PERİLENSİZ VE PERİLENLİ Al/p-Si SCHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN ODA SICAKLIĞINDA KARŞILAŞTIRILMASI.

Transkript

1 PERİLENSİZ VE PERİLENLİ Al/p-Si SHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN ODA SIAKLIĞINDA KARŞILAŞTIRILMASI Çiğdem BİLKAN YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AĞUSTOS 013 ANKARA

2 Çiğdem BİLKAN tarafından hazırlanan PERİLENSİZ VE PERİLENLİ Al/p-Si SHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN ODA SIAKLIĞINDA KARŞILAŞTIRILMASI adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL Tez Danışmanı, Fizik Anabilim Dalı..... Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Fizik Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. M. Mahir BÜLBÜL Fizik Anabilim Dalı, Gazi Ü Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL Fizik Anabilim Dalı, Gazi Ü.. Doç. Dr. İbrahim YÜEDAĞ Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı, Düzce Ü.. Tez Savunma Tarihi: 01/08/013 Bu tez ile Gazi Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü..

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Çiğdem BİLKAN

4 iv PERİLENSİZ VE PERİLENLİ Al/p-Si SHOTTKY ENGEL DİYOTLARIN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİNİN ODA SIAKLIĞINDA KARŞILAŞTIRILMASI (Yüksek Lisans Tezi) ÇİĞDEM BİLKAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ağustos 013 ÖZET Bu çalışmada, Al/p-Si Schottky engel diyotun (D1) performansını artırmak amacıyla Al ile p-si arasına ince bir perylene ( 0 H 1 ) tabakası spin coating yöntemi ile büyütülerek Al/ 0 H 1 /p-si tipi Schottky engel diyotu (D) hazırlandı. Hazırlanan bu iki tip diyotun idealite faktörü (n), engel yüksekliği ( Bo ), seri direnç (R s ), kısa devre direnci (R sh ), ara yüzey durumları (N ss ) ve tüketim tabasının genişliği (W D ) gibi temel elektriksel parametreleri oda sıcaklığında elde edildi ve karşılaştırıldı. Bu karşılaştırma, doğru ve ters öngerilim altında, 1 MHz de, akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (-V) ve kondüktans- voltaj (G/w) ölçümleri kullanılarak yapıldı. Elde edilen deneysel sonuçlar, tüm bu parametrelerin hem frekansa hem de arayüzey tabakasına oldukça bağlı olduğunu gösterdi. Al/p-Si diyotlarda doğrultma oranı (±3V da),1x10 3 iken, Al/ 0 H 1 /p-si diyotlarda ise 1,7x10 4 olarak bulundu. Aynı zamanda Al/ 0 H 1 /p-si diyotunda kaçak akımının büyüklüğünün, Al/p-Si Schottky diyota göre 10 kat daha düşük olduğu görüldü. Benzer şekilde Ohm Yasası kullanılarak elde edilen R s ve R sh değerleri sırasıyla, doğru öngerilim ve ters öngerilim eğrilerinden, Al/ 0 H 1 /p-si Schottky engel diyotu için 544 ve 11M, Al/p-Si Schottky engel diyotu için 716 ve 1,83 M olarak bulundu.

5 v Bunlara ilave olarak Al/ 0 H 1 /p-si ve Al/p-Si diyotlarının voltaja bağlı Nss dağılım profili düşük-yüksek frekans-kapasitans ( LF - HF ) metodu kullanılarak elde edildi. Al/ 0 H 1 /p-si diyotu için N ss değerlerinin, Al/p-Si diyotu değerlerinden kat daha düşük olduğu görüldü. Elde edilen bu deneysel sonuçlar ışığında, kullanılan perylene ( 0 H 1 ) arayüzey polimer tabakasının, Schottky diyotunun performansını oldukça iyileştirdiği görülmektedir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimler : Perylene ( 0 H 1 ), MS ve MPS tipi Schottky engel diyotlar, yüksek-düşük frekans kapasitans metodu, ara yüzey durum yoğunluğu, seri ve kısa devre direnci, elektriksel özellikler. Sayfa Adedi : 76 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL

6 vi A OMPARATIVE STUDY ON THE ELETRIAL HARATERIZATION OF Al/p-Si (MS) STRUTURES WITH AND WITHOUT INTERFAIAL PERYLENE ( 0 H 1 ) LAYER AT ROOM TEMPERATURE (M. Sc. Thesis) Çiğdem BİLKAN GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SHOOL OF NATURAL AND APPLIED SIENES August 013 ABSTRAT Perylene ( 0 H 1 ) thin interfacial layer was deposited on p-si using spin coating system to improve the performance of Al/p-Si Schottky barrier diode (SBD). In order to compare with and without perylene SBD Al/ 0 H 1 /p-si and Al/p-Si type diodes were fabricated and they called as D and D 1 respectively. The main electrical parameters of D 1 and D diodes, such as ideality factor (n), barrier height ( B ), series resistance (R s ), shunt resistance (R sh ), voltage dependent density distribution profile of interface states (N ss ) and depletion layer width (W D ) were obtained from the forward bias current-voltage (I-V) and admittance spectroscopy methods (capacitance-voltage (-V) and conductance-voltage (G/w-V) measurements) at room temperature. Experimental results show that the rectifying ratio of Al/p-Si type SBD is,1x10 3 while with 0 H 1 type SBD is 1,7x10 4 at (± 3 V). Also, the leakage current was found very sensitive to the 0 H 1 and the magnitude of the leakage current of perylene based diode is almost one order lower than that of MS or D 1 diode. Similarly, the values of R s and R sh were obtained from the forward bias I-V data using Ohm s Law and they found as 716 and 1,83 Mfor the MS-type SBD and 544 and 11 Mfor the MPS-type SBD. In addition, the voltage dependent density

7 vii distribution profile of N ss of the MS and MPS type SBDs were obtained by the low-high frequency capacitance ( LF - HF ) method and the obtained mean value of N ss for MPS SBD is two times lower than that for MS SBD. These results show that the performance of the MS type SBD can be improved by using with a thin interfacial 0 H 1 polymer layer between metal and semiconductor. Science ode : Key Words : Perylene ( 0 H 1 ), MS and MPS type Schottky barrier diodes, high-low frequency capacitance method, interface state density, series and shunt resistance, electrical characteristics. Page Number : 76 Supervisor : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca engin tecrübelerinden faydalandığım ve benim için her türlü desteğini esirgemeyen Gazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü Öğretim Üyesi saygıdeğer hocam Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL a teşekkürü bir borç bilirim. Tez çalışmalarım boyunca tarafıma tahsis ettiği Yüksek Lisans Bursu ndan dolayı TÜBİTAK a teşekkürü bir borç bilirim. Tez çalışmalarım boyunca yönlendirmeleriyle yaptıkları katkılardan dolayı Umut AYDEMİR e ve bana her türlü çalışma imkânı sağlayan Gazi Üniversitesi Fizik Bölüm Başkanlığına çok teşekkür ederim. Hayatım boyunca bana maddi ve manevi en büyük desteği sağlayan aileme ve değerli eşim Arş. Gör. Mustafa Tuğfan BİLKAN a teşekkür ederim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRAT... vi TEŞEKKÜR... viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xii RESİMLERİN LİSTESİ... xv SİMGELER VE KISALTMALAR... xvi 1. GİRİŞ TEORİK BİLGİLER Metal-Yarıiletken (MS) Kontaklar Metal-Yarıiletken (MS) Kontaklarda Schottky Mott Teorisi Metal/n tipi -yarıiletken doğrultucu kontaklar ( m > s ) Metal/n tipi -yarıiletken ohmik kontaklar ( m < s ) Metal/p tipi -yarıiletken doğrultucu kontak ( s > m ) Metal/p tipi -yarıiletken ohmik kontak ( m > s ) Metal-Yarıiletken (MS) Kontaklarda Başlıca Akım İletim Mekanizmaları Termoiyonik emisyon (TE) teorisi Difüzyon teorisi Tünelleme (Alan emisyonu ve termoiyonik alan emisyonu) Deplasyon bölgesinde üretilme ve yeniden birleşme T o etkili akım iletimi... 3

10 x Sayfa.4. Norde Fonksiyonları ile Schottky Diyot Parametrelerinin Belirlenmesi Düşük-Yüksek Frekans Kapasitans Metodu MPS Diyotlarda Ara yüzey Durum Yoğunluğu Teorisi DENEYSEL YÖNTEM Perylene in Özellikleri Kristal Temizleme Spin oating Yöntemi ile p-si Üzerine Perylene ( 0 H 1 ) Büyütülmesi Al/Perylene/p-Si SBD un Hazırlanması Deneysel Ölçüm Sistemi Keithley 400 akım-gerilim kaynağı HP 419ALF empedans analizörü DENEYSEL SONUÇLAR Giriş Ara Yüzey Polimer Tabakasının Akım-Voltaj (I-V) Karakteristiklerine Etkisi Ara Yüzey Polimer Tabakasının Kapasitans-Voltaj (-V) ve Kondüktans Voltaj (G/w-V) Karakteristikleri Üzerine Etkisi TARTIŞMA VE SONUÇLAR KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 76

11 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge.1. İş fonksiyonlarına göre doğrultucu ve ohmik kontakların oluşumu... 6 Çizelge 3.1. Perylene in bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 4.1. Norde metodu ile Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotları için oda sıcaklığında elde edilen bazı elektriksel parametreler

12 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil.1. a) Doğrultucu, b) ohmik kontakların akım-gerilim karakteristikleri... 7 Şekil.. Metal/n tipi yarıiletken doğrultucu kontağın m > s durumunda a) Kontak oluşmadan önceki metal ve yarı iletkenin enerji bant diyagramı, b) Kontak oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/n tipi yarıiletken doğrultucu kontağın doğru öngerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/n tipi yarıiletken doğrultucu kontağın ters öngerilim altındaki enerji bant diyagramı Şekil.3. Metal/n tipi yarıiletken ohmik kontağın m < s durumunda, a) Kontak oluşmadan önceki metal ve yarıiletkenin enerji bant diyagramı, b) Kontak oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/n tipi yarıiletken ohmik kontağın doğru öngerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/n tipi yarıiletken ohmik kontağın ters öngerilim altındaki enerji bant diyagramı Şekil.4. Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu kontağın s > m durumunda, a) Eklem oluşmadan önceki enerji bant diyagramı, b) Eklem oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu eklemin doğru ön-gerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu eklemin ters ön-gerilim altındaki enerji bant diyagramı Şekil.5. Metal/p tipi yarıiletken ohmik kontağın s < m durumunda, a) Kontak oluşmadan önceki metal ve yarıiletkenin enerji bant diyagramı, b) Kontak oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/p tipi yarıiletken ohmik kontağın doğru öngerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/p tipi yarıiletken ohmik kontağın ters öngerilim altındaki enerji bant diyagramı... 15

