RF PÜSKÜRTME METODU İLE HAZIRLANAN SiO 2 ARAYÜZEYLİ METAL-YARIİLETKEN KONTAKLARDA PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ. Şule DEMİR YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK

Transkript

1 RF PÜSKÜRTME METODU İLE HAZIRLANAN SiO ARAYÜZEYLİ METAL-YARIİLETKEN KONTAKLARDA PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ Şule DEMİR YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EKİM 007 ANKARA

2 Şule DEMİR tarafından hazırlanan RF PÜSKÜRTME METODU İLE HAZIRLANAN SiO ARAYÜZEYLİ METAL-YARIİLETKEN KONTAKLARDA PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Metin ÖZER Tez Danışmanı Fizik Bölümü. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile FİZİK Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Necati YALÇIN Fen Bilgisi Öğretmenliği, Gazi Üniv. Yrd. Doç. Dr. Metin ÖZER Fizik Anabilim Dalı, Gazi Üniv. Doç. Dr. Şemsettin ALTINDAL Fizik Anabilim Dalı, Gazi Üniv.... Tarih: 19/10/007 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Nermin ERTAN 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 orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Şule DEMİR

4 iv RF PÜSKÜRTME METODU İLE HAZIRLANAN SiO ARAYÜZEYLİ METAL-YARIİLETKEN KONTAKLARDA TEMEL PARAMETRELERİN BELİRLENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Şule DEMİR GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ekim 007 ÖZET Bu çalışmada, Al/n-Si/SiO /Au yapının temel parametreleri frekans (50 khz- 5MHz) ve sıcaklığa (80 K-390K) bağlı incelendi. Al/SiO /n-si/au yapının farklı frekanslar ve farklı sıcaklıklarda sığa-gerilim (-V), iletkenlik-gerilim (G/w-V) ve akım-gerilim (I-V) ölçümleri gerçekleştirildi. -V, G/w-V ve I-V ölçümlerinden yapının engel yüksekliği (Φ B ), seri direnci (R s ), Fermi enerjisi (E f ), idealite faktörü (n) ve arayüzey durum yoğunluğu (N ss ) sıcaklığa ve frekansa bağlı olarak belirlendi. Yapılan deneysel ölçüm ve hesaplamalar, bu tip yapıların hemen hemen tüm parametrelerinin yapıdaki arayüzey durum yoğunluğuna, seri dirence, uygulanan d.c. gerilime, frekansa ve sıcaklığa bağlı olduğunu göstermiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : MIS yapı, MOS yapı, SiO, idealite faktörü, arayüzey durum yoğunluğu Sayfa Adedi : 66 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Metin ÖZER

5 v THE DETERMINATION OF THE BASİ PARAMETERS OF METAL- SEMIONDUTOR ONTAT WITH SiO INTERFAE GROWN BY RF SPUTTERING METHOD (M.Sc. Thesis) Şule DEMİR GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SIENE AND TEHNOLOGY October 007 ABSTRAT In this study, we have investigated some parameters of Al/n-Si/SiO /Au structures depend on frequency (50 khz-5 MHz) and temperature (80 K-390 K). apacitance-voltage (-V), conductance-voltage (G/w-V) and current-voltage (I-V) measurements at different frequency and at different temperature were made. From these measurements we calculated series resistance (R s ), potantial barrier height(φ b ), interface state density (N ss ), Fermi energy (E F ), idealite factor(n) depending on frequency and temperature. Results show that almost all the basic parameters of this structures change by interface state density, series resistance, d.c. voltage, frequency and temperature. Science ode : Key Words : MIS structure, MOS structure, SiO, idealite factor, interface state density Page Number : 66 Adviser : Assist. Prof. Dr. Metin Özer

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Sayın hocam Yrd. Doç. Dr. Metin ÖZER e yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Sayın hocam Doç. Dr. Şemsettin ALTINDAL a, Al/n-Si/SiO /Au yapının RF püskürtme metodu ile hazırlanmasında titiz çalışmalarıyla yardımını gördüğüm Sayın hocam Prof. Dr. Bahtiyar Salamov ve metal kaplama sistemiyle Schottky bariyeri oluşturulmasında yardımcı olan Sayın hocam Prof. Dr. Tofig S. Mammadov a burada teşekkürlerimi sunmak isterim. Aynı zamanda bu çalışmada desteğini gördüğümüz Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri ne teşekkür ederim (BAP 05/ ve 05/007-4). Yine manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan aileme, çok değerli arkadaşlarım Muammer YALÇIN ve Filiz PARLAK a teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET..iv ABSTRAT v TEŞEKKÜR...vi İÇİNDEKİLER..vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ...x RESİMLERİN LİSTESİ xii SİMGELER VE KISALTMALAR...xiii 1. GİRİŞ MS, MIS VE MOS YAPILARIN KURAMSAL TEMELLERİ İdeal MIS ve MOS Yapısı Yığılım bölgesi oluşması Tükenim bölgesi oluşması Tersinim Bölgesi Oluşması 8.. Gerçek MIS ve MOS Yapılar İyonlaşmış tuzaklar Hareketli iyonlar Sabit oksit ve arayüzey yükleri Arayüzey durumları.1.3. Metal Yarıiletken Kontaklarda Akım İletim Mekanizmaları Termiyonik emisyon teorisi (TE) Difüzyon teorisi Termiyonik emisyon-difüzyon teorisi. 1

8 viii Sayfa.3.4. Engel boyunca tünelleme 3 3. DENEYSEL YÖNTEM Numunelerin Hazırlanması Kristal temizleme SiO tabakasının ve omik kontağın oluşturulması Doğrultucu kontağın oluşturulması Kullanılan Ölçüm Düzenekleri Sığa-Gerilim (-V) ölçüm düzeneği Akım-Gerilim (I-V) ölçüm düzeneği DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Sığa Gerilim (-V) Karakteristikleri İletkenlik Gerilim (G/w-V) Eğrileri Sığa ve iletkenliğin sıcaklığa bağlı eğrileri Sığa ve iletkenliğin frekansa bağlı eğrileri Seri direnç değerlerinin frekans ve gerilime bağlı incelenmesi Akım Gerilim(I-V) Karakteristikleri SONUÇ VE TARTIŞMA...57 KAYNAKLAR...6 ÖZGEÇMİŞ 66

9 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 4.1. Al/n-Si/SiO /Au yapı için -V karakteristiğinden elde edilen parametreler...37 Çizelge 4.. Diyotun değişik sıcaklıklardaki akım gerilim karakteristiğinden elde edilen; idealite faktörü, doyum akımı, potansiyel engel yüksekliği...51 Çizelge K de I-V karakteristiklerinden deneysel veriler kullanılarak hesaplanan parametreler..55

10 x ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil.1. Metal/ n-tipi yarıiletken kontak için ( Φ m > Φ s ) elektron enerji band diyagramı....3 Şekil.. MIS, MOS kapasitesinin eşdeğer devresi.6 Şekil.3.a.Yığılım, b. Tükenim, c. Tersinim durumları için sığa eşdeğer devresi..9 Şekil.4. İdeal olmayan MIS ve MOS yapılarda arayüzey durumları ve yüklerin temel sınıflandırılması 10 Şekil.5.a. MIS ve MOS yapıların bir enerji seviyesi için eşdeğer devresi...14 Şekil.5.b. MIS, MOS yapısının birbirinden farklı bir çok enerji seviyesi için eşdeğer devresi.15 Şekil.6.a. Arayüzey tuzak etkisini içeren eşdeğer devre b. Seri direnç etkisini içeren eşdeğer devre...16 Şekil.7. OX ve D etkisini içeren eşdeğer devre.16 Şekil.8. Yapının eşdeğer devresi..19 Şekil.9. Arayüzey durumlarını ihtiva eden MIS ve MOS eşdeğer devresi..19 Şekil.10. Doğru beslem altında temel akım iletim mekanizmaları Şekil.11. Çok katlı tünelleme modeline göre band diyagramı...4 Şekil 3.1. Omik kontak oluşturulurken kullanılan maske...7 Şekil 3.. Al/n-Si/SiO /Au yapının hazırlanış sırası...31 Şekil 3.3. Al/n-Si/SiO /Au yapının şematik gösterimi...31 Şekil 3.4. Sığa-gerilim ve iletkenlik-gerilim ölçümleri için kullanılan düzenek 33 Şekil 3.5. Akım-gerilim ölçümleri için kullanılan düzenek 33 Şekil 4.1. Al/n-Si/SiO /Au yapının 300 K de farklı frekansta çizilen -V eğrileri. 35

