimentel A C M B G, et al. (2004). Widebangap high-mobility ZnO thin-film transistors produced at room temparature. Apply Phys Lett, 85(13): Hudait, M.K., Venkateswarlu, P., and Krupanidhi, S.B. (2001). Electrical transport characteristics of Au/n-GaAs Schottky diodes on n-ge at low temperatures. Solid- State Electronics, 45 (1), Leroy, W.P., Opsomer, K., Forment, S., Van Meirhaneghe R.L., (2005). The barrier height inhomogeneity in identically prepared Au/n-GaAs Schottky barrier diodes. Solid-State Electronics 49 (6) Lee K., Kim J H., Im S,et al. (2006). Low-voltage-driven top gate ZnO thin-film transistors with polymer/high-k oxide double layer dielectric. Apply Phys Lett, 89(13): Cross R B M., Souza M M De. (2006). Investigating the stability of zinc oxide transistors. Apply Phys Lett, 89 (26): Dhananjay, Krupanidhi S B. (2007). Low threshold voltage ZnO thin film electronics. J Appl Phys, 101(12): Gjungyol J., Ogweon S., Euihyuk J., et al. (2007). Effect of hydrogen in zinc oxide thin-film transistor grown by metal organic chemical vapor deposition. Jpn Apply Phys, 46: Horvath, Z. J. (1988). Domination of the thermionic-field emission in the reverse I-V characteristics of n-type GaAs Schottky contacts. Journal of Applied Physics, 64 (12), , (2006) Özdemir, F. Türüt, A., Kökçe, A. (2006). The double Gaussian distribution of barrier heights in Au/n-GaAs Schottky diodes from I-V-T characteristics. Semicond. Sci. Technol 21 (3) Sze, S.M., and K. Ng Kwok. (2007). Physics of Semiconductor Devices (3rd ed.). New Jersey: John Wiley & Sons, Güllü, Ö., Biber, M., Van Meirhaeghe, R.L., Türüt, A. (2008). Effects of the barrier metal thickness and hydrogen pre-annealing on the characteristic parameters of Au/n- GaAs metal-semiconductor Schottky contacts. Thin Solid Films, 516 (21) Soylu, M., Yakuphanoglu, F. (2010). Analysis of barrier height inhomogeneity in Au/n-GaAs Schottky barrier diodes by Tung model. Journal of Alloys and Compounds, 506 (1) 418.

99 29. Ozavcı, E., Demirezen, S., Aydemir, U., and Altındal, Ş. (2013). A detailed study on current-voltage characteristics of Au/n-GaAs in wide temperature range. Sensors and Actuators A, 194, Sharma, B.L. (1984). Metal-Semiconductor Contacts Schottky Barrier Junctions and Their Applications. Plenum Press, New York. 31. Nicollian, E. H., Brews, J. R. (1982). MOS Physics and Technology. John Wiley & Sons, New York, , , 288, Sze, S. M. (1981). Physics of Semiconductor Devices 2nd ed. John Wiley & Sons, New York, Rhoderick, E. H., Williams R. H. (1988). Metal Semicondutor Contacts, Oxford Press, Ziel, A. (1968). Solid State Physical Electronics. Prentice-Hall International Inc., Minnesota. 35. Neamen, D. A. (1997). Semiconductor Physics and Devices 2nd ed. Mc Graw-Hill, New York, , Cooke, M. J. (1990). Semiconductor Devices. Prentice Hall, New York, Cowley, A. M., Sze, S.M. (1965). Surface State and Barrier Height of Metal Semiconductor Systems, J. Appl. Phys., 36 (10): Tyagi, M. S. (1991). Introduction to Semiconductor Materials and Devices. John Wiley& Sons, New York, Yu, A. Y. C., Snow, E. H. (1968). Surface Effects on Metal-Silicon Contacts. J. Appl. Phys., 39: Ogale, S. B.(2005). Thin Films and Heterostructures for OxideElectronics. New York: Springer. 41. Nickel, N. H. and Terukov, E. (ed) (2005). Zinc Oxide-A Materialfor Micro- and Optoelectronic Applications. Netherlands: Springer. 42. Jagadish, C. and Pearton, S. J. (ed) (2006). Zinc Oxide Bulk, Thin Films, and Nanostructures. New York: Elsevier. 43. Thomas, D. G. (1960). J. Phys. Chem. Solids Mang, A., Reimann, K. and Rubenacke, St. (1995). Solid State Commun Reynolds D C, Look D C, Jogai B, Litton C W, Cantwell Gand Harsch W C (1999). Phys. Rev. B

100 Chen Y, Bagnall D M, Koh H-J, Park K-T, Hiraga K, Zhu Z-Q and Yao T (1998). J. Appl. Phys Reynolds D C, Look D C and Jogai B (1996). Solid State Commun Bagnall D M, Chen Y F, Zhu Z, Yao T, Koyama S, Shen M Y and Goto T (1997). Appl. Phys. Lett Shionoya S and Yen W H (ed) (1997). Phosphor Handbook ByPhosphor Research Society (Boca Raton, FL: CRC Press). 50. Nanto H, Sokooshi H and Usuda T (1991). Solid-State Sensors and Actuators Eda K (1989). Electr. Insul. Mag. IEEE Šilc, Von Jurij; Robič, Borut and Ungerer, Theo (1999). Processor architecture: from dataflow to superscalar and beyond. Springer. p. 34. ISBN K. L. Chaopra: (1969). Thin Film Phenomena. McGraw-Hill, New York. 54. C. R. Brundle, C. A. Evans, and S. Wilson (eds.): (1992). Encyclopedia of Materials Characterization. Butter Worth-Heinemann, Boston. 55. M. Ohring: (1992). The Materials Science of Thin Films. Academic Press, San Diego. 56. D. M. Mattox: (1998). Handbook of Physical Vapor Deposition Processing. Noyes Publications, New Jersey. 57. N. B. Dahotre and T. S. Sudarshan (eds.) (1999). Intermetallic and Ceramic Coatings. Marcel Dekker Inc., New York. 58. H. Bach and D. Krause (eds.) (2003). Thin Films on Glass. Springer, Berlin. 59. K. Wasa, M. Kitabatake, and H. Adachi (2004). Thin Film Materials Technology William Andrew Publishing, Norwich. 60. V. S. Smentkowski (2000). Trends in sputtering. Progress in Surface Science Vol. 64, pp M. V. Ramana Murty (2002). Sputtering: the material erosion tool. Surface Science, Vol. 500, pp S. Berg and T. Nyberg (2005). Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes. Thin Solid Films Vol. 476, pp