13 xiii Şekil Sayfa Şekil.6. Metal/n tipi Si yarıiletkende doğru öngerilim altında temel akım iletim mekanizmaları; a) Potansiyel engelin tepesi üzerinden, metalin içersine doğru elektronların iletimi (termoiyonik emisyon), b) Elektronların engel içinden doğrudan kuantum-mekaniksel tünellemeleri (engel içinde tünelleme), c) Uzay yük bölgesinde yeniden birleşme, d) Metalden yarıiletkene deşik enjeksiyonu Şekil.7. a) FE ve b) TFE mekanizmalarının oluşumu... 1 Şekil.8. Farklı akım iletim mekanizmalarını gösteren nkt/q-kt/q grafiği... 4 Şekil.9. MIS/MPS kapasitörün eşdeğer devresi (a) Yüksek frekans (b) Düşük frekans Şekil.10. p-tipi MIS/MPS kapasitörün yüksek frekans ve düşük frekans eğrileri Şekil.11. Ara yüzey tuzaklarının etkisini içeren eşdeğer devre Şekil.1. MPS yapının eşdeğer devresi Şekil 3.1. Ohmik kontak oluşturmak için kullanılan maske Şekil 3.. Spin coating düzeneği ve mekanizması Şekil 3.3. Doğrultucu kontak oluşturmak için kullanılan maske Şekil 3.4. Al/ 0 H 1 /p-si (MPS) tipi SBD un şematik diyagramı... 4 Şekil 3.5. Deneysel ölçüm sisteminin şematik görünümü... 4 Şekil 4.1. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında doğru ve ters belsem altında yarı logaritmik akımpotansiyel (lni-v) karakteristikleri Şekil 4.. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında doğru ve ters belsem altında yarı logaritmik dirençvoltaj (lnr i -V) karakteristikleri Şekil 4.3. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında doğru öngerilim altında Norde fonksiyonu-potansiyel (F(V)-V) karakteristikleri... 5

14 xiv Şekil Sayfa Şekil 4.4. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında doğru ve ters belsem altında logaritmik akımpotansiyel (lni-lnv) karakteristikleri Şekil 4.5. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında R s li ve R s siz ara yüzey durumlarının enerji yoğunluk dağılım karakteristikleri Şekil 4.6. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında doğru ve ters belsem altında -V karakteristikleri Şekil 4.7. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının doğru ve ters belsem altında oda sıcaklığında G/w-V karakteristikleri Şekil 4.8. Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının doğru ve ters belsem altında oda sıcaklığında - -V karakteristikleri Şekil 4.9. a) Al/p-Si ve b) Al/perylene/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında LF -V ve HF -V karakteristikleri Şekil Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında enerji yoğunluk dağılım karakteristikleri Şekil Al/perylene/p-Si ve Al/p-Si Schottky engel diyotlarının oda sıcaklığında 1 MHz de düzeltilmiş a) kapasitans ( c ) ve b) kondüktans (G c /) karakteristikleri

15 xv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Perylene ( 0 H 1 ) yapısal diyagramı ve görünümü Resim 3.. Mavi ışık yayan OLED Resim 3.3. Deneysel ölçüm sistemi Resim 3.4. Keithley 400 akım-gerilim kaynağı Resim 3.5. HP 419ALF empedans analizörü... 44

16 xvi SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılan bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama A Å A * o i sc m c G c E v E c E F E g E i o i s Hz K k * m e * m h Alan Angstrom Etkin Richardson sabiti Kapasitans Ara yüzey tabakanın sığası Ara yüzey tabakanın kapasitansı Uzay yükü kapasitansı Ölçülen kapasitans değeri Düzeltilmiş kapasitans değeri Düzeltilmiş kondüktans değeri Değerlik (valans) bant kenarı enerjisi İletkenlik bant kenarı enerjisi Fermi enerjisi Yarıiletken yasak enerji aralığı Saf durumdaki enerji seviyesi Boşluğun elektrik geçirgenliği Yalıtkan tabakanın dielektrik sabiti Yarıiletkenin dielektrik sabiti Frekans birimi (Hertz) Kelvin cinsinden sıcaklık Boltzmann sabiti Elektronun etkin kütlesi Deşiğin etkin kütlesi

17 xvii Simgeler Açıklama m o N D N A N c N v N ss Q sc q R i R s R sh T V V d V F V R V y V yi V G W D Y Z B Bo s m e n Serbest elektron kütlesi Verici katkı atomlarının yoğunluğu Alıcı katkı atomlarının yoğunluğu İletkenlik bandındaki durumların yoğunluğu Değerlik bandındaki durumların yoğunluğu Arayüzey durum yoğunluğu Uzay yükü Elektrik yükü Direnç Seri direnç Kısa devre direnci Mutlak sıcaklık Gerilim Difüzyon potansiyeli Doğru öngerilim Ters öngerilim Ara yüzey veya polimer üzerine düşen gerilim Yarıiletken üzerine düşen gerilim Doğrultucu kontağa uygulanan gerilim Tüketim tabakasının genişliği Admittans Empedans Potansiyel engel yüksekliği Sıfır beslem potansiyel engel yüksekliği Yarıiletkenin iş fonksiyonu Metalin iş fonksiyonu Etkin engel yüksekliği n- tipi bir yarıiletkenin iletkenlik bandı ile Fermi seviyesi arasındaki enerji farkı (=E Fn )

18 xviii Simgeler s Ψ s Açıklama Polimer ara yüzey tabaka kalınlığı Ohm Özdirenç Elektron yakınlığı Yüzey potansiyeli Kısaltmalar Açıklama A -V D G/w-V I-V MIS MOS MPS MS SBD Alternatif akım Kapasitans-voltaj Doğru akım Kondüktans-voltaj Akım-voltaj Metal-Yalıtkan-Yarıiletken Metal-Oksit-Yarıiletken Metal-Polimer-Yarıiletken Metal-Yarıiletken Schottky engel diyotu

19 1 1. GİRİŞ Metal- Yarıiletken ara yüzeyinde bir engel oluştuğunu ilk olarak Schottky ortaya koyduğu için metal-yarıiletken kontaklar, Schottky engel diyotlar olarak da adlandırılırlar. MS Schottky engel diyotların zamanla teknolojik gelişimi kısaca aşağıda yer almaktadır; İlk olarak 1874 de Braun, Schottky diyotlarını radyo ve radar dedektörü, nokta kontak metal-yarıiletken doğrultucular ve entegre devrelerde anahtar hızını artırmak amacıyla kullanmıştır yılında Pickard, silisyumu kullanarak metal-yarıiletken kristal dedektörler için patente layık görülmüştür. İkinci dünya savaşı sırasında nokta kontak ve doğrultucular mikrodalgalarda ve frekans dönüştürücülerinde kullanılmıştır de Pierce, yarıiletken üzerine metal püskürtüldüğünde diyotların doğrultma özelliği gösterdiğini bulmuştur. 190 li yıllarda radyo dalgalarının algılanmasında vakum tüpleri kullanılmıştır. Yarıiletken ve metalin ara yüzeyin oluşumundaki etkileri 1930 lu yıllarda incelenmeye başlandı de Schottky ve Mott metal ile yarıiletkenin ara yüzeyinde oluşan potansiyel engeli ile ilgili teoriler üretmişlerdir. Schottky sabit uzay yükü için, elektrik alan şiddetinin, uzay yük tabakasının kenarından olan uzaklık ile artması sonucu bir parabolik engel oluştuğunu (Schottky engeli) söylerken, Mott hiç yük içermeyen ince bir yarıiletken tabakasını, düzenli olarak katkılanan bir metal ve yarıiletken arasına sandviçleyerek bu ince bölgede elektrik alanın büyüklüğünün sabit ve potansiyelin bu bölgeye doğru geçerken lineer olarak arttığını (Mott engeli) söylemiştir [1,, 3, 4]. Schottky-Mott teorisine göre, oluşan potansiyel engelin nedeni metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonları arasındaki

20 nicelik farkıdır. Potansiyel engelin büyüklüğü ise, yine bu modele göre metalin iş fonksiyonu ile yarıiletkenin elektron ilgisinin farkı alınarak elde edilir []. Ancak daha sonra yapılan deneyler, Schottky engel yüksekliğinin, metalin iş fonksiyonundan daha çok metal/yarıiletken kontağın hazırlanma yöntemlerine bağlı olduğunu göstermiştir. Elde edilen sonuçlara göre, bu teorinin eksikliği metal/yarıiletken ara yüzeyde pratikte her zaman mümkün olan bir tabakanın varlığını dikkate almamasıydı. Bu tabakanın kalınlığı ve kimyasal yapısı kontağın hazırlanma şartlarına göre değişebilir. Başka bir deyişle, çok ince de olsa metal/yarıiletken ara yüzeydeki bir tabakanın varlığı ve bu tabaka içinde bulunabilecek iyonlar nedeniyle oluşan elektronik arayüzey hal yoğunlukları, yarıiletkene ait Fermi seviyesinin yasak enerji aralığındaki hareketini sınırlandırmaktadır. Schottky-Mott teorisi yalnızca ideal durumlar için geçerlidir. Bu sonuç üzerine, Bardeen yeni bir model önererek, metal/yarıiletken ara yüzeyde yeterli sayıda yerel elektronik hallerin olması durumunda, potansiyel engel yüksekliğinin metalin iş fonksiyonundan bağımsız olacağını söyledi [5]. Bethe 194 de termoiyonik emisyonun metal yarıiletken kontaklara uygulanabileceğini göstermiştir li yıllarda Bardeen ve Brattain, nokta kontak Germanyum diyotlarda taşıyıcı enjeksiyonu bulmuşlar ve nokta kontak Ge transistörünü yapmışlardır. Ayrıca Torrey ve Whitmer metal bir telin yarıiletken yüzeyine dokundurulmasıyla elde edilen nokta kontak diyotunu elde etmişlerdir li yıllarda metal-yarıiletken kontaklar p-n eklem şeklinde ohmik kontak olarak elde edilmiş ve kullanılmıştır. Baird 1964 de Schottky engelini Si transistörle birleştirerek metal yarıiletken alan etkili transistörü bulmuştur. rowell ve Sze 1966 da Schottky nin difüzyon teorisi ile Bethe nin termoiyonik emisyon teorisini birleştirmişlerdir.