11 xi Şekil Sayfa Şekil 4.. Al/n-Si/SiO /Au yapının farklı frekanslar için 1/ -V eğrileri...38 Şekil 4.3. Al/n-Si/SiO /Au yapı için 300 K de farklı frekanslarda çizilen G/w-V eğrileri. 39 Şekil 4.4.a. Al/n-Si/SiO /Au farklı sıcaklıklar için -V eğrileri Şekil 4.4.b. Al/n-Si/SiO /Au yapının farklı sıcaklıklar için -V eğrileri...41 Şekil 4.4.c Al/n-Si/SiO /Au yapının sıcaklığa bağlı G/w-V eğrileri.. 4 Şekil 4.4.d. Al/n-Si/SiO /Au yapının sıcaklığa bağlı G/w-V eğrileri...4 Şekil 4.5.a. Al/n-Si/SiO /Au yapının farklı ters beslem gerilimleri için sığanın frekansa bağlı değişimi 43 Şekil 4.5.b. Al/n-Si/SiO /Au yapının farklı ters beslem gerilimleri için iletkenliğin frekansa bağlı değişimi 44 Şekil 4.6.a. Al/n-Si/SiO /Au yapının farklı frekanslar için seri direncin voltaja bağlı Rs-V eğrileri 45 Şekil 4.6.b. Al/n-Si/SiO /Au yapının ters beslem gerilimleri için seri direncin frekansa bağlı R s -f eğrileri Şekil 4.6.c. Al/n-Si/SiO /Au yapının 1 MHz için düzeltilmiş ve ölçülen sığa eğrilerinin gerilime bağlılığı..47 Şekil 4.6.d. Al/n-Si/SiO /Au yapının 1MHz için düzeltilmiş ve ölçülen iletkenlik eğrilerinin gerilime bağlılığı 48 Şekil 4.7. Diyodun engel yüksekliğinin sıcaklığa bağlı değişimi...5 Şekil 4.8. Şekil 4.8. Diyotun doyma akımının sıcaklığa bağlı değişimi.53 Şekil 4.9. Diyotun n-1000/t değişimi.53 Şekil K de I-V karakteristiklerinden elde edilen arayüzey durumlarının enerji dağılım profili... 55

12 xii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. SiO yalıtkan tabaka ve omik kontak oluşturulmada kullanılan püskürtme sistemi 8 Resim 3.. Püskürtme sisteminde kontak oluşturulurken kullanılan maskeler 9

13 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama A A** A ox ox ss d ox E c E f E g E v ε o ε i ε s G k n N ss R s T τ V ox Diyotun etkin alanı Richardson sabiti Yalıtkan oksit tabakanın alanı Sığa Yalıtkan oksit tabakanın sığası Arayüzey sığası Yalıtkan oksit tabakanın kalınlığı İletkenlik bandı enerjisi Fermi enerjisi Yarıiletkenin yasak enerji aralığı Valans bandı enerjisi Boşluğun dielektrik sabiti Yalıtkan dielektrik sabiti Yarıiletkenin dielektrik sabiti İletkenlik Boltzman sabiti İdealite faktörü Arayüzey durum yoğunluğu Seri direnç Sıcaklık Arayüzey tuzakların ömrü Yalıtkan oksit yüzeyine düşen gerilim

14 xiv Simgeler Açıklama W D w Y Z Tükenim tabakası genişliği Açısal frekans Admittans Empedans Kısaltmalar Açıklama a.c. AE -V d.c. G/w-V I-V MS MIS MOS TAE TE TED Alternatif akım Alan Emisyonu Sığa-gerilim Doğru akım İletkenlik-gerilim Akım-gerilim Metal-Yarıiletken Metal-Yalıtkan-Yarıiletken Metal-Oksit-Yarıiletken Termiyonik Alan Emisyonu Termiyonik Emisyon Termiyonik Emisyon Difüzyon

15 1 1.GİRİŞ Elektronikte yarıiletken malzemenin kullanımıyla büyük bir sanayi oluşmuş ve yarıiletken teknolojisi gelişmiştir. Yarıiletken olarak silisyum ve germanyum önemli ölçüde kullanılmış ancak zaman içinde silisyum kullanımı hakim olmuştur. Silisyumun doğada bol miktarda bulunmasının yanı sıra diğer önemli özelliği kristal yüzeyinde SiO gibi tabii yalıtkan tabakanın elde edilebilmesidir. Silisyum dioksit kullanılarak Schottky diyotlar, kapasitörler, alan etkili transistörler, ve entegre devrelerin yapılması mümkün olmuştur [1]. Yarıiletkenin iletkenliği; genellikle sıcaklığa, aydınlatma şiddetine, elektrik alana, manyetik alana, ve safsızlık atomlarının yoğunluğu gibi parametrelere bağlı olarak önemli ölçüde değişir. Yarıiletkenlerin elektronikte kullanılması, katıhal fiziğinin 0. yüzyıl teknolojisine getirdiği belki de en büyük katkıdır. Yarıiletken aygıtlarda kullanılan yarıiletken kristal yüzeyleri, genellikle laboratuar ortamında organik kirler ve tabii oksit tabakalarıyla kaplı olurlar. Kimyasal olarak temizlenmiş yarıiletken yüzeylerde kaçınılmaz olarak oluşan doğal yalıtkan oksit tabaka, yarıiletkenin temiz oda havasına maruz kalmasıyla ortaya çıkar [1, ]. Metal ile yarıiletken arasındaki bu yalıtkan tabakanın kalınlığı; kimyasal olarak temizlenmiş numune üzerindeki kalıntı gazlara ve yarıiletken yüzeyin çevreye maruz kalma süresine bağlıdır. Yarıiletken yüzeyinde amaca uygun olarak numune hazırlamak için sonradan yalıtkan oksit tabakası da oluşturulabilmektedir. Si yarıiletkeni üzerine yalıtkan tabaka olarak genelde SiO filmler oluşturulmaktadır. Metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) ve metal-oksit-yarıiletken (MOS) yapılar, metal ile yarıiletken tabakaların arasına yalıtkan bir tabakanın oluşturulmasıyla meydana gelir [3]. Yalıtkan tabaka, metal ve yarıiletken tabakaları birbirinden izole eder. Yalıtkan tabakanın kalınlığı yaklaşık 100 Å altında ise MIS yapı, üstünde ise MOS yapı oluşmaktadır. Si yarıiletkeni ile doğrultucu kontak hazırlanmasında, yarıiletkenin p veya n-tipi olmasına göre metal kullanılabilir. Yarıiletken olarak genelde silisyum (Si), germanyum (Ge) ve galyum arsenide (GaAs), yalıtkan olarak da genelde silisyum dioksit (SiO ) seçilir. Özellikle SiO seçilmesinin sebebi; silisyum üzerine

16 kolay büyümesi ve ideal örgü sürekliliğine yakın bir eklem oluşturmasıdır. Dolayısıyla SiO bir çok yüzey etkilerini azaltarak eklem karakteristiklerinin daha iyi kontrol edilmesini sağlar [4]. Bu çalışmada, elektronik sanayisinde birçok alanda değişik amaçlar için kullanılan metal-yalıtkan-yarıiletken yapılara örnek olarak Al/n-Si/SiO /Au yapıları hazırlanarak -V, G/w-V ölçümleri 80 K ve 390 K sıcaklık aralığında farklı frekanslar için yapıldı. Aynı sıcaklık aralığında hazırlanan yapının akım iletim I-V karakteristiğini belirlemek için akım-gerilim ölçümleri yapıldı. Bu yapının temel parametreleri olan; engel yüksekliği (Φ B ), seri direnci (R s ), Fermi enerjisi (E F ), idealite faktörü (n), arayüzey durum yoğunluğu (N ss ) ve diğer parametreleri sıcaklığa bağlı belirlendi. Tezde, Bölüm de MS, MIS ve MOS yapılar hakkında genel teorik bilgiler verildi. Bölüm 3 de Al/n-Si/SiO /Au yapının oluşturulması anlatıldı. Bölüm 4 de I-V ve - V ölçümlerinden elde edilen deneysel sonuçlar, grafikler ve çizelgeler verildi. Bölüm 5 de ise deneysel sonuçlar tartışıldı.