101 63. W. D. Sproul, D. J. Christie, and D. C. Carter, (2005). Control of reactive sputtering processes, Thin Solid Films Vol. 491, pp S.M. Sze, (1981). Physics of Semiconductor Devices, second ed. Willey &Sons. Newyork. 65. E.H. Rhoderick, R.H. Williams. (1988). Metal-Semiconductor Contact. Clarendon. Oxford. 66. T. Tunc, Ş.Altındal, İ.Dökme, H.Uslu, (2011). J.Electron. Mater.40 (2) H. C. Card, E.H. Rodherick, (1971). J.Phys. D: Apple. Phys P. Chattopadhyay, B.Rayhauudhuri, (1993). Solid State Electron A.F. Özdemir, D.A. Aldemir, A. Kökçe, Ş. Altındal, (2009). Synth. Met Sze S M (1981). Physics of Semiconductor Devices, 2nd edn. New York, John Wiley&Sons. 71. Karataş Ş, Altındal Ş, Türüt A and Özmen A (2003). Appl. Surf. Sci Hudait M K and Krupanidhi S B (2001). Mater. Sci. Eng. B- Solid Werner J H and Güttler H H (1991). J.Appl. Phys S. Wagle, V. Shirodkar, Braz J. (2000). Phys. 30 (2) Y. S. Ocak, M. Kulakçı, T. Kılıçoğlu, R. Turan, K. Akkılıç, (2009). Synt Met. (159) Ö. Vural. N. Yıldırım, Ş. Altındal, A. Türüt, (2007). Synt. Met H. Wang, X. N. Shen, X. J. Su, Z. Wang, S. X. Shang, M. Wang, (1997). Ferroelectrics 195 (1) R. Gupta, S.C.K. Misra, B.D. Malhotra, N.N.Beladekere, S.Chandra, (1991). Appl. Phys. Lett S.K Cheung. N.W. Cheung. (1986). Appl. Phys. Lett H-Norde, (1979).J Appl. Phys, Ş.Altındal, H.Kanbur, İ.Yücedağ, A.Tataroğlu, M.Parlak, A.Agasiev, (2008). Microelectron. Eng

102 F.ParlakTürk, Ş.Altındal, A.Tataroğlu, M.Parlak, A.Agasiev, (2008). Microelectron. Eng E.H. Nicollian, J.R Brews, MOS Physics and Technology. John Wiley&Sons, New York. 84. Card, H.C. Rhoderick, E.H. (1971). Studies of tunnel MOS diodes I. Interface effects in silicon Schottky diodes, J. Phys. D-Appl. Phys. 4(10): Card H C and Rhoderick E H (1971). J. Phys. D: Appl. Phys Tung R T (1992). Phys. Rev. B Akkal B, Benemara Z, Boudissa A, Bouiadjra N B, Amrani M, Bideux L and Gruzza B (1998). Mater. Sci. Eng. B R.Şahingöz, H. Kanbur, M.Voigt, C.Soykan, (2008). Synth. Met R. K.Gupta, K. Ghosh, P.K. Kahol, (2009). Curr. Appl. Phys S. Kar, W.E.Dahlke, (1972). Solid-State Electron K.E Bohlin, (1986). J. Appl. Phys.60 (3) Reddy V R, Reddy M S P, Lakshmi B P and Kumar A A (2011). J. Alloys Compd E.H. Nicollian, J.R. Brews, (1982). MOS Physics and Technology. John Wiley&Sons, New York,. 94. Deuling, H. ; Klausmann, E. ; Goetzberger, (1972). A. Solid State Electron, 15, Depas, M; Van Meirhaeghe, R. L; Lafere W. H; Cardon, F. (1994). Solid State Electron, 37, E.H. Nicollian, J.R. Brews. (1982). MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology. New York, Wiley, p. 28.

103 85 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı Uyruğu : Akın, Buket : T.C Doğum tarihi ve yeri : Ankara Medeni hali : Bekâr Telefon : 0 (546) bktakn90@gmail.com Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet Tarihi Yüksek Lisans Gazi Üniversitesi / Fizik Halen Lisans Gazi Üniversitesi / Fizik-Matematik (ÇAP) 2013 Yabancı Dil İngilizce (Okuma: İyi, Yazma: İyi, Konuşma: İyi) Çalıştığı Kurumlar Nanomanyetik Bilimsel Cihazlar (Halen-2014) ARGE Personeli. Kalkınma Bakanlığı-Stajyer-(Ocak 2013) Hobiler Moda Tasarımı, Piyano Katıldığı Uluslararası Kongre İ. Orak, B. Akın, H. Tecimer, H. Uslu Tecimer and Ş Altındal The Frequency-Dependent Admittance Measurements of Au/ZnO/n-GaAs Schottky Barrier Diodes (SBDs) Poster, Fırat University (2015), Elazığ.

104