21 3 ard ve Rhoderick 1971 de ara yüzey tabakasının ve ara yüzey durum yoğunluğunun diyot karakteristiklerine etki ettiğini söylemiştir lardan beri birçok metal/polimer/yarıiletken Schottky diyotların üretimi ve onların elektriksek karakteristiklerinin incelemesi yapılmıştır. Bu çalışmada ise Al/p-Si ve organik ara yüzeyli Al/perylene/p-Si Schottky engel diyotlarının I-V ve -V ölçümleri yapılarak bazı diyot parametreleri incelendi [6, 7, 8]. Metal-yarıiletken (MS) kontaklarda yani Schottky diyotlarda metal ile yarıiletken arasına hem metal ile yarıiletkeni birbirinden izole eden hem de aralarındaki yük geçişlerini düzenleyen ince bir yalıtkan tabaka veya rhodamine-101 [9], poly(aniline) [10], tetraamide-i [11], phenolsulfonphthalein [1], chitin [13], β-carotene [14], safranin T [15], polyvinyl alcohol (PVA) [16-19], PIAn [0,1], PEDOT [], polyindole [3] ve perylene [4] vb. polimerlerden biri yerleştirildiğinde bu MS yapı artık metal-yalıtkan/polimer-yarıiletken (MIS/MPS) olur. Bu ara yüzey tabaka İnorganik ince filmleri büyütebilmek için birçok metot vardır ancak bu metotlar pahalıdır ve gelişmiş laboratuvar koşulları gerektirmektedir. Bu nedenle geleneksel yollarla büyütülmüş yalıtkan tabakaların yerine son zamanlarda üretim maliyetini ciddi ölçüde düşüren, spin kaplama yöntemiyle bol miktarlarda üretilebilen, organik ince filmler yani polimerler kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra, mekanik olarak dayanıklı olması, hem metal hem de yarıiletken gibi davranabilmesi, inorganik materyallere göre daha iyi kontrol edilebilir akım iletim mekanizmaları gerçekleştirmesi, yüksek elektriksel iletkenlik sağlaması, sızıntı akımını azaltması, sıcaklığa karşı kararlı ve dayanıklı olması organik ince filmleri yani polimerleri metal-yarıiletken kontak imalinde tercih edilen materyaller haline getirmiştir. Bu tür yapılar modern elektronik endüstrisinde, elektronik sanayinde, MOSFET (Metal- Oksit-Yarıiletken alan etkili transistörler), MESFET (Schotkky engel tabakalı alan etkili transistörler), hızlı anahtar (switching) uygulamaları, mikrodalga karıştırıcı dedektörleri, varaktörler (kapasiteleri uygulanan gerilime göre değişen

22 4 kondansatörler), fotovoltaik güneş pilleri [5-7], lazer boyaları [8], organik ışık yayan diyotlar [9] gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır [6]. MIS ya da MPS Schottky engel diyotların özelliklerini açıklayan çok sayıda çalışma mevcuttur. Ancak yine de akım iletim mekanizmaları tam olarak aydınlığa kavuşturulamamıştır. Kullanılan ara yüzey tabakanın aygıt performansı, kararlılığı ve güvenirliliği açısından önemli olduğu bilinmektedir. Yapısal kusurlardan ve safsızlıklardan dolayı oluşan ara yüzey durumları yarıiletkenin enerji bant yapısını değiştirebilir. Baskın iletim mekanizması, sıcaklık, yüzey hazırlık süreci, metal ile yarıiletken arasındaki ara yüzey tabakanın oluşumu, metal yarıiletken ara yüzeyinde engel yüksekliği, engel homojensizliği, yarıiletkenin katkı konsantrasyonu, ara yüzey durumlarının enerji yoğunluğu dağılımı ya da kusurlar, aygıtın seri direnci ve kısa devre direnci, gibi birçok parametreye bağlıdır [16-4]. Genel olarak MS, MIS ya da MPS yapılarında doğru öngerilim altında yarı logaritmik I-V karakteristikleri lineerdir, ancak ileri pozitif voltaj değerlerinde (V 1V) özellikle seri direnç (R s ) ve metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan ya da polimer tabakası nedeniyle eğri lineerlikten önemli ölçüde sapar. N ss ise özellikle artan gerilim bölgesinde etkilidir. R s değeri hem I-V hem -V hem de G/w-V karakteristiklerini etkiler. -V eğrilerinde yığılma bölgesinde bükülmeye neden olur. Kaçak akımın azalması ve ara yüzey tabakasının büyümesiyle ilgilidir [30]. Bu çalışmada Al/p-Si (MPS) Schottky engel diyotun performansını geliştirmek amacıyla, p-si üzerine, spin kaplama yöntemi kullanılarak perylene tabakası büyütüldü ve Perylene li Al/ 0 H 1 /p-si (MPS) Schottky engel diyotu hazırlandı. Bu MS ve MPS tipi diyotların doğrultma oranı (DO), idealite faktörü (n), engel yüksekliği ( B ), seri direnç (R s ), kısa devre direnci (R sh ), ara yüzey durumlarının yoğunluğu (N ss ) ve tüketim tabakasının kalınlığı (W D ) gibi ana elektriksel parametreleri; oda sıcaklığında ölçülen doğru ve ters öngerilim altındaki I-V, -V ve G/w-V ölçüm metotları kullanılarak karşılaştırıldı. Ayrıca düşük-yüksek frekans ( LF - HF ) metodu ve Ohm kanunu kullanılarak sırasıyla voltaja bağlı N ss dağılım

23 5 profili ve diyotun rezistans profilleri elde edildi. Norde metodu kullanılarak da engel yüksekliği ( B ) ve seri direnç (R s ) değerleri elde edildi. Elde edilen sonuçlar, 0 H 1 ara yüzey polimer tabakasının Schottky engel diyotun performansını geliştirdiğini göstermiştir. Bu çalışma beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, MS, MIS ve MPS Schottky engel diyotların tarihsel gelişimi, önemi ve kullanım alanları ile yapılan çalışmanın içeriği hakkında bilgi verildi. İkinci bölümde, MS Schottky engel diyotların yapısı, bazı akım iletim mekanizmaları ve bazı özel akım iletim metotları üzerinde duruldu. Üçüncü bölümde, perylene in özellikleri, numunenin hazırlanma aşamaları, Spin coating yöntemi ve kullanılan deneysel sistem hakkında bilgi verildi. Dördüncü bölümde, akım- voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (-V) ve iletkenlikvoltaj (G/w-V) ölçümlerinden elde edilen veriler kullanılarak gerekli grafikler çizilip temel diyot parametreler hesaplandı. Beşinci bölümde ise elde edilen deneysel sonuçlarla ilgili değerlendirme yapılarak sonuçlar yorumlandı.

24 6. TEORİK BİLGİLER.1. Metal-Yarıiletken (MS) Kontaklar Metal-yarıiletken schottky diyotlar tüm yarıiletken tabanlı devre elemanlarının temelini teşkil eder. Schottky diyotlar bir metal ile yarıiletkenin yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında sıkı kontak edilmesiyle oluşturulur. Kontak edildiğinde ara yüzey bölgede yüklerin ayrışmasından dolayı bir potansiyel engeli oluşur. Bu engel Schottky ve Mott tarafından yorumlanmıştır. Metal-yarıiletken schottky diyotlarda, metal ile yarıiletken ara yüzeyinde bir potansiyel engel oluştuğunu ilk olarak Schottky, eklemde oluşan potansiyel engelin, metal ile yarıiletkenin iş fonksiyonları arasındaki farktan kaynaklandığını ise ilk olarak Mott açıklamıştır. Metal-yarıiletken kontakların iletkenlik özelliklerinin incelenebilmesi kristale uygun kontakların uygulanması ile mümkündür. Kontaklar iki madde arasında mümkün olan en az dirençle (idealde sıfır dirençle) temas edecek şekilde yapılmalıdır [18]. Metal yarıiletken kontaklarda yükler her iki yönde de rahatça hareket edebiliyorlarsa ohmik, pozitif beslemde hareket edebilirken negatif beslemde hareket edemiyorlarsa bu kontaklara da doğrultucu kontak denir. Schottky-Mott modeline göre bir metal ile yarıiletken kontak edildiklerinde, oluşan kontak türünün ohmik veya doğrultucu olduğu seçilen metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonları arasındaki farka göre isimlendirilirler. Çizelge.1. İş fonksiyonlarına göre doğrultucu ve ohmik kontakların oluşumu İş fonksiyonlarının durumu Yarıiletken türü Kontak türü m > s n-tipi Doğrultucu m < s n-tipi Ohmik m > s p-tipi Ohmik m < s p-tipi Doğrultucu

25 7 Şekil.1. a) Doğrultucu, b) ohmik kontakların akım-gerilim karakteristikleri Bir yarıiletkenin özelliklerini anlatmak için fermi enerji seviyesi, iş fonksiyonu elektron ilgisi, vakum seviyesi gibi parametrelerden faydalanılmaktadır: Fermi Enerjisi: İletkenlerde, mutlak sıfır sıcaklığında (T=0 K o ), elektronlar tarafından taban durumundan itibaren işgal edilen en yüksekteki dolu seviyenin enerjisine denir. Yarıiletkenlerde ise iletkenlik ve valans bandındaki taşıyıcı sayısına ve sıcaklığa bağlı olarak, yasak enerji bölgesinde yer alan izafi seviye olarak tanımlanır. Fermi enerjisi n tipi yarıiletkenlerde iletim bandından itibaren ölçülürken, p tipinde valans bandından itibaren ölçülür. Vakum seviyesi: Bir metalin tam dışındaki kinetik enerjisi sıfır olan bir elektronun enerji seviyesi veya bir elektronu yüzeyden koparıp tamamen serbest hale getirebilmek için ihtiyaç duyulan minimum enerji miktarıdır. İş fonksiyonu: Bir elektronu Fermi enerji seviyesinden vakum seviyesine çıkarmak için ihtiyaç duyulan minimum enerji miktarıdır. m metalin iş fonksiyonu, s de yarıiletkenin iş fonksiyonunu temsil eder. Fermi enerjisi katkılanan madde atomlarının yoğunluğu ile değiştiğinden iş fonksiyonu da değişken bir niceliktir. Elektron ilgisi: Vakum seviyesi ile iletkenlik bandı arasındaki enerji farkı olarak tanımlanır.

26 8.. Metal-Yarıiletken (MS) Kontaklarda Schottky Mott Teorisi Metal ile yarıiletken kontak edildiğinde, Schottky Mott Teorisine göre, metal ile yarıiletken ara yüzeyinde yüklerin ayrılmasından dolayı metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonları arasındaki farktan kaynaklanan bir potansiyel engeli meydana gelir. Bu engelin oluşum süreci sıra ile n tipi ve p tipi yarıiletkenler için aşağıda anlatılacaktır...1. Metal /n tipi yarıiletken doğrultucu kontaklar ( m > s ) Şekil.. Metal/n tipi yarıiletken doğrultucu kontağın m > s durumunda a) Kontak oluşmadan önceki metal ve yarı iletkenin enerji bant diyagramı, b) Kontak oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/n tipi yarıiletken doğrultucu kontağın doğru öngerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/n tipi yarıiletken doğrultucu kontağın ters öngerilim altındaki enerji bant diyagramı.