17 3. MS, MIS VE MOS YAPILARIN KURAMSAL TEMELLERİ MS yapısı Şekil.1 de gösterildiği gibi metal-yalıtkan-yarıiletken plakalardan oluşur. Dışarıdan uygulanan gerilim V, metal plakaya uygulanır ve yönü de ona göre belirlenir. Yani metal plakaya omik kontağa göre pozitif bir gerilim uygulanırsa MS yapıya uygulanan gerilim pozitif, metal plakaya omik kontağa göre negatif bir gerilim uygulanırsa MS yapıya uygulanan gerilim negatif olarak tanımlanır [5]. Metal Yarıiletken Φ s χ s Vakum seviyesi Vakum seviyesi qv i =Φ m -Φ s Φ m E c E F Φ m χ s E F Φ B + + qv i E c E F + Φ n E V E v W d (a) (b) Şekil.1. Metal/ n-tipi yarıiletken kontak için ( Φ m > Φ s ) elektron enerji band diyagramı (a)birbirinden ayrılmış nötral materyaller (b)kontak oluştuktan sonra termal denge durumu. V=0 için n-tipi yarıiletken tabanlı bir ideal MS yapının enerji-bant diyagramı Şekil.1 deki gibidir. Burada; q : Temel yük (1,6 x10-19 ) Φ m : Metalin iş fonksiyonu Φ B : Metal ve oksit arasındaki potansiyel engeli Χ :Yarıiletkenin elektron alınganlığı

18 4 Χ 0 : Oksidin elektron alınganlığı E v : Valans bandı enerji seviyesi E c : İletkenlik bandı enerji seviyesi E i : Saf fermi enerji seviyesi E f : Fermi enerji seviyesi Ψ B : Fermi ile saf fermi enerji seviyesi arasındaki fark.1. İdeal MIS Ve MOS Yapısı Aşağıdaki özellikleri taşıyan yapı ideal MIS ve MOS olarak ifade edilir. i) Sıfır beslemde metalin iş fonksiyonu Φ m ile yarıiletkenin iş fonksiyonu Φ s arasında enerji farkı yoktur. Diğer bir deyişle Φ ms iş fonksiyonu sıfırdır ve n- tipi yarıiletken için şu şekilde verilir : Φ ms = Φ m - Φ s = Φ m - (χ + E g / q - ψ B ) = 0 (.1) ii) Herhangi bir beslem şartı altında, yapıdaki yükler okside bitişik metal yüzeydekiler ile yarıiletkenler eşit miktarda fakat zıt yönlüdür. iii) D beslem şartı altında okside doğru taşıyıcı geçişi yoktur. iv) Oksit ve oksit- yarıiletken arayüzeyine yakın bölgelerde tuzaklar, sabit veya hareketli yükler bulunmaz. Yani oksit iyi nitelikli bir yalıtkandır. v) Oksidin bant aralığı büyüktür, öyle ki oksidin iletim bandında termiyonik taşıyıcı yoğunluğu ihmal edilecek kadar küçüktür. Yapıya uygulanan gerilim aşağıdaki gibidir. V= V ox + ψ s (.) V : Metal plakaya uygulanan gerilim V ox : Oksit üzerine düşen gerilim Ψ s : arayüzeydeki bant gerilimidir. Bu durumda ise toplam yük ise şöyledir :

19 5 Q M = Q N + qn A W =Q S (.3) veya; Q M +Q S = 0 (.4) Q M : Metal yüzeyindeki toplam yük Q S : Uzay yükü bölgesinde biriken yük Burada Q N tersinim bölgesinde birim alan başına düşen elektronların oluşturduğu toplam yük, qn A, W genişliğinde uzay yükü ile uzay yükü bölgesinde birim alan başına iyonize olmuş alıcılardır. N A yarıiletkenindeki alıcıların yoğunluğudur. Q S yarıiletkendeki toplam yük ve Q S uzay yükü bölgesinde biriken yüktür [6]. Metal ve yarıiletken tabaka arasındaki yalıtkan oksit tabakasından dolayı metal ve yarıiletken arasında bir kapasite oluşur. Bu kapasite MIS kapasitesi olarak adlandırılır [7]. Bu kondansatörlerin özelliklerini metal ve yarıiletken tabakalar arasındaki oksit ve oksit yarıiletken arayüzeyi belirler. Kapasite arayüzeyin dielektrik sabitine bağlıdır. Bir MOS kapasitesine karşılık gelen eşdeğer devre Şekil. de gösterilmiştir. Burada OX oksidin kapasitesi ve S uzay yükü kapasitesidir. Bunların eşdeğer kapasiteleri bize MIS veya MOS kapasitesini verecektir. Poisson denkleminin çözümünün sonucu ve uygulanan gerilimin çok küçük diferansiyel değişiminin olduğunu varsayarak sırayla oksit, uzay yükü bölgesi ve MIS ve MOS kapasitelerini tanımlanabilir [8]: dq OX = dv M OX A OX (.5.a) dqs S = AOX (.5.b) dψs dqs S = AOX (.5.c) dψs

20 6 A OX oksit alanı, dolayısıyla MIS ve MOS yapısının alanıdır. Şekil. deki eşdeğer devrenin çözümünde MIS veya MOS kapasitesi : = = S. OX S S + OX OX (.6) biçiminde olur [8]. Bu, yukarıda yazılan denklemlerden Eş.., Eş..5.c de yerine konularak doğrulanabilir. Oksit kapasitesi OX eşitliğinin diğer bir tanımı, ox εox = Aox (.7) dox olarak ifade edilir. Burada ε ox oksidin dielektrik sabiti ve d ox oksit kalınlığıdır. Bu eşitlik sabittir, çünkü eşitlikteki bütün nicelikler MIS ve MOS yapısı için sabittir. Bu sonuçlara bağlı olarak diyot kapasitesini sadece uzay yükü kapasitesi belirleyebilir. Uygulanan gerilime bağlı olarak MIS, MOS kapasitesinde meydana gelen durumları aşağıda tanımlandı [9]. metal OX Oksit sc Omik metal kontak Şekil.. MIS, MOS kapasitesinin eşdeğer devresi