27 9 Başlangıçta ayrı ayrı olan m iş fonksiyonlu metal ile s iş fonksiyonlu yarıiletken ( m > s ) kontak edildiğinde, enerji seviyeleri arasında termodinamik denge oluşuncaya kadar iş fonksiyonu küçük olan yarıiletkenden iş fonksiyonu büyük olan metale doğru taşıyıcı geçişi olur. Elektronların yarıiletkenden metale akmasıyla, yarıiletken sınırının yanındaki bölgede, serbest elektron yoğunluğunda azalma olur. Termodinamik dengedeki E F değeri, yarıiletken boyunca sabit kalacağı için iletkenlik bandı, Şekil.. b) de kontaktan sonra gösterildiği gibi eğrilir. Metale geçen iletkenlik bant elektronları, arkalarında pozitif yükler bırakırlar. Pozitif yüklü iyonlaşmış vericiler bir W D kalınlığına kadar yayılarak pozitif yük bölgesi oluştururlar. Metale geçen elektronların oluşturduğu elektron yükleri ise, temelde bir yüzey yüküdür ve metalde ince bir negatif bölge oluştururlar. Sonuç olarak pozitif bölgeden negatif bölgeye yani yarıiletkenden metale doğru bir iç elektrik alan oluşur. Şekil.. b) deki enerji bant diyagramında, yarıiletkenin bant aralığı E g, m ve s değerlerinin yarıiletken ile metal arasında kontak yapıldıktan sonra sabit kaldığı kabul edilir. Valans bandı E v, iletkenlik bandı E c aralığı yani yarı iletkenin yasak enerji aralığı E g sabit kalacak şekilde birbirlerine paralel olarak hareket ederler. Aynı zamanda yarıiletkenin elektron ilgisi eklem oluştuktan sonra da değişmediğinden geçiş bölgesinde yarı iletkendeki uzay seviyesi aşamalı olarak metaldeki vakum seviyesine sürekliliği korumak için yaklaşır. Vakum seviyesi E c nin değişimine benzer değişikliği gösterir. Bantların eğilme miktarı iki iş fonksiyonu arasındaki farka eşittir. qv ( ) (.1) i m s Eş..1 de; V i kontak potansiyel farkı, qv i yarı iletkenden metale gidecek olan elektronların sahip olması gereken enerji yani potansiyel engelidir. Ancak metal tarafından görülen engel yüksekliği ile yarıiletken tarafından görülen engel yüksekliği birbirinden farklıdır ve: ( ) ile verilir. (.) B m s

28 10 s s n ve m qvi s olduğu için B, (.3a) ( qv ) B i n (.3b) ifadesi elde edilir. Son eşitlikte n (=E c E F ) olup, Fermi seviyesinin yasak bandın ne kadar içerisinde olduğunu ve q elektron yükünü ifade etmektedir [31]. T sıcaklığındaki termal dengede, iletkenlik bant elektronlarının küçük bir kesri engeli aşabilecek yeterli enerjiye sahiptirler. Bu elektronlar yarı iletkenden metale akan I sm akımına neden olurlar. Bu akım, termodinamik dengeye gelinceye kadar devam eder ve termodinamik dengeye geldikten sonra metalden yarıiletkene geçen elektronların oluşturduğu eşit ve zıt yönlü I ms akımıyla dengelenir. Yarıiletkene, doğru öngerilim (V=V F ) gerilimi uygulanırsa, tüketim tabakası genişliği azalır, E F uygulanan voltaj kadar yukarı kayar. Bu bölge boyunca engel yüksekliği V i den V i -V F ye düşer. Yarıiletken tarafındaki elektronların gördüğü engel yüksekliği azalır ve yarıiletkenden metale elektron akışı artar. Dolayısı ile de I sm termodinamik denge durumundakine göre daha büyük bir değere ulaşır. Metalden yarıiletkene elektron akışında (I ms akımında) ise, metal boyunca gerilim düşmesi olmayacağından ve B aynı kalacağından dolayı bir değişiklik olmaz. Böylece yarıiletkene uygulanan gerilim, metalden yarıiletkene doğru net bir; I net I o ev exp 1 kt (.4) akımı oluşturur. Bu ifadeden de görüleceği gibi oluşan akım, uygulanan V gerilimiyle üstel olarak artmaktadır. Doğru öngerilimlenmiş eklemin enerji bant diyagramı Şekil.. c) de görülmektedir. Yarıiletkene, ters öngerilim (V=V R ) gerilimi uygulanırsa, tüketim tabakası genişliği artar, E F uygulanan voltaj kadar aşağı kayar. Şekil.. d) de görüldüğü gibi, bu

29 11 bölge boyunca engel yüksekliği V i den V i +V R ye ulaşır. Yarıiletken tarafındaki elektronların gördüğü engel yüksekliği artar ve yarıiletkenden metale elektron akışı termal denge durumundaki değerinden daha az olur. Metalden yarıiletkene elektron akışında ise bir değişme olmaz. Böylece I ms akımı, hemen hemen değişmez kalırken, I sm akımı termal denge değerinden daha küçüktür. Böylece yarıiletkene uygulanan gerilim, küçük bir ters akım oluşturur. Sonuç olarak metal yarıiletken doğrultucu eklem özelliği gözlenir [3].... Metal/ n tipi yarıiletken ohmik kontak ( m < s ) Şekil.3. Metal/n tipi yarıiletken ohmik kontağın m < s durumunda, a) Kontak oluşmadan önceki metal ve yarıiletkenin enerji bant diyagramı, b) Kontak oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/n tipi yarıiletken ohmik kontağın doğru öngerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/n tipi yarıiletken ohmik kontağın ters öngerilim altındaki enerji bant diyagramı

30 1 İş fonksiyonu metalinkinden büyük olan n tipi yarıiletkenin ( m < s ) durumundaki enerji bant diyagramı Şekil.3 te gösterilmiştir. Şekil.3. a), eklem oluşmadan önceki metal ve yarıiletken enerji bant diyagramlarını göstermektedir. Eklem oluştuktan sonra, termal dengeye ulaşıncaya kadar, elektronlar metalden yarıiletkenin iletkenlik bandına akar ve geride metalde pozitif yükler bırakırlar. Yarıiletkene geçen elektronlar yarıiletkenin metal kenarında birikirler. Denge sağlandığında yarıiletkendeki Fermi seviyesi Şekil.3. b) de görüldüğü gibi, s m değeri kadar yukarı yönelir. Metaldeki elektron konsantrasyonu çok büyük olduğundan, metaldeki pozitif yükler metal yarıiletken ara yüzeyinde yüzey yük tabakası oluştururlar. Yarıiletkende tüketim bölgesi oluşmadığı çok açıktır ve yarıiletkenden metale veya metalden yarıiletkene akan elektronlar için herhangi bir potansiyel engeli bulunmamaktadır. Elektron konsantrasyonu ara yüzey kenarında artmakta ve sistemin en büyük özdirenci yarıiletkenin yapısından kaynaklanmaktadır. Şekil.3.c) ve Şekil.3. d) de görüldüğü gibi, uygulanacak doğru ya da ters herhangi bir öngerilim, eklem boyunca akım oluşmasına neden olur. Akım, eklemin direnci ile belirlenir ve uygulanan gerilimin yönünden bağımsızdır. Doğrultucu özellik göstermeyen bu tip eklemler ohmik kontak olarak adlandırılır [33].

31 Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu kontak ( s > m ) Şekil.4. Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu kontağın s > m durumunda, a) Eklem oluşmadan önceki enerji bant diyagramı, b) Eklem oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu eklemin doğru ön-gerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/p tipi yarıiletken doğrultucu eklemin ters ön-gerilim altındaki enerji bant diyagramı [3]. Metal-p tipi yarıiletken doğrultucu kontak ( s > m ) durumunda tüm alıcılar iyonlaşmış olsun. Kontaktan önce yarıiletkenin Fermi seviyesi, metalin Fermi seviyesinden S - m kadar aşağıdadır. Şekil.4. a) Kontaktan sonra metalin Fermi seviyesi ile yarıiletkenin Fermi seviyesi aynı seviyeye ulaşıncaya kadar metalden

32 14 yarıiletkene elektron akışı olur. Bunun sonucu olarak yarıiletkenin ön yüzeyi negatif olarak yüklenir. Ayrıca metalden yarıiletkene gecen elektronlar arkasında deşikler bırakarak metalin ön yüzeyinin de yüklenmesine neden olur. Bu negatif yük tabakası iyonlaşmış alıcılar tarafından oluşturulur ve yük W D kalınlıklı uzay yük tabakası boyunca yayılır. Yarıiletken bloktaki enerji seviyeleri ( s - m ) kadar yükseltildiğinden, yarıiletken tarafındaki deşikler için yüzey engeli q S - m )=qv d (.5) kadardır. Burada V d difüzyon potansiyelidir. Metalin yüzeyine göre alınmış olan yarıiletken içindeki potansiyel, -V d dir. Metaldeki deşikler için potansiyel engeli ise, S - m ) + ( E s - s ) = (E s - m ) (.6) kadardır. Termal uyarılmadan dolayı yarıiletken ve metal tarafındaki bazı deşikler potansiyel engelini asıp, sırasıyla metal ve yarıiletken tarafına geçebilecek yeterli enerjiyi kazanırlarsa, termal dengeye ulaşıncaya kadar engeli gecen taşıyıcılar eşit fakat zıt yönlü I ms ve I sm akımları oluşacaktır. Bu durumda sistem termal dengededir ve net akım akısı sıfırdır ve Şekil.4. b) de gösterilmiştir. Yarıiletkene, doğru öngerilim (V=V F ) gerilimi uygulanırsa, tüketim tabakası genişliği azalır, E F uygulanan voltaj kadar yukarı kayar. Şekil.3. de görüldüğü gibi, bu bölge boyunca gerilim V i den V i -V F ye düşer. Bu durumda metalden yarıiletkene akan deşik akımında değişiklik olmayacak fakat yarıiletkenden metale akan deşik akımı, yarıiletkendeki enerji seviyeleri ev kadar düştüğü için exp(ev/kt) çarpanı kadar değişir. Doğru öngerilimlenmiş eklemin enerji bant diyagramı Şekil.4. c) de görülmektedir [1,]. Yarıiletkene, ters öngerilim (V=V R ) gerilimi uygulanırsa, tüketim tabakası genişliği artar, E F uygulanan voltaj kadar aşağı kayar. Şekil.4 (d) de görüldüğü gibi, bu bölge boyunca gerilim V i den V i +V R ye ulaşır. Bu durumda metalden yarıiletkene

33 15 akan deşik akımında değişiklik olmayacak fakat yarıiletkenden metale akan deşik akımı, yarıiletkendeki enerji seviyeleri ev kadar arttığı için exp(ev/kt) çarpanı kadar değişir. Yarıiletkenden metale deşik akımı termal denge durumundaki değerinden daha azdır. Böylece yarıiletkene uygulanan gerilim, küçük bir ters akım oluşturur. Ters öngerilimlenmiş eklemin enerji bant diyagramı Şekil.4. d) de görülmektedir...4. Metal/p tipi -yarıiletken ohmik kontak ( m > s ) Şekil.5. Metal/p tipi yarıiletken ohmik kontağın s < m durumunda, a) Kontak oluşmadan önceki metal ve yarıiletkenin enerji bant diyagramı, b) Kontak oluştuktan sonraki termal denge durumu, c) Metal/p tipi yarıiletken ohmik kontağın doğru öngerilim altındaki enerji bant diyagramı, d) Metal/p tipi yarıiletken ohmik kontağın ters öngerilim altındaki enerji bant diyagramı

34 16 İş fonksiyonu metalinkinden küçük olan p tipi yarıiletkenin ( s < m ) durumundaki enerji bant diyagramı Şekil.5 de gösterilmiştir. Şekil.5. a), eklem oluşmadan önceki metal ve yarıiletken enerji bant diyagramlarını göstermektedir. Eklem oluştuktan sonra, termal dengeye ulaşıncaya kadar, yarıiletkenden metale, yarıiletken tarafında deşik bırakarak elektron geçişi olur. Fermi seviyeleri dengeye ulaştığında, yarıiletken tarafında pozitif yüzey yükü ve metal tarafında da negatif yüzey yükü yer alır. Yarıiletkenden metale geçen elektronlar yarıiletkenin metal kenarında birikirler denge sağlandığında yarıiletkendeki seviyeler Şekil.5. b) de görüldüğü gibi, s m değeri kadar aşağı yönelir. Metaldeki elektron konsantrasyonu çok büyük olduğundan, metaldeki pozitif yükler metal yarıiletken ara yüzeyinde yüzey yük tabakası oluştururlar. Yarıiletkende tüketim bölgesi oluşmadığı çok açıktır ve yarıiletkenden metale veya metalden yarıiletkene akan holler için herhangi bir potansiyel engel bulunmamaktadır. Elektron konsantrasyonu ara yüzey kenarında artmakta ve sistemin en büyük özdirenci yarıiletkenin yapısından kaynaklanmaktadır. Şekil.5. c) ve Şekil.5. d) de görüldüğü gibi, uygulanacak doğru ya da ters herhangi bir öngerilim, eklem boyunca akım oluşmasına neden olur. Akım, eklemin direnci ile belirlenir ve uygulanan gerilimin yönünden bağımsızdır. Doğrultucu özellik göstermeyen bu tip eklemler ohmik kontak olarak adlandırılır [33]..3. Metal-Yarıiletken (MS) Kontaklarda Başlıca Akım İletim Mekanizmaları Termal denge durumundaki bir metal-yarıiletken kontağa gerilim uygulandığında yük taşıyıcıları metal ile yarıiletken arasındaki potansiyel engelini aşmak suretiyle akım oluştururlar. Ancak bu akım birden fazla akım iletim mekanizması ile gerçekleşir. Metal-yarıiletken kontaklarda oluşan bu mekanizmalar metal ile yarıiletken arasındaki oksit ya da polimer tabaka, ara yüzey durumları, seri direnç, sıcaklık, gerilimin yönü, yarıiletkenin tipi vb. faktörlerden oldukça etkilenmektedir. MS ve MIS/MPS yapılı kontaklarda başlıca akım-iletim mekanizmaları aşağıdaki gibi sıralanabilir [1,, 34]:

35 17 Termiyonik Emisyon Teorisi (TE) Difüzyon Teorisi Termiyonik Emisyon-Difüzyon Teorisi (TED) Kuantum Mekaniksel Tünelleme (Termiyonik Alan Emisyonu (TAE), Alan Emisyonu (AE) ve Çok katlı tünelleme) Uzay yük bölgesinde rekombinasyon Elektron veya deşik enjeksiyonu T o etkili akım iletimi Gaussian Dağılımı Şekil.6. Metal/ntipi Si yarıiletkende doğru öngerilim altında temel akım iletim mekanizmaları; a) Potansiyel engelin tepesi üzerinden, metalin içersine doğru elektronların iletimi (termoiyonik emisyon), b) Elektronların engel içinden doğrudan kuantum-mekaniksel tünellemeleri (engel içinde tünelleme), c) Uzay yük bölgesinde yeniden birleşme, d) Metalden yarıiletkene deşik enjeksiyonu Schottky diyotlarda diğer mekanizmaların yanında olabilecek en muhtemel mekanizma termoiyonik emisyon (TE) mekanizmasıdır. Yani yeterli termal enerjiyi kazanan yük taşıyıcısının potansiyel engeli üzerinden atlamasıdır. Bu mekanizma, Schottky engel yüksekliğini elde etmede yaygın olarak kullanılan standart bir modeldir [1].

36 Termoiyonik emisyon (TE) teorisi Termoiyonik emisyon, bir yüzeydeki taşıyıcıların kazandıkları termal enerjileri nedeniyle serbest kalması olayıdır. Metal-yarıiletken kontaklarda termoiyonik emisyon teorisi, taşıyıcıların termal enerjileri nedeniyle potansiyel engelini aşarak yarıiletkenden metale veya metalden yarıiletkene geçmesidir. Bir yarıiletkende bu olay akım iletimine ciddi ölçüde katkı sağlar. Metal/yarıiletken kontağa herhangi bir gerilim uygulandığında metal ve yarıiletkendeki Fermi seviyeleri termal dengede oldukları gibi aynı seviyede kalmazlar. Bu metal yarıiletken kontakların metal tarafında elektronlar için görülen engel yüksekliği uygulanan gerilime bağlı değildir; ancak yarıiletken tarafında elektronlar için engel yüksekliği uygulanan pozitif gerilimle azalırken, negatif gerilimle artmaktadır. Böylece doğru beslem altında yarıiletkenden metale doğru olan akım artarken ters belsem durumunda bu akım azalır. Schottky diyotlarda akım çoğunluk taşıyıcıları (metal/n-tipi yarıiletken Schottky diyotlarda elektronlar, metal/p-tipi yarıiletken Schottky diyotlarda ise boşluklar) tarafından sağlanır. Bethe nin MS kontaklarda akımın çoğunluk taşıyıcılar tarafından iletildiğini kabul ederek kurduğu TE nin varsayımları aşağıdaki şekildedir [1,, 35]: Potansiyel engelinin yüksekliği, kt/q enerjisinden çok büyüktür. Schottky bölgesinde taşıyıcı çarpışmaları olmamaktadır. Yani taşıyıcıların ortalama serbest yolları Schottky bölgesinin kalınlığından daha fazladır. Görüntü (hayali) kuvvetlerin etkisi ihmal edilmekte, engelin biçimi önemsiz olup akım engel yüksekliğine zayıfça bağlıdır [33]. Metal-yarıiletken kontaklardaki akım mekanizmaları ilk olarak Bethe tarafından ve daha ayrıntılı olarak da rowell ve Sze tarafından ortaya atılmıştır []. Bu akım aşağıdaki gibi yazılabilir; I qvd Io exp 1 nkt (.7)

37 19 Bu ifadedeki, q elektron yükü, k Boltzmann sabiti, T mutlak sıcaklık, V uygulanan gerilim ve n idealite faktörüdür. Yukarıdaki denklemde yer alan I 0 ters beslem doyma akımı olup; I o AA T q kt * exp B (.8) şeklinde yazılabilir. Bu ifadede bulunan A diyotun alanı, B Schottky engel yüksekliği ve A* Richardson sabitir ve; * * 4 q mn k A (.9) 3 h ile verilir..3.. Difüzyon teorisi Aralarında yoğunluk farkı bulunan bölgeler arasında, yoğunluğun çok olduğu bölgeden az olduğu bölgeye doğru yük geçişlerine difüzyon denir. Schottky tarafından verilen bu teori aşağıda verilen varsayımlara dayanmaktadır []: Potansiyel engel yüksekliği, kt/q enerjisinden çok büyüktür. Tüketim bölgesindeki elektronların çarpışma ihtimalleri dahil edilmiştir. x = 0 ve x = W deki taşıyıcı konsantrasyonu termal denge değerlerine sahip olup, akımdan etkilenmez. Akım difüzyon ve sürüklenme ile sınırlanmıştır. Yarıiletkendeki safsızlık konsantrasyonu dejenere değildir yani katkı atomların yoğunluğu değişmez. Bu varsayımlardan hareketle tüketim tabakasındaki akım, bölgesel alan ve yoğunluk farkına bağlı olduğundan akım-voltaj karakteristiğini çıkarmak için tüketim bölgesinde akım yoğunluğu metal/n-tipi yarıiletken kontaklar için;

38 0 J x Jn q p( x) ne( x) Dpn / x qdp qp( x) / kt V ( x) / x n / x (.10) yazılabilir. Burada D p elektron difüzyon sabiti, E(x) Schottky bölgesinde elektrik alanı, µ n taşıyıcı hareketliliği (mobilite) ve p(x) herhangi bir x noktasındaki taşıyıcı yoğunluğudur. Buna göre difüzyon teorisine göre akım yoğunluğu; J J SD exp( qv / kt) 1 (.11) ile verilir.burada J SD doyum akım yoğunluğu olup, 1/ J q N D kt q V V N q kt (.1) SD ( v p / ) ( d ) A / s exp( B / ) şeklinde ifade edilir. Burada Nv iletkenlik bandındaki etkin taşıyıcı yoğunluğu, s yarıiletkenin dielektrik geçirgenliğidir. Yukarıda bağıntılarda p(x) yerine n(x), D p yerine D n, N v yerine N c, N A yerine N D yazılarak benzer işlemler metal/p-tipi yarıiletken kontaklar için de geçerlidir [33] Tünelleme (Alan emisyonu ve termoiyonik alan emisyonu) Metal-yarıiletken Schottky kontaklarda akım iletim mekanizmalarının bir diğeri engel genişliğinin (deplasyon bölge genişliği) kalın olmadığı durumlarda meydana gelen tünellemedir. Tünelleme mekanizmasında, elektronlar engelin üzerinden atlamalarına gerek kalmadan Schottky engeli boyunca tünel tabirine uygun olarak direk geçerler [1, ]. Engel boyunca gerçekleşen elektron tünellemesi ya yarıiletkenin Fermi seviyesinden metale doğru elektron tünellemesiyle (alan emisyonu, FE) ya da yüksek enerjilere uyarılabilecek ve dar üçgen potansiyel boyunca tünellenebilecek olan elektronların termal enerjisi yardımıyla (Termoiyonik alan emisyonu, TFE) akıma katkıda bulunur. Yarıiletken aşırı katkılanarak Fermi seviyesi iletkenlik bandı ile neredeyse çakışacak gibi olduğu durumda tünelleme ihtimali artar (Şekil.7).