21 Yığılım bölgesi oluşması Metal plakaya negatif bir gerilim (V G < 0) uygulandığı zaman, bu gerilimden dolayı oluşan elektrik alan yarıiletkenin çoğunluk yük taşıyıcılarını yarıiletkenin arayüzeyine doğru çeker. İdeal bir diyotta yük akışı olmadığı zaman Fermi enerji seviyesi yarıiletkende sabit kalır. Taşıyıcı yoğunluğu üstel olarak enerji farkına bağlı olduğundan, bant bükülmesi yarıiletken yüzeyin yakınında çoğunluk taşıyıcıların yığılmasına sebep olur. Enerji bandının yarıiletken arayüzeyinde Fermi seviyesine yaklaştığı bandların da buna bağlı olarak n tipi ve p tipine bağlı olarak aşağı veya yukarı doğru büküldüğü bu duruma, çoğunluk yük taşıyıcıların arayüzeyde birikmelerinden dolayı yığılım adı verilir [10]. Bu durumda arayüzeyde biriken yükün yüzey yükü olması sebebi ile sc, dolayısıyla ox olur..1.. Tükenim bölgesi oluşması Metal plakaya küçük bir pozitif gerilim (V>0) uygulandığında, oksit içinde oluşan elektrik alan yarıiletken arayüzeyindeki deşikleri yüzeyden uzaklaştırır. Bu durumda yarıiletken yüzeyindeki deşik yoğunluğu, yarıiletkenin iç kısımlarındaki deşik yoğunluğundan küçük olmaya başlar ve bantlar aşağı doğru bükülür. İletim bandının yarıiletken yüzeyine yakın bölgelerinde, elektronlar toplanmaya başlar. Yarıiletken yüzeyinde, uygulanan gerilimle değişen w genişliğinde bir bölgede, yüklerin azaldığı bir tükenim bölgesi oluşur [11]. Yük taşıyıcıların azaldığı bu bölgeye tükenim bölgesi, bu olaya da tükenim denir. Bu olayda bantlar yukarı veya aşağı doğru bükülür ve çoğunluk yük taşıyıcıları arayüzey bölgesinde tükenirler. Uygulanan gerilim arttığında, tükenim tabakası yük dengesi için çok sayıda alıcı iyonları sağlamakla genişler. Tükenim yaygınlaştığı zaman, silisyum gibi yarıiletken yüzey yükü tabakası, derin beslem tükenimi ve katkı yoğunluğu 0,1-10 µm civarında genişleyen iyonize olmuş katkılı iyonların bölgesini içerir. Bu bölgenin genişliği W ile temsil edilir ve

22 8 W= ε A S ox 1 1 ox (.8) bağıntısı ile tanımlanır. Burada ε S yarıiletkenin dielektrik sabiti, A OX oksit kalınlığı ve OX oksit kapasitesidir. Tükenim durumunda oluşan uzay yükü, Q Sc = q N A -W = Q A (.9) bağıntısıyla hesaplanır [1]. Burada N - A iyonlaşmış alıcı yoğunluğu ve Q A birim yüzeydeki alıcı yüküdür. Bu bölgede MOS kapasitesi, uzay yükü kapasitesi ve oksit kapasitesi ile belirlenir. Yüksek frekansta gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların tekrardan birleşme hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir bu da -V eğrisinin min in altına düşmesine sebep olur. Bu dengesiz bir durumdur derin tüketim olarak tanımlanır Tersinim bölgesi oluşması Metale büyük bir gerilim uygulandığı zaman bantlar daha fazla bükülürler ve E i öz durumdaki enerji seviyesi, E F Fermi enerji seviyesinin altına düşer. Bu durumda yarıiletken yüzeyinde azınlık taşıyıcılar olan elektronlar artmaya başlar ve bunun sonucunda elektron yoğunluğu deşiklerin yoğunluğundan büyük olur. Bu aşamadan sonra p-tipi yarıiletken yüzeyi n-tipi yarıiletken gibi davranır. Bu olay, yarıiletken yüzeyinin tersinimi olarak adlandırılır. Oluşan uzay yükü, Q S = Q N + Q A (.10) denklemiyle verilir.

23 9 Burada Q N tersinim bölgesinde birim yüzeydeki elektronların yükü ve Q A birim yüzeydeki alıcıların yüküdür. Bu durumda MIS veya MOS kapasitesini, elektron yoğunluğunun uygulanan gerilimin ac sinyalini takip edebilme yeteneği belirler. Elektron yoğunluğu ac sinyalini küçük frekanslarda takip edebilir ve buna bağlı olarak kapasite artan gerilimle oksit kapasitesinin değerine ulaşır. Ara frekanslarda daha yavaş takip edebilir, dolayısıyla frekansın değerine bağlı olarak ara frekans eğrileri görülür, yüksek frekanslarda ise takip edemez. Sabit yük uzay yükü gibi etki eder ve kapasite min de kalır. Yüksek frekansta eğer gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların yeniden birleşme (rekombinasyon) hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir. Bu da eğrinin min in altında değerler almasına sebep olur. Bu dengesizlik durumu derin tüketim durumudur [13]. Yukarıda anlatılan ve uygulanan gerilime bağlı yarıiletken-yalıtkan arayüzeyinde meydana gelen yığılım, tükenim ve tersinim durumları için MIS veya MOS kapasitelerinin eşdeğer devreleri sırasıyla Şekil.3 deki gibidir [14]. (a) (b) (c) Şekil.3. MIS ve MOS kapasitelerin eşdeğer devreleri a. Yığılım, b. Tükenim, c. Tersinim durumları için sığa eşdeğer devresi

24 10.. Gerçek MIS Ve MOS Yapılar Gerçek bir MIS, MOS yapısında bir çok enerji durumları ve yükler mevcuttur. Bu durumların sınıflandırılması Şekil.4 de gösterilmiştir. Bunlar sırayla; i) Numunenin x-ışını radyasyonuna maruz kalmasıyla oluşturulabilen iyonize tuzaklar, ii) Besleme ve sıcaklığa bağlı oksit içinde hareketli iyonlar, iii) Yarıiletken yüzeyinde veya yakınında yerleşmiş olan ve uygulanan elektrik alan altında hareketsiz olan sabit yüzey yükleri, iv) Oksit-yarıiletken arayüzeyinde yasaklanmış bant aralığı içinde enerji seviyeleri gibi tanımlanan arayüzey durumlarıdır. Metal Oksit Yarıiletken Uzay yükü bölgesi E c E F E V Şekil.4. İdeal olmayan MIS ve MOS yapılarda arayüzey durumları ve yüklerin temel sınıflandırılması + : İyonize tuzaklar, : Hareketli iyonlar, : Sabit yüzey yükleri

25 İyonlaşmış tuzaklar İyonlaşmış tuzaklar hem oksit içinde hem de oksit yarıiletken arayüzeyinde bulunurlar. İyonlaşmış tuzaklar elektron yakalayarak yüksüz hale geçerler. Gerilimi negatif değerlerden pozitif değerlere artırırkenki ölçülen kapasite değerleri ile gerilimi pozitif değerlerden negatif değerlere doğru azaltırken ki ölçülen kapasite değerleri arasında farklılıklardan dolayı kapasite-gerilim eğrisinde histerisiz etkisi gözlenir [15]. Kapasite gerilim eğrisinin iki yönde ölçülen değerlerindeki kayma miktarı oksit içindeki tuzakların miktarını verir. Dolayısıyla histerisiz yük yoğunluğu aşağıdaki formülle verilir: VHisFBOX QHis = q (cm - ) (.11) burada V HisFB düz banttaki kayma miktarıdır.... Hareketli iyonlar Hareketli iyonlar oksit içinde bulunurlar. Hareketli iyonlar genellikle Na +, K +, Li +, H +, H 3 O + iyonlarıdır [16]. Hareketli iyonlar kullanılan kimyasal maddelerin bu iyonları ihtiva etmesi, mekanik parlatma esnasında çıplak elle temaslar, oksitlenme fırını, kuvartz tutucuların kirli olması ve oksitlenme gazlarında bulunan safsızlıklar yüzünden oksit içinde yer alabilirler. Bu yükler uygulanan elektrik alan altında hareket ettiklerinden yapının kararlılığını büyük ölçüde bozarlar...3. Sabit oksit ve arayüzey yükleri Sabit oksit arayüzey yükleri oksit içinde ve oksit-yarıiletken arayüzeyinde bulunurlar. Oksitle yarıiletkenin kristal yapılarının farklı olmasından dolayı oksidasyon esnasında yarıiletkenden oksit tabakasına geçerken kaçınılmaz olan kristal bozuklukları yerel yüklere neden olurlar. Bu yüklerin başlıca özelliği, oksityarıiletken yapısına uygulanan gerilimden yük durumlarının bağımsız olmasıdır. Yarıiletken ile bu yük merkezleri arasında yük alışverişi olmaz. Oksidin büyüme