39 1 Alan emisyonu ve termoiyonik alan emisyon için akım; I I o exp qv E o (.13) ile verilir. Bu ifadede E o E oo qe coth kt oo (.14) E oo N d * me s 1 (.15) dır. Burada E oo tünelleme olasılığını temsil eden karakteristik enerji, m e * elektron etkin kütlesi, s dielektrik sabiti, N d donor konsantrasyonudur. kt/qe oo oranı termoiyonik emisyon ve tünelleme mekanizmaları hakkında önemli bilgiler verir. E oo, deplasyon bölgesi kenarında iletkenlik bandının tabanıyla çakışan enerjiye sahip bir elektron için karşı tarafa geçme ihtimaliyetinin 1/e ye karşılık gelen Schottky engelinin difüzyon potansiyelidir. kt<<qe oo ise alan emisyonu (FE), kt~qe oo ise termoiyonik alan emisyon (TFE) ve kt>>qe oo ise termoiyonik emisyon (TE) mekanizmalarının olması beklenir [1]. Şekil.7. a) FE ve b) TFE mekanizmalarının oluşumu [35]

40 .3.4. Deplasyon bölgesinde üretilme ve yeniden birleşme Deplasyon bölgesindeki jenerasyon (üretilme)-rekombinasyon (yeniden birleşme) etkileri termoiyonik emisyon akım iletim mekanizması bileşenine paralel bir artış verir. Bu etki özellikle orta sıcaklık bölgesinde önemli bir mekanizmadır [1, ]. Uzay yükü bölgesindeki rekombinasyonun önemi Yu ve arkadaşları tarafından ayrıntılı olarak açıklanmıştır [36]. Rekombinasyon olayı genel anlamda lokal durumlar sonucunda ortaya çıkar. Shockley-Read ve Hall teorilerine göre, en etkin olan rekombinasyon merkezleri, bant aralığının ortasına yakın enerjilere sahip merkezlerdir. Schottky diyotlarda rekombinasyonun olduğu durumlardaki akım iletim mekanizması pn eklem diyotun akım iletim mekanizmasına benzemektedir. Doğru öngerilimde küçük gerilim bölgesinde baskın olan rekombinasyon akım yoğunluğunun yaklaşık olarak; J r J ro qv qv exp 1exp kt kt (.16) ile verilebileceğini açıklanmıştır. J qn w / olup buradaki n i, asal elektron ro i r konsantrasyonudur ve n qe /kt şeklinde bir orantı vardır. Ayrıca burada w, i g deplasyon bölgesinin genişliği, τ r elektronların bu bölgeyi geçmesi için gerekli zamandır. Homojen dağılıma sahip merkezlerden dolayı, elektron ve holler için yakalama tesir kesitleri eşit olur. Rekombinasyon akımının termoiyonik emisyon akımına oranı, T Eg V B r exp q kt (.17) ile verilmektedir. Bu oran r, V ve E g ile artarken, B ile azalmaktadır. Doğru öngerilimdeki rekombinasyon akımının sıcaklıkla ters orantılı değişimi yüksek ve

41 3 düşük sıcaklıklarda iki farklı eğimi olan bir doğru verir. Bu bölgelerde, düşük sıcaklıklarda aktivasyon enerjisi ( E V) / değerine ve yüksek sıcaklıklarda ise g Φ B -V değerine yaklaşık olarak eşittir. Bu durumlar dikkate alındığında Schottky diyotlarda ideal durumdan sapmaların bir nedeni de rekombinasyon akımıdır. İdeal durumdan sapmalar özellikle düşük sıcaklıklarda daha belirgin olduğu için düşük sıcaklıklardaki ölçülerin de dikkate alınması gerekir. Şayet tünelleme ve imaj kuvvet azalması düşük bir donor konsantrasyonu ile önemli derecede azaltılırsa, deplasyon bölgesinde elektron-hol çiftlerinin jenerasyonundan (oluşması) dolayı fark edilebilir derecede bir ters akım oluşabilir. Bu işlem rekombinasyonun tersi bir işlem olup, jenerasyon mekanizmasıyla oluşan akım (J g ), J qn w /r ile verilir. Deplasyon bölgesinin genişliği Vd V g i ile orantılı olduğu için, akım yoğunluğu ters uygulama gerilimi ile artar. Jenerasyon akımı yüksek engel yüksekliği durumlarında ve kısa ömürlerin söz konusu olduğu yarıiletkenlerde çok önemlidir. Özellikle yüksek sıcaklıklardan ziyade düşük sıcaklılarda çok önemlidir. Çünkü, termoiyonik emisyon bileşeninden daha düşük aktivasyon enerjisine sahiptir. Deplasyon bölgesindeki jenerasyon-rekombinasyon etkileri, termoiyonik emisyon akım taşınma mekanizması bileşenine paralel bir artış verir. Bu durum özellikle orta dereceli sıcaklıklarda (175K-35K) önemli bir mekanizmadır [1,, 33] T o etkili akım iletimi İdealite faktörünün birden büyük olması görüntü kuvvet ya da ara yüzey durumlarından ortaya çıkıyorsa n sıcaklıktan bağımsız olmalıdır. Fakat n nin birden büyük olması eğer termoiyonik alan emisyonundan veya tüketim bölgesindeki rekombinasyon akımlarından kaynaklanıyorsa, idealite faktörü n sıcaklığa bağlıdır. Schottky diyotların çoğunluğunda n sıcaklığa bağlıdır. T o etkili J-V karakteristiği, J ** q B qv A T exp exp 1 k T To k T To (.18)

42 4 şeklinde ifade edilir. Burada T o geniş bir sıcaklık aralığında sıcaklık ve voltajdan bağımsız olan sabit bir parametredir. n nin sıcaklığa bağlılığı deneysel olarak n= 1+T o /T olarak ifade edilir. Voltajın fonksiyonu olarak değişik akım-iletim mekanizmaları Şekil.8 de görüldüğü gibi olabilir. I,II,III eğrileri, TE teorisinin baskın olduğu mekanizmaları belirtir. Bunlar n= 1, n > 1 ve T o etkili durumlarına karşılık gelir. IV eğrisi TAE ve V eğrisi AE iletim mekanizmalarının etkin olduğu durumları gösterir [33]. Şekil.8. Farklı akım iletim mekanizmalarını gösteren nkt/q-kt/q grafiği

43 5.4. Norde Fonksiyonları ile Schottky Diyot Parametrelerinin Belirlenmesi Schottky diyotlarının en önemli fiziksel parametreleri olan engel yüksekliği ( B ), idealite faktörü (n) ve seri direnç (R s ) değerlerini hesaplamak için bilinen geleneksel metot, deneysel akım voltaj (I-V) ve deneysel kapasitans-voltaj (-V) karakteristiklerini kullanmaktır. Ancak seri direnç (R s ) çok büyük ve ara yüzey durumları yeterince yüksek ise I-V ve -V karakteristikleri ideal durumdan sapmalar gösterir. Bu durumda hesaplamalar daha karışık bir hal alır ve hesaplanan temel parametrelerin güvenirliliği azalır. Fakat son zamanlarda bu durum için Norde tarafından sunulan metot, ideal olmayan Schottky diyotlarına da uygulanabilirliliği gösterilmiştir. Bu metot Norde tarafından n=1 için F(V) fonksiyonu yardımıyla seri direnç ve engel yüksekliğinin hesaplanması amacıyla geliştirilmiştir. Bu yöntem R s ve B nin sıcaklıkla değişmediği durumlarda uygulandığı için sadece tek bir sıcaklıkta elde edilmiş I V eğrisine ihtiyaç vardır [37]. Bohlin Schottky diyotunun I- V ölçümünden elde edilen 1<n< ( keyfi bir sayı olmak üzere) durumunda R s ve B yi belirlenmesini mümkün kılabilecek Norde fonksiyonun modifiye edilmiş bir modelini ileri sürmüştür [38]. Schottky diyotlar da termiyonik emisyon teorisine göre doğru öngerilim akımgerilim ifadesi aşağıdaki gibi ifade edilir. * qb qvd I AA T exp exp 1 kt nkt (.19) Bu ifadede ilk çarpan I o doyma akımı ve V D de engel tabakası boyunca gerilim düşmesi, A diyotun alanı, A* etkin Richardson sabiti, q elektronun yükü ve B potansiyel engel yüksekliğidir. Schottky diyotuna uygulanan geriliminin bir kısmının seri direnç üzerine V V IR şeklinde düşeceği düşünülürse Eş..19 ifadesi; D s

44 6 * q q V IR B I AA T exp exp s 1 kt nkt (.0) halini alır. Burada V dışarıdan uygulanan gerilimi, R s de seri direnci göstermektedir. Termoiyonik emisyon teorisi sadece diyotun doğru öngerilim I V karakteristiğinin lineer bölgesinde kullanılır. Yüksek seri dirençten dolayı lineer bölge kt / q V IRs aralığıyla sınırlanır. Bu durumda Ln() I V grafiğinin değerlendirilmesi daha karışık bir hal alır. Sonuç olarak bu bölgede doyum akımı I 0 ve engel yüksekliği B nin değeri güvenilir olarak hesaplanamaz. n, R s ve B nin değerlerini hesaplamak için değişik metotlar kullanılmaktadır. Bunlardan ilk olarak Norde nin sunduğu fonksiyon aşağıdaki gibidir. V kt I q AA T ln * FV (.1) F(V ) fonksiyonu yardımıyla n=1 için, R s ve B nin hesaplanmaya çalışılmıştır. Eş..19 un her iki tarafının Ln i alınıp Eş..1 de yerine yazıldığında, F V n IRs V n n B (.) n elde edilir. Burada R s =0 ideal durumu için F(V) V grafiğinin eğimi olan bir n doğrudur ve F(V ) eksenini V=0 da kestiği nokta bize B yi verir. Bu ifade aşağıdaki gibi verilebilir. V kt I q AA T Rs ln * FV (.3) Eş.. nin V ye göre türevi alınıp eşitlik düzenlenirse,

45 7 FV 1 n IRs n IR V n IRs n IRs s (.4) elde edilir. kt / q ve F( V) / V 0 durumunda F(V ) bir minimumdan geçer. Minimumdan geçen akım I oi, gerilim değeri ise V oi dir. Burada, n IoiR n I R oi si si 0 (.5.a) n I R 0 (.5.b) oi si yazılır. Bu ifadelerden R si ve B için sırasıyla, R si n kti (.6) I q oi n n 1 n Voi kti B F Voi Voi F Voi n n i n q (.7) eşitlikleri elde edilir. Burada Rsi, V0i, ve I 0i (i =1,,.n) farklı sıcaklıklara karşılık gelen değerlerdir. K.E Bohlin ise Schottky engel diyotunun I V ölçümünden elde edilen n, R s ve B değerlerinin belirlenmesini mümkün kılan iki farklı fonksiyon tanımlamıştır. Norde fonksiyonunun ilk terimi olan V yerine V terimi kullanılmıştır. değeri idealite faktöründen büyük olmak şartıyla n keyfi bir sabittir. Bu durumda Norde fonksiyonu, V 1 1 AA T, ln * FV (.8)

46 8 şeklini alır. Yine Eş..8 da her iki tarafın ln i alındığında, 1 1 IRs F V, V B n n (.9) eşitliği elde edilir. İdeal diyotta seri direncin sıfır olduğu düşünülürse FV, nın V ye göre grafiği, eğimi fonksiyon, n olan bir doğru olur. Fakat seri direnç varsa bu V 1 V Rs AA T, ln * F V (.30) ile ifade edilir. Yüksek voltaj değerleri için bu fonksiyon; eğimi 1 olan bir doğruya yaklaşır. değeri n den büyük olduğu sürece fonksiyon bir minimumdan geçer. FV, fonksiyonun V ye göre türevini alıp minimum noktada sıfıra eşitlediğimiz de aşağıdaki ifade elde edilir. I 0 n (.31) R s Burada ki I 0 ve V 0 değeri minimum noktadaki akım ve gerilim değerleridir. Sonuç olarak engel yüksekliği ve seri direnç için; 1 1 B F V0, V0 n n n (.3) o n Rs (.33) I