26 1 koşulları yük yoğunluğuna etki eder (oksidin büyüme hızı, oksitleyen gaz, sıcaklık gibi). Sabit oksit arayüzey yükleri -V G eğrilerinin ideal -V G eğrisinden kaymasına neden olur. Bu kaymadan faydalanılarak oksit içindeki sabit pozitif yük yoğunluğu Q OX, oksit-yarıiletken arayüzeyinde oluşan toplam yük Q eff ve arayüzey yük yoğunluğu Q SS hesaplanabilir [17]. Q ox = V MG q OX (cm - ) (.1) Q eff = V FB q OX (cm - ) (.13) Q ss = Q eff Q OX (cm - ) (.14) burada, V MG gerçek ve ideal -V G eğrilerinin bant ortasındaki gerilim kaymasını ve V FB düz bant durumundaki gerilim kaymasını göstermektedir...4. Arayüzey durumları Arayüzey durumlarının tanımı Shockley, Tamm ve diğer bilim adamları tarafından teoriksel olarak araştırılmış ve bir kristalin yüzeyinde periyodik örgü yapılarının kesilmesinden dolayı yasaklanmış bant aralığı içinde var olduğu gösterilmiştir. Arayüzey durumları, kısa bir zamanda yarıiletkenle yükleri değişebilen oksityarıiletken arayüzeyinde yasaklanmış bant aralığı içindeki enerji seviyeleri olarak tanımlanır. Arayüzey durumları verici ve alıcı tipte olabilirler. Alıcı tipte; enerji seviyesi dolu ise yüksüz, boş ise negatif yüklüdür. Verici tipte ise; enerji seviyesi dolu ise yüksüz, boş ise pozitif yüklüdür. Arayüzey durumlarının elektriksel etkileri: a) Kapasite : Bir arayüzey durumuna, 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.

27 13 b) İletim : Arayüzey durumları tarafından taşıyıcıların yayınlanması ve yakalanması sonsuz hızda olmadığından zaman gecikmesi ile birleşir. Bu zaman gecikmesi arayüzey durumunun bir R devresiyle özdeşleştirilmesiyle ifade edilir. Bu zaman kayması aynı zamanda dolum boşalım zamanıdır ve τ = 1/(R SS SS ) bağıntısı ile verilir [18]. c) Arayüzey Potansiyeli : Yukarıda ifade edilen kapasite ve iletim ac etkisindedir. Arayüzey durumları bunlara ek olarak bir dc etkisine de sebep olur. Arayüzey durumlarında depo edilmiş yük, arayüzey elektrik alanını değiştirir. Arayüzey durumları mevcut olunca arayüzey potansiyelini değiştirmek için ideal durumdan fazla gerilim uygulanması gerekmektedir. Bu etki kapasite-gerilimin zorunlu genişlemesi (stretch out) olarak gözükür. Arayüzey durum yoğunluğu, dqss N SS = de (.14) şeklinde verilir [19]. Yani birim enerji başına birim arayüzey durum yükü olarak tanımlanır. Burada E enerji olup E = qψ s ile verilir. E nin diferansiyeli alınırsa de = qdψ s elde edilir. Eş..14 tekrar düzenlenirse, N ss = dq de ss = dqss dψ s dψ de ss = 1 q dq dψ ss ss (.15) elde edilir. Arayüzey durumlarında bulunan Q SS yük yoğunluğu yarıiletkendeki katkı yoğunluğu ve oksit kalınlıklarından etkilenmez. Devredeki arayüzey kapasitesi ise, şeklinde verilir. = ss dq de ss A ox (.16) yukarıda ifade edilen MIS ve MOS yapılarındaki arayüzey durumlarına karşılık gelen eşdeğer devre Şekil.8 de gösterilmiştir [0]. Arayüzey durumu için alıcı ve verici dağılım fonksiyonu f(e) Fermi-Dirac dağılımı ile verilir [1].

28 14 ox ss sc R s (a) Şekil.5.a. MIS ve MOS yapıların bir enerji seviyesi için eşdeğer devresi Alıcı arayüzey tuzaklar için : f ( E t ) = Et E exp( g kt f ) (.17) Verici arayüzey tuzaklar için : f ( E t ) = Et E exp( g kt f ) 1 = Et E 1+ g exp( kt f ) (.18) burada E t arayüzey durum seviyesi enerjisi, E f fermi enerjisi ve g ise temel seviye dejenerasyonu olup değeri verici tuzaklar (arayüzey durumları) için, alıcı tuzaklar (arayüzey durumları) için 4 tür []. Bir beslem altında arayüzey tuzak seviyeleri valans ve iletkenlik bantları ile fermi seviyesi sabitleşene kadar aşağı veya yukarı hareket ederler. Bu hareket kapasitede ve ideal eğrisinde değişmeye sebep olur.

29 15 ox R ss sc R ss R ss (b) Şekil.5.b. MOS yapısının birbirinden farklı bir çok enerji seviyesi için eşdeğer devresi Arayüzey tuzakların etkisini içeren bu yapının eşdeğer devresi Şekil.6 da gösterilmiştir. Burada ox ve D sırası ile oksit (yalıtkan) kapasitans ve yarıiletken tüketim tabakasının kapasitansı olup Şekil.7 de gösterilmiştir [3]. S R S çarpanı arayüzey tuzakların ömrü (τ ) olarak tanımlanır ve arayüzey tuzakların davranışını belirler. Şekil.6.a nın paralel kolu, şekil.6.b deki gibi frekans bağımlı kapasitans p ve ona paralel frekans bağımlı kondüktans G p şeklinde yazılabilir. Paralel koldaki admitans, j = 1 olmak üzere aşağıdaki şekilde verilir : Y = 1 Z Z = jw D + R S jw S S S R w S = 1+ R w S + jw( D + 1+ R S S w S ) = G p + jw p.19

30 16 i i P D R S G P (a) (b) Şekil.6. Arayüzey tuzakların etkisini içeren yapının eşdeğer devresi a. Arayüzey tuzak etkisi b. Seri direnç etkisi V i D Şekil.7. OX ve D etkisini içeren eşdeğer devre burada kapasitans p ve kondüktans G p ; P = D S + 1+ w τ (.0.a) G P = 1 R p S w τ + 1+ w τ (.0.b) eşitlikleri ile verilir [4].

31 17 Toplam empedans Z ise, 1 ) 1 1 ( 1 1 p p p p j p p j P w G w G w j jw G jw G = + + = (.1) şeklindedir. Buradan toplam admitans Y top için, in in p p p j p p p p p top jw G w w G w G jw G w G Y + = = ) ) ( ( ) ( (.) eşitliği elde edilir [5]. Eğer seri direnç varsa ve büyükse, ölçülen kondüktans G m ve kapasitans m gerçek değerler değildir [6]. jw m G m Z + = 1 1, jw T G T Z + = 1, jw m G m Z + = 1 dir. Ölçülen m ve G m değerlerinin düzeltilmiş halleri için aşağıdaki yol takip edilebilir. Z =Z 1 +Z ise Z 1 =Z-Z olur. Buna göre, = + = T T m m m m G jw G jw G jw Z (.3) ( ) ( ) ( ) ( ) + + = m T m T m T m T T m T m j G G G jw G w G G Z 1 1 (.4) Eş..4 denkleminin paydası eşleniği ile çarpılır, G T =1/R s yazılır ve T değeri ihmal edilirse düzeltilmiş kondüktans için, ( ) ( ) 1 S m S m S m S m m R w R G R w R G G G + = (.5)

32 18 elde edilir. Burada seri direnç R S, Şekil.8.b deki devrenin empedansı Z nin reel kısmı olup yüksek frekanslarda ve kuvvetli akümülasyondaki m ve G m değerlerinden hesaplanabilir. Z = 1 jw + G m m G = G m m + w jw m m = G m G m + w m G m jw + w m m (.6) rezistans değerinden, R S = G m G m + w m (.7) elde edilir [7]. Eş.. nin düzenlenmiş imajiner kısmı ise, = m ( G R ) + w R 1 m S m s (.8) şeklindedir. R S =0 durumunda = m ve G c = G m olur. Benzer şekilde G p /w için Şekil.9 dan ox, oksit kapasitans olmak üzere, G p w = / w ( G / w ) + ( / w ) ox G OX (.9) denklemi elde edilir [8]. Tuzaklanmış arayüzey yük yoğunluğunu hesaplamak için ya kapasitans-voltaj (-V) ya da kondüktans-voltaj (G-V) ölçüm teknikleri kullanılır [9].

33 19 c G c m G m T G T (a) (b) Şekil.8. Yapının eşdeğer devresi ox p G p c G c (a) (b) Şekil.9. Arayüzey durumlarını ihtiva eden MIS ve MOS eşdeğer devresi

34 0.3. Metal Yarıiletken Kontaklarda Akım İletim Mekanizmaları MS ve MIS yapılarda akım iletimi genellikle çoğunluk taşıyıcıları ile gerçekleşir. Sıcaklık, arayüzey durumları seri direnç ve metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan tabaka nedeniyle akım iletim mekanizması MS ve MIS yapılarda farklılık gösterir. Bu yapılarda geçerli olabilecek akım iletim mekanizmaları şunlardır; Termiyonik Emisyon (TE), Difüzyon, Termiyonik Emisyon-Difüzyon, Kuantum Mekaniksel Tünelleme (TAE, AE, çok katlı tünelleme), Üretilme-Yeniden Birleşme, Azınlık Taşıyıcı Konsantrasyonu ve T 0 etkili akım iletimi [30]. Şekil.10 da yarıiletkenin doğru beslem altında başlıca akım iletim mekanizmaları gösterilmiştir. E F a - qv b c d E c E F E v metal yarıiletken Şekil.10. Doğru beslem altında temel akım iletim mekanizmaları; a. Potansiyel engelin tepesi üzerinden metalin içerisine doğru elektronların iletimi(termiyonik emisyon), b. Elektronların engel içinden doğrudan kuantum-mekaniksel tünellemeleri (Engel içinde tünelleme), c. Uzay yük bölgesinde yeniden birleşme, d. Metalden yarıiletkene deşik enjeksiyonu.3.1. Termiyonik emisyon teorisi (TE) Schottky kontaklarda yeterli ısısal enerji kazanan taşıyıcıların potansiyel engeli (Φ B ) üzerinden yarıiletkenden metale, ya da metalden yarıiletkene geçmeleri (TE) olarak

35 1 bilinir. Beethe nin MS kontaklarda akımın çoğunluk taşıyıcıları tarafından iletildiğini kabul ederek kurduğu termiyonik emisyon varsayımları şunlardır; (a) potansiyel engel yüksekliği kt/q enerjisinden çok büyüktür (b) Schottky bölgesinde taşıyıcı çarpışmaları yoktur yani taşıyıcıların ortalama serbest yolları Schottky tabakasının kalınlığından daha büyüktür (c) görüntü (hayali) kuvvetlerin etkisi ihmal edilmektedir ve akım engel yüksekliğine zayıfça bağlıdır. Metal/n-tipi yarıiletken kontaklarda metalden yarıiletkene geçen elektronlar için akım yoğunluğu denklemi, J n = * q( φ ) B qv A T exp exp 1 kt kt (.30) ile ifade edilir. Burada A*T qφ exp B kt.3.. Difüzyon teorisi terimi, doyum akım yoğunluğudur [31]. Aralarında yoğunluk farkı bulunan bölgeler arasında, yoğunluğun çok olduğu bölgeden az olduğu bölgeye doğru gerçekleşen yük geçişlerine difüzyon denir [3]. Schottky tarafından tanımlana difüzyon teorisinin dayandığı varsayımlar; (a) potansiyel engelin yüksekliği kt/q enerjisinden büyüktür (b) tüketim bölgesindeki elektronların çarpışma etkisi ihmal edilir (c) x=0 ve x=w daki taşıyıcı konsantrasyonları akımdan etkilenmemiştir (yani onlar termal denge değerine sahiptir) (d) yarıiletkendeki safsızlık konsantrasyonu dejenere değildir Termiyonik emisyon-difüzyon teorisi rowell ve Sze, TE ve difüzyon teorisini birleştirerek Termiyonik emisyon difüzyon teorisini geliştirdiler. Teori MS arayüzey kenarında tanımlanmış olan V r rekombinasyon hızı üzerine kurulmuştur. Metal ile yarıiletken gövde arasına uygulanan gerilim, metale doğru bir elektron akışına neden olur. Taşıyıcıların bir kısmı optik fonon geri saçılmalarına bir kısmı da kuantum mekaniksel yansımalara uğradığından akım değeri azalır. Sze bunun nedenini rekombinasyon hızındaki azalmaya bağlamıştır. Termiyonik emisyon difüzyon teorisine göre elektronlar MS

36 arayüzeyinde optik fononlarla etkileşmeksizin potansiyel engel üzerinden salınma olasılığı ve ortalama iletim katsayısı değeri göz önüne alınarak A* Richardson sabiti A** olarak değişir. Buna göre en genel akım-gerilim (I-V) ifadesi, J = qv J 0 exp 1 (.31) kt ile verilir. Burada T sıcaklık, n diyodun idealite faktörü ve J 0 doyma akım yoğunluğu olup, J 0 = A** T qφb exp (.3) kt şeklinde ifade edilir. A**, düzenlenmiş etkin Richardson sabitidir. β engel yüksekliğinin sıcaklıkla değişim katsayısı olmak üzere, β A**= A*exp kt (.33) ile verilir. Eğer metal ile yarıiletken arasında yalıtkan bir oksit tabakası (MIS-MOS) varsa Richardson sabiti oksit tabakasına bağlı etkin değer alır ve A** yerine yalıtkan oksit tabakası nedeniyle A etk alınır: 4πδ A etk = A**exp h((m * χ) 1 / 1 / (.34) Burada δ, metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan oksit tabakanın kalınlığı, m* = m 0 etkin kütle, h Planck sabiti, χ ise yarıiletkenin elektron yakınlığıdır. Termiyonik emisyon teorisine göre ideal bir Schottky diyotta n = 1 dir. İdeal diyottan sapmaları belirlemek amacıyla bir idealite faktörü, n tanımlanır. Buna göre akım yoğunluğu ifadesi: qv J= J 0 exp (.35) nkt