47 9 ifadeleri elde edilir [39, 40]..5. Düşük-Yüksek Frekans Kapasitans Metodu Önemli diyot parametrelerinden biri olan ara yüzey durum yoğunluğu (N ss ) belirlemek için bazı teknikler geliştirilmiştir. Bunlar klasik quasi-statik (QS), kapasitans voltaj (-V), admitans, kondüktans, düşük-yüksek frekans metodu gibi tekniklerdir. Bunlardan en önemlilerinden biri Kar ve Dahlke tarafından geliştirilen düşük-yüksek frekans metodudur. Bu metot, frekansın -V eğrilerine olan kapasitans katkılarının değerlendirilmesiyle ara yüzey durum yoğunluğu hakkında yorum yapabilmemizi sağlar. Oda sıcaklığında yüksek frekans (»1) kapasitans metodu, ara yüzey tuzak yoğunluğunun belirlenmesi için kullanılan ilk metotlardan biridir (3). Bu metotta oksit tabakasının kapasitansı ve tükenim bölgesinin kapasitansı birbirine seri bağlıdır. Zaman sabiti yükün ara yüzey durumlarına girip çıkmasına izin vermeyecek kadar uzundur. Ara yüzey durum yüklerinin kapasitansa katkılarının olmadığı yüksek frekanslarda (>100 khz) ara yüzey durumlarının varlığı kapasitansvoltaj eğrisinin biçimini değiştirecektir. Belli bir öngerilimde, ara yüzey durumlarında bulunan yükler oksitte ilave bir elektrik alanının oluşmasına sebep olurlar. Bu, oksit tabakası boyunca bir gerilim düşmesine neden olur. Sonuç olarak, kapasitans-voltaj eğrisi oksit tabakasında düşen gerilimin miktarı kadar yatay olarak kayacaktır. Yani, ara yüzey durumları A sinyaline cevap verememelerine rağmen yavaşça değişen D gerilimine duyarlıdırlar ve ara yüzey tuzak işgali uygulanan gerilim değişirken, gerilim ekseni boyunca HF kapasitans-voltaj eğrisinin yayılmasına neden olurlar. Tükenim veya tersinim durumunda olan bir MIS/MPS için uygulanan bir gerilimle metal tarafında yerleşmiş olan ilave yük, ek yarıiletken yüküne sebep olur. Bu ilave yük Q ss, değişik bant bükülmesi şartlarında oksit kapasitansının uçlarında meydana gelen ilave gerilimin ölçülmesiyle aşağıdaki eşitlik yardımıyla belirlenir [41]. V ( ) ox G s Qss (.34) Aox

48 30 Yukarıdaki eşitlikte V G (Ψ s ), ideal kapasitans-voltaj eğrisinden kayma miktarı göz önüne alınarak ölçülür. Şekil.9. MIS/MPS kapasitörün eşdeğer devresi (a) Yüksek frekans (b) Düşük frekans. MIS ya da MPS kapasitör devresinde, ara yüzey tabakasının kapasitansı ( i ), ara yüzey kapasitansı ( it ) ve uzay yük tabakası kapasitansının ( sc ) paralel birleşimine seri olarak bağlıdır.. Çok iyi biliniyor ki ara yüzey durumları ya da tuzaklardaki yükler, terslenim ve tüketim bölgelerinde yüksek frekanslarda dışarıdan uygulanan A sinyalini takip edemezler. Bu yüzden bu bölgelerde yüksek frekans kapasitans ölçümleri ara yüzey durum kapasitansını içermez. Ara yüzey durum kapasitansı, ara yüzey durum kapasitansı ile paralel olan uzay yük kapasitansından (düşük frekans kapasitans ( LF ) ölçümlerinden elde edildi), uzay yük tabakası kapasitansının (yüksek frekans kapasitans ( HF ) ölçümlerinden elde edildi) çıkarılması ile belirlenebilir ve aşağıdaki gibi ifade edilir [41]; it sc LF i Yüksek frekanslarda ara yüzey durumları A sinyaline karşılık veremez. Bu yüzden onlar ana kapasitansa direk olarak katılamazlar ama -V eğrilerinde sapmaya neden

49 31 olurlar. Bu yüzden kapasitans eşitliğinde oksit kapasitansı ox ve uzay yük kapasitansı sc ile seri bağlıdır ve aşağıdaki gibi ifade edilebilir; HF sci sc i Eş..35 ve.36 ifadelerinin birleşiminden ara yüzey durum yoğunluğu ifadesi aşağıdaki gibi verilebilir; qan ss it LF i HF i Şekil.10. p tipi MIS/MPS kapasitörün yüksek frekans ve düşük frekans eğrileri

50 3.6. MPS Diyotlarda Ara Yüzey Durum Yoğunluğu Teorisi Bir MPS yapının yapılışı sırasında silisyum yüzeyi ne kadar temizlense de giderilemeyen, yarıiletken örgünün kristal yüzeyinde bulunan yabancı bir atom veya bir bozunma nedeniyle, yasak enerji bölgesinde birim alan başına çok sayıda yasak enerji seviyesi meydana gelir. Bu seviyelere yüzey durumları adı verilir [1,]. Yapıdaki bu durum ideal MPS yapı karakteristiklerini etkileyecektir. Yüzey durumları yoğunluğu için kuramsal tahminler yüzey atomlarının yoğunluğu mertebesinde, yani cm - civarında fakat deneysel sonuçlar bunun sadece cm - mertebesinde olduğunu göstermektedir [1]. Yüzey durumları hızlı ve yavaş olmak üzere iki gruba ayrılır. Hızlı yüzey durumları yalıtkanın yarıiletken tarafındaki yüzeyinde yer alır ve yasak enerji bölgesinin ortasına yakın enerjilere sahiptirler. Dolayısıyla bant bükülmesi ile yüzey durumları da bükülmeden kalan Fermi seviyesine göre aşağı yukarı hareket edeceğinden iletkenlik veya valans bandı ile ani yük alışverişi yapar. Ara yüzeyde bulunan ve yasak enerji bölgesi dışındaki enerjilere sahip yüzey durumlarına sabit yüzey durumları ve taşıdıkları yüke de sabit yüzey yükü veya oksit yükü denir. Yavaş yüzey durumları polimerin metal tarafındaki yüzeyinde bulunan, yeterli sıcaklıklarda ve özellikle yüksek elektrik alan altında yalıtkan içerisinde hareket etmeye yatkın, hareketli iyonlardan oluşur. Bunlar MPS kapasitesini etkilemez, çünkü yavaş yüzey durumları termal oksidasyon ile neredeyse tamamen giderilebilirler. Tuzaklanmış ara yüzey yükleri, yarıiletken-polimer ara yüzeyinde, yarıiletkenin yasak enerji bant aralığındaki enerji durumlarına sahip ve kısa bir sürede silisyumdaki iletkenlik veya valans bandı ile ani yük alış verişi yapabildiklerinden dolayı bu yüzey durumlarına yüzey rekombinasyon (yeniden birleştirme) merkezleri de denir. Temiz yüzeylerde ve yüksek vakum altındaki ölçümler, yüzey atomlarının yoğunluğunun mertebesini çok yüksek yapar. Ara yüzey tuzaklar için dağılım fonksiyonu verici ara yüzey tuzaklar için ve alıcı ara yüzey tuzaklar için sırasıyla:

51 33 f SD 1 ( E ) t EF E (.38) t 1 g exp( ) kt f SA 1 ( E ) t 1 Et E (.39) F 1 exp( ) g kt şeklindedir. Burada E t, ara yüzey tuzak seviyesi enerjisi, E F Fermi enerji seviyesi ve g ise termal durum dejenerasyonu olup değeri verici tuzakları için, alıcı tuzaklar için 4 dür [40]. Bir öngerilim altında ara yüzey tuzak seviyeleri valans veya iletkenlik bantları ile Fermi seviyesi sabitleşene kadar yukarı veya aşağı hareket eder. Bu değişme MPS kapasitesinde ve ideal eğrisinde değişmeye sebep olur. Ara yüzey tuzaklarının etkisini kapsayan eşdeğer devre Şekil.11 de gösterilmiştir. Şekil.11. Ara yüzey tuzaklarının etkisini içeren eşdeğer devre Burada i ve D sırası ile yalıtkan kapasitans ve yarıiletken tükenim tabaka kapasitansıdır. S R S çarpanı ara yüzey tuzaklarının ömrü () olarak tanımlanmış ve bu ara yüzey tuzaklarının davranışını belirler. Şekil.11. in ilk kısmının paralel kolu,

52 34 ikinci kısmındaki gibi frekans bağımlı kapasitans P ve ona paralel bağlı frekans bağımlı iletkenlik G P şeklinde yazılabildiği gösterilebilir. Paralel koldaki admitans: P P S S D j G j R j Z Z Y (.40) şeklindedir. Burada iletkenlik G P ve kapasitans P : 1 1 S P P R G (.41a) 1 S D P (.41b) eşitlikleri ile verilir. Toplam empedans Z ise: ) 1 ( 1 1 P P P P P P i P P i G G G j j G j Z (.4) ve buradan toplam admitans Y top için: in in P P P i P P P P P top j G G G j G G Y ) ) ( ( ) ( (.43) eşitlikleri elde edilir [1, 4].

53 35 Şekil.1. MPS yapının eşdeğer devresi Eğer seri direnç varsa ve büyükse, ölçülen iletkenlik G m ve kapasitans m gerçek değerler değildir [4]. Bu durumun eşdeğer devresi Şekil.1 de gösterilmiştir. c G c j Z 1 1 T G T j Z 1 m G m j Z 1 (.44) Şimdi c ve G c analitik çözümünü yapılabilir. Z = Z 1 +Z den Z 1 = Z - Z dir. Buna göre; 1 1 ) 1 1 ( 1 T T m m c c G j G j G j Z ) ( ) ( ) ( ) ( ( 1 1 m T m T m T m T T m T m j G G G G j G G Z (.45) denkleminin paydası eşleniği ile çarpılır. G T = 1/R s yazılır ve T değeri ihmal edilirse düzeltilmiş iletkenlik için, ) (1 ) ( s m s m s m s m m c R R G R R G G G (.46)

54 36 elde edilir. Burada seri direnç R s, Şekil..1. nin ikinci kısmındaki devrenin empedansı Z nin reel kısmı olup yüksek frekansta ve kuvvetli yığılımdaki m ve G m değerlerinden hesaplanabilir [34]. 1 m m m m m m m m m m m m G j G G G j G G j Z (.47) m m m s G G R (.48) elde edilir. Eş..45 in düzenlenmiş şeklinin imajiner kısmı yani düzeltilmiş kapasitans, ) 1 ( s m s m m c R R G (.49) şeklindedir. Eş..46 ve Eş..49 denklemlerini yeniden düzenlersek [34], ) ( m m m m c a G (.50a) ) ( m m m c a a G G (.50b) elde edilir. Burada, s m m m R G G a ) ( (.51) olup m ve G m ölçülen kapasitans ve iletkenliktir. R s =0 durumunda c = m ve G c = G m olur.