37 3 şeklini alır. Burada n idealite faktörü 1 den uzaklaştıkça engel yüksekliğinin voltaja bağlılığı artmaktadır. İdealite faktörü yarıiletken ile dengede arayüzey durumları (N ss ) ve metal yarıiletken arasındaki yalıtkan oksit tabakasının kalınlığı (δ) cinsinden, δ ε s n=1+ ε w i + qnss (.36) olarak ifade edilir. Bu denklemde ikinci terimin artması ile ideallikten uzaklaşılır. Yani idealite faktörü, hem yalıtkan tabaka kalınlığının artmasıyla hem de arayüzey durumlarının artması ile doğru olacak şekilde artmaktadır Engel boyunca tünelleme Metal-yarıiletken Schottky diyodlarında TE mekanizması yanında, elektronlar kuantum mekaniksel tünelleme ile engeli aşabilirler. Çok fazla katkılanmış dejenere (N d >10 18 cm -3 ) yarıiletken durumunda tünelleme doğru beslemde, düşük katkılı yarıiletkenlerde de tünelleme işlemi ters beslemde ortaya çıkar. Aşırı katkılanmış yarıiletken nedeniyle tüketim bölgesi incedir. Alçak sıcaklıklarda, Fermi seviyesine çok yakın elektronlar yarıiletkenden metale doğru tünelleme yapabilir. Böylece doğru beslem yönündeki akım yarıiletkenin Fermi enerjisine yakın elektronların tünellemesiyle artar. Bu duruma alan emisyonu (AE) adı verilir yüksek sıcaklıklarda, elektronların önemli bir kısmı Fermi seviyesinin üstüne doğru yükselir. İletkenlik bandından E m kadar yukarıda bulunan bu elektronların daha yüksek enerjili olması ve bu seviyede daha düşük bir engelle karşılaşıyor olmaları tünelleme ihtimalini artırır ve doğru beslem yönündeki akımı artırır. Bu durum Termiyonik alan emisyonu (TAE) olarak bilinir. Eğer sıcaklık daha da artırılırsa elektronlar potansiyel engel yüksekliğini aşabilecek kadar yeterli enerji kazanırlar ve dolayısıyla tünelleme olmadan engel üzerinden karşı tarafa rahatlıkla geçerler. Bu durum Termiyonik emisyondur (TE). Termiyonik

38 4 alan emisyonu (TAE) durumunda çok düşük doğru beslem voltajı varken, doğru beslem I-V karakteristiği, qv qv I= I 0 exp 1 exp E0 kt (.37) şeklinde ifade edilir. Çok katlı tünelleme için bir eklem, tüketim bölgesi boyunca yer alan tuzaklara sahip olan bir metal-yarıiletken kontak olarak tasvir edilir. p-n ekleminde, heterodiyodlarda, Schottky engelinde ve son zamanlarda yarıiletken kristallerde gözlenen bu durumda, tuzaklar boyunca tünel etkisi TE, TAE, ve AE ile kıyaslanabilir ölçüde baskın bir akım iletim mekanizmasıdır [3]. Metal Yarıiletken (p) E F V bi qφ bm qv bi Şekil.11. Çok katlı tünelleme modeline göre band diyagramı

39 5 3. DENEYSEL YÖNTEM 3.1. Numunelerin Hazırlanması Numuneler hazırlanırken sırayla kristal temizleme, omik kontak, yalıtkan tabaka (SiO ) ve doğrultucu kontak (Al) oluşturma işlemleri yapılarak Al/n-Si/SiO /Au yapısı elde edilmiştir Kristal temizleme Kullanılan kristaller rystec firmasından, bir yüzeyi parlatılmış olarak temin edildi. Diyot yapımında (100) doğrultusunda büyütülmüş, özdirenci 0,8 Ωcm olan, 80µm kalınlığındaki, yaklaşık 50 mm çaplı, S katkılı n-tipi silisyum kristali kullanıldı. Kristal yüzeyleri üzerindeki organik ve diğer ağır metal kirlerini temizlemek ve yüzeydeki pürüzleri ortadan kaldırmak için yarıiletken kristal kimyasal olarak ultrasonik banyoda farklı aşamalardan geçirilerek temizlendi. Temizlemede İnnovation firmasının imal ettiği Pure Water System marka aletten elde edilen deiyonize su (18,3 MΩ) kullanıldı. Numune ve deneysel araçların temizliği iyi diyot oluşturmada çok önemli olduğu için tüm kimyasal temizlemeler titizlikle gerçekleştirildi. Temizleme işlemi aşağıdaki sıraya göre yapıldı: 1. Temizleme işlemlerinde kullanılacak tüm beherler, tutucular, DIW (de iyonize su) ile temizlenip 300 sıcaklıktaki fırında kurutularak temizlendi.. Çelik maske, numune tutucu cımbız ve buharlaştırılacak metaller (Al, Au ) sırasıyla aşağıdaki temizleme işlemine tabi tutuldu; a. Triklor Etilen ile ultrasonik banyoda 5 dakika yıkandı. b. DIW ile durulandı. c. Aseton ile ultrasonik banyoda 5 dakika yıkandı. d. DIW ile durulandı.

40 6 e. Metanol ile ultrasonik banyoda 5 dakika yıkandı. f. DIW ile durulandı. 3. n-si yarıiletken kristalin temizliği aşağıdaki gibi yapıldı; a. Triklor Etilen ile ultrasonik banyoda 5 dakika yıkandı. b. DIW ile durulandı. c. Aseton ile ultrasonik banyoda 5 dakika yıkandı. d. DIW ile durulandı. e. Metanol ile ultrasonik banyoda 5 dakika yıkandı. f. DIW ile durulandı. g. H SO 4, H O, H O (5:1:1) içerisinde 1 dakika ultrasonik olarak yıkanıp hemen DIW ile 3 defa durulandı. h. HF, H O (1:10) içerisinde 1 dakika ultrasonik olarak yıkanıp hemen DIW ile 3 defa durulandı. Bu işlem yaprak kristal üzerindeki doğal oksit tabakasını kaldırmak amacıyla yapıldı. ı. DIW ile ultrasonik olarak 5 dakika yıkandı. 4. Numune tutucu cımbız, maskeler ve metaller yüksek saflıkta N gazı ile kurutuldu SiO tabakasının ve omik kontağın oluşturulması n tipi Silisyum üzerinde SiO tabakası, Gazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi İleri Araştırma laboratuarındaki RF Püskürtme Sistemi (RF Sputtering System) ile oluşturuldu. Kimyasal olarak temizlenen yaklaşık 50 mm çapındaki n tipi Silisyum yaprak püskürtme sistemindeki numune tutucuya yerleştirilip sistem 1,.10-8 Torr a kadar vakumlandı. Sistemde bulunan Alüminyum elektrot püskürtülerek n tipi silisyumun mat yüzeyinin Al film tabakası ile kaplanması sağlandı. Bu işlem sırasında numune 150 sıcaklığında tutuldu. Film kalınlığını gösteren Film Kalınlığı Ölçme Sistemi 000 Å gösterdiğinde akım kesildi. Vakumlanmış ortamda dururken numune sıcaklığı 600 ye çıkartılarak 10 dakika beklendi. Böylece omik kontak oluşması sağlanmış oldu. Numune ters çevrilerek tekrar vakumlama işlemi yapıldı. N tipi silisyumun parlatılmış yüzeyine SiO elektrot püskürtülerek yüzeyin

41 7 SiO ile kaplanması sağlandı. Yüzey kalınlığı, İnce Film Yüzey Kalınlığı Ölçme Sistemi ile ölçüldü. Film kalınlığı 100 Å olarak ölçüldü.. Şekil 3.1. Omik kontak oluşturulurken kullanılan maske Omik kontaklar için Şekil 3.1 de gösterilen 50 mm çaplı ve 350 µm kalınlıklı paslanmaz çelik maske kullanıldı. Vakum Torr a ulaştığında, %99,999 luk saflığa sahip kimyasal olarak temizlenmiş alüminyum metal elektrottan çıkan parçacıklar numune üzerine film şeklinde kaplandı. Püskürme başlamasından bir süre sonra kesici kapak (metal perde) yan tarafa çekilerek, silisyumun mat yüzeyine alüminyum filmin kaplanması sağlandı. Kapağın başlangıçta kristalin önünde durmasının nedeni, buharlaşabilecek yabancı maddelerin kristal yüzeyine yapışmasını önlemektir Doğrultucu kontağın oluşturulması Numune RF Püskürtme Sisteminde omik kontak ve SiO tabaka oluşturulduktan sonra oradan çıkartılarak yaklaşık 50 mm çapındaki pullar 4 parçaya kesildi ve parçalardan birisi Vakumda Metal Kaplama sistemine yerleştirildi. Kaplama Sistemi Torra kadar vakumlandı. SiO tabakası üzerine daha önce kimyasal olarak temizlenmiş olan saf Au (%99,999) teller buharlaştırıldı. Bu işlem sırasında numune sıcaklığı 150 da tutuldu. Böylece doğrultucu kontağın oluşması sağlandı.