55 37 3. DENEYSEL YÖNTEM 3.1. Perylene in Özellikleri Bu çalışmada p-si üzerine, spin kaplama yöntemi kullanılarak büyütülmüş perylene ara yüzey tabakası ile oluşturulan Al/perylene/p-Si Schottky engel diyotu ile Al/p-Si Schottky engel diyotlarının performanslarının karşılaştırılmıştır. Kullanılan bu perylene ara yüzey tabakasının özellikleri aşağıda tablo halinde verilmiştir; Çizelge 3.1. Perylene in bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri Adı Diğer adları Perylene Perylene, perı-dınaphthalene, alpha perylene, Perilene; dıbenz[de,kl]anthracene; Molekül formülü ( 0 H 1 ) Görünümü (300K) Yanma noktası Erime noktası Kahverengi, Katı 8, Kaynama noktası 467,53 Yüzey gerilimi 63, dyne cm -1 Yönelimleri 114x156 (7kB) (dimentions) Molar kırıcılığı 90,307 cm 3 Molar soğurganlığı 38,500 M -1 cm -1 (435,7 nm de) Yoğunluğu 1,87 gr cm -3 Buharlaşma ısısı 70,161 kj mol -1 Buhar basıncı 0 mm Hg (5 de) Molar hacmi 196,094 cm 3 Molar ağırlığı 5,31 gr mol -1 Kırılma indisi 1,887

56 38 Çizelge 3.1. (Devam) Perylene in bazı fiziksel ve kimyasal özellikleri Sınıfı Rylene dyes Duygunluk (polarizability) 35,8x10-4 cm 3 Suda çözünürlüğü 1,x10-5 mmol.l -1 (diğer bütün polycyclic aromatic hydrocarbon larda olduğu gibi çok düşüktür) Dezavantajları Polimerler ile oluşturulan karışımın mol kütlesini düşüktür. Oluşum esnasında kullanılan çözücünün polimerden uzaklaştırılması gerekir, bu da maliyeti yükseltir. Çözücü dikkatli seçilmezse çevre kirliliği oluşturur. Çok yüksek sıcaklıklara ve yüksek elektrik alana karşı dayanıklı değillerdir. Resim. 3.1 Perylene ( 0 H 1 ) in a) yapısal diyagramı, b) görünümü Resim. 3. Mavi ışık yayan OLED

57 Kristal Temizleme Metal-yarıiletken (MS), metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) ve metal-polimeryarıiletken Schottky diyotları hazırlarken birçok yüzey kusurunu ortadan kaldırmak için yarıiletken kristalin mekanik ve kimyasal olarak çok iyi temizlenmesi gerekmektedir. Yarıiletkenin kristal yüzeyinde tüm kimyasal temizleme ve durulama işlemleri ultrosonik banyoda gerçekleştirildi. Yarıiletken kristalin temizlenmesinde öncelikle; Water Purification System de hazırlanan yüksek özdirençli (~16-18 M cm özdirençli) deiyonize su kullanılarak temizleme esnasında kullanılacak beher, cımbız v.b. araç ve kaplar asetonla iyice yıkanıp deiyonize su ile durulandıktan sonra etüv fırınında yaklaşık 80 o ısıtılarak sterilize edildi. Perylene li ve perylene siz Al/p-Si Schottky engel diyotları, 3 inch çaplı, 100 yönelimli, 80 μm kalınlıklı, 15-5 Ω cm özdirençli, p tipi( Bor katkılı) Si tek kristali üzerine büyütülmüştür. Si yarıiletken, trichloroethylene ve ethanol içinde ultrasonic olarak temizlendi, P4 (HNO 3 : HF : OOH H 5 : H O =3:1:: molar oranlarında) çözeltisinde 30s bekletildi, propylene glycol ile durulandı ve nitrogen (N ) gazı ile kurutuldu. Temizleme işleminden sonra Si yarıiletken sıra ile H SO 4 ve H O % 0 HF, 6HNO 3 :1HF:35H O % 0 HF çözeltilerine batırıldı ve son olarak de-iyonize suda(18 Mcm özdirençli) durulandı. Perylene nin ( 0 H 1 ) büyütülmesinden önce, organik kirliliklerin temizlenmesini sağlamak için, Si tabakası 10-8 mbar vakum ortamında 400 o ye kadar ısıtıldı ve saf Argon ortamında temizlendi. Perylene ( 0 H 1 ) ara yüzey polimer tabakasını büyütmek için alt taş hazırlandıktan sonra büyütme odasına alındı. Kimyasal olarak temizlenen yarıiletkenin mat yüzeyi, ohmik kontağı oluşturmak için aşağı gelecek şekilde maske üzerine yerleştirildi. Ohmik kontakların oluşturulmasında Şekil 3.1 dekine benzer bir maske kullanıldı. Yüksek vakumlu pompalama sisteminde oluşturulan 10-6 Torr basınç altında, üzerinden akım geçirilen tungsten flaman yardımıyla, 000 Å kalınlığında oldukça saf ( %) Al termal olarak buharlaştırıldı ve iyi bir ohmik kontak oluşturmak için 400 o de tavlandı. Buharlaştırma ile elde edilen arka kontağın, Si yaprağın üzerine

58 40 çöktürülmesi ile ohmik kontak elde edilmiş oldu [40]. Daha sonra numunenin iyi ohmik kontak karakterine sahip olup olmadığı test edildi. Şekil 3.1. Ohmik kontak oluşturmak için kullanılan maske 3.3. Spin oating Yöntemi ile p-si Üzerine Perylene ( 0 H 1 ) Büyütülmesi Polimer esaslı nanoliflerin üretimi için en etkin yöntemlerden biri spin coating (elektro üretim) yöntemidir. Spin coating, akışkanlar dinamiği, polimer kimyası, temel fizik, elektrik fiziği, makine ve tekstil mühendisliği disiplinlerini barındıran multi disipliner bir yöntemdir. Spin coating yöntemi için gerekli deney düzeneği Şekil 3. de görüldüğü gibi temel olarak önemli dört ana parçadan oluşmaktadır: Şekil 3.. Spin coating düzeneği ve mekanizması Spin coating ince film büyütme yöntemlerinden biridir. Wafer ın tam merkezine kaplanacak olan malzemeden bir miktar konulur. Daha sonra çok yüksek hızlarda döndürme işlemi uygulanır. Malzemenin bu yüksek hızda dönmenin etkisiyle wafer üzerine tamamen yayılması sağlanır. Bu yöntem sayesinde nanometre mertebesinde kalınlığa sahip ince filmler büyütmek mümkün olmaktadır. Kalınlık uygulanan

59 41 maddenin viskozitesine ve konsantrasyonuna bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle kaplanacak olan malzeme uçucu bir sıvı ile karıştırılarak uygulanır. Wafer dönerken aynı anda da bu madde buharlaşır. Tasarlanan kalınlığa ulaşıncaya kadar sıvı wafer üzerine yayılırken dönmeye de devam eder Al/Perylene/p-Si SBD un Hazırlanması Metal-Polymer-Semiconductor (MPS) tipi Schottky engel diyotları elde etmek için Perylene ( 0 H 1 ) (polycyclic aromatic hydrocarbon), 1M n-haxane ( 6 H 14 ) içinde 70 0 de çözüldü ve spin kaplama sistemi ile Si tabakasının parlak yüzeyi kaplandı. Perylene nin kalınlığı, yüksek frekans (1 MHz) -V eğrisinin yığılma bölgesinden, ara yüzey tabakasının kapasitansı ( i = i o A/d i ) kullanılarak elde edildi. Bundan sonra Üzeri Perylene kaplanmış yüzey aşağı gelecek şekilde bakır maske üzerine yerleştirildi. Doğrultucu kontağın oluşturulmasında Şekil 3.5 dekine benzer bakır bir maske kullanıldı. Oldukça saf (99,999 %) Al 10-6 Torr vakumda buharlaştırılarak, kristalin parlak yüzeyine küçük dairecikler (1 mm çaplı) şeklinde ve 1500 Å kalınlığında Al kaplanması sağlandı [40]. Bu şekilde Al/ 0 H 1 /p-si (MPS) tipi Schottky engel diyotları (SBDs), büyütülmüş oldu. Al/ 0 H 1 /p-si (MPS) tipi SBD un şematik diyagramı şekil. 3.4 te verildi. SBD ların üretimi tamamlandıktan sonra, Keithley 400 akım-gerilim kaynağı kullanılarak akım-voltaj (I-V) ölçümleri, 1 MHz de HP 419 A LF Empedans Analizmetre (5 Hz den 13 MHz e) kullanılarak kapasitans- voltaj (-V) ve iletkenlik voltaj (G/w-V) ölçümleri oluşturuldu. Bütün bu elektriksel ölçümler oda sıcaklığında ve IEEE-488 A/D Çevirici kart takılı bilgisayar kullanılarak yapıldı. Şekil 3.3. Doğrultucu kontak oluşturmak için kullanılan maske

60 4 Şekil 3.4. Al/ 0 H 1 /p-si (MPS) tipi SBD un şematik diyagramı 3.5. Deneysel Ölçüm Sistemi Resim 3.3. de verilen deneysel ölçüm sistemi ile numunenin elektriksel karakteristikleri için gerekli ölçümlerin hepsi Gazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Yarıiletken (Starlab) Laboratuvarında gerçekleştirildi. Keithley 400 akımgerilim kaynağı, Hewlett Packard 419A LF Empedans Analizörü (5 Hz-13 MHz), kullanılmıştır. Şekil 3.5. Deneysel Ölçüm Sisteminin Şematik Görünümü

61 43 Resim 3.3. Deneysel ölçüm sistemi [33] Keithley 400 programlanabilir sabit akım-gerilim kaynağı, Hewlett Packard 419A LF Empedans Analizörü (5 Hz 13 MHz), Keithley 400 akım-gerilim kaynağı Keithley 400 akım-gerilim ölçüm cihazı, hem akım kaynaklı gerilim ölçümü, hem de gerilim kaynaklı akım ölçümü yapabilmektedir. ±1 µv dan ±00 V a gerilim ölçümü ve ±10 pa den ±1 A e kadar akım ölçümü yapabilmektedir. ± % 0,15 hassasiyetle ölçüm yapabilen cihaz IEEE-488 ara yüzey veri yoluna sahiptir. Keithley 400 akım-gerilim kaynağı Resim 3.4 de gösterilmiştir.

62 44 Resim 3.4. Keithley 400 akım-gerilim kaynağı HP 419ALF empedans analizörü HP 419A 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 ara yüzey veri yoluna sahip olup test point yazılımı yardımı ile bilgisayar ile kontrol edebilmek mümkündür. HP 419 ALF empedans analizörü Resim 3.5 de gösterilmiştir. Resim 3.5. HP 419 ALF empedans analizörü