42 Örnek taşıyıcı kol. RF (Argon plazma) 16 aşındırma hücresi 3. Püskürtme hücresinin plazma izleme penceresi kaynaklı püskürtme hücresi ( 3 D RF kaynağı) 5. Aşındırma izleme penceresi 6. Gaz balonları ( Ar, 0,N ) 7. Püskürtme hücresinin kapat tutucusu 8. Ön ( vakum ) pompa 9. Turbo pompa Örnekleri döndüren mekanizma 11. Kontrol ünitesi 1. Vakum gösterme paneli 13. Kalınlık ölçer 14. D beslenme jeneratörü ısıl çift 16.. ısıl çift 17. Kontrol ünitesinin monitörü D güç kaynağı Resim 3.1. SiO yalıtkan tabaka ve omik kontak oluşturulmada kullanılan püskürtme sistemi Oksitlendirilmiş yüzey, üzerine çok sayıda 1mm çaplı delikler açılmış olan çelik maske (Şekil 3.3) yerleştirildi. Flaman üzerine konulan kimyasal olarak temizlenen altın (Au) metal parçası, yaklaşık Torr vakumda buharlaştırılarak kristalin parlak yüzeyine küçük dairecikler (1mm çaplı) şeklinde ve 1500 Å kalınlığında altın kaplanması sağlandı. Böylece doğrultucu kontağın da oluşturulmasıyla Al/n-Si/SiO /Au şeklinde diyotlar elde edildi. Soğuması için bir süre bekletilen kristal vakum ortamından çıkartılarak her bir dairecik (diyot) ortada kalacak şekilde, elmas kesici yardımıyla 4 parçaya bölündü. Diyotların hazırlanış şeması Şekil 3. de ve Al/n-Si/SiO /Au yapının şematik gösterimi Şekil 3.3 de verilmiştir.

43 9 Si Yarıiletken Plaka Örnek tutucu 5 Farklı 1 mm çaplı diyot oluşturma maskeleri 7 Resim 3.. Püskürtme sisteminde kontak oluşturulurken kullanılan maskeler

44 30 (a) n-si Kimyasal temizleme ve omik kontak kaplama SiO (b) Yalıtkan tabakanın oluşturulması Au kaplama (c) Doğrultucu kontak oluşturulması (d) Parçalara bölme (e) Ölçme uçlarının hazırlanması Şekil 3.. Al/n-Si/SiO /Au yapının hazırlanış sırası

45 Å Au (Doğrultucu kontak) 100 Å SiO (Yalıtkan tabaka) n-si 400 µm (Yarıiletken tabaka) 000 Å Al (Omik kontak) Al elektrot Şekil 3.3. Al/n-Si/SiO /Au yapının şematik gösterimi 3.. Kullanılan Ölçüm Düzenekleri Hazırlanan numuneleri üzerine yapıştırmak için, çok iyi iletken olan bir bakır plaka kimyasal olarak temizlendi. Daha sonra bu plaka üzerine yüksek sıcaklığa (300 ) dayanıklı yapıştırıcı ile, çok ince, elektriksel iletimi iyi olan teller, orta kısmından yapıştırılarak kuruması için bir gün bekletildi. Böylece tellerin bakır plaka ile temas etmesi engellendi ve elektriksel yalıtkanlık sağlandı. Hazırlanan numuneler vakumda kaplama sisteminden alınarak, bakır plaka üzerine, omik kontak bakır plaka üzerine gelecek şekilde gümüş pastasıyla yapıştırıldı ve kuruması için birkaç saat bekletildi. Sonra bakır plaka üzerine daha önceden yapıştırılmış olan teller ile doğrultucu kontak tarafına 1 mm çapındaki yüzeylere, yüzeyden taşmayacak şekilde, gümüş pastası ile kontak yapıldı. Daha sonra bakır plaka kryostat içerisindeki numune tutacağı kısmına yerleştirildi. ihazlara giden bağlantılar yapıldıktan sonra kryostat kapatılarak vakumlandı (10 - Torr). Vakumlama işlemi, düşük sıcaklıklarda numune üzerinde nemlenmeyi önlemek amacıyla yapıldı. Kryostata kablolarla bağlı olan Isı Kontrol Sistemi ile numunenin sıcaklığı belirli değerlerde tutularak akım-gerilim ve sığa-gerilim ölçümleri yapıldı.

46 3 Ölçümler 80 K ile 390 K arasında 10 farklı sıcaklıkta yapıldı. Frekansa bağlı sığagerilim ölçümleri 50 khz ile 5 MHz aralığında hesaplandı Sığa-Gerilim (-V) ölçüm düzeneği Sığa-gerilim (-V) ve iletkenlik-gerilim (G/w-V) ölçümlerinde Hawlett Packard 419A LF Empedans Analizmetre (5Hz 13MHz) kullanıldı. Ölçümler bilgisayara takılan bir IEEE-488 A/D çevirici kart yardımıyla kumanda edilerek gerçekleştirildi. Kapasite-gerilim (-V) ve iletkenlik-gerilim (G/w-V) ölçümlerinin yapıldığı düzeneğin şeması Şekil 3.4 de gösterildi Akım-Voltaj (I-V) ölçüm düzeneği Fiziksel karakterlerin ölçülmesi, Gazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü İleri Katıhal Laboratuarında yapıldı. Akım-Voltaj (I-V) ölçümleri için programlanabilir Keithley 400 Kaynakmetre (Sourcemeter) kullanıldı. Sıcaklıklar, Isı Kontrol Sistemiyle ayarlandı. Ölçümler Hawlett Packard bilgisayarına takılan bir IEEE-488 A/D çevirici kart yardımıyla kumanda edilerek gerçekleştirildi. Akım- Gerilim (I-V) ölçümlerinin yapıldığı düzenek Şekil 3.5 de gösterilmiştir.

47 33 HP 419A LF Empedans Analizmetre IEEE-488 A/D Çevirici kart takılı kryostat Numune kutusu Şekil 3.4. Sığa-gerilim ve iletkenlik-gerilim ölçümleri için kullanılan düzenek Keithley 400 Sourcemeter IEEE-488 A/D Çevirici kart takılı bilgisayar Isı Kontrol Ünitesi kryostat Numune kutusu Şekil 3.5. Akım-gerilim ölçümleri için kullanılan düzenek

48 34 4. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Hazırlanan yapıların temel fiziksel parametrelerini belirlemek için K sıcaklık aralığında farklı sıcaklıklarda akım-voltaj (I-V), sığa-gerilim (-V) ve iletkenlik-gerilim (G/w-V) ölçümleri frekansa bağlı olarak gerçekleştirildi (50 khz - 5 MHz). Yapının sığa-gerilim (-V) ve iletkenlik-gerilim (G/w-V) ölçümleri negatif gerilimden, yüksek pozitif gerilime (-0 V-0 V) geniş bir aralıkta, kuvvetli yığılım ve kuvvetli tersinim bölgesinde yapıldı. Tüm bu ölçümler Hewlett Packard 419 A Düşük Frekans (LF) Empedans Analizmetre (5 Hz - 13 MHz) ve bir EEE-488 A/D çevirici kart yardımıyla bilgisayarla kumanda edilerek gerçekleştirildi. Ölçülen bu değerler kullanılarak öncelikle sığa-gerilim (-V) ve iletkenlik-gerilim (G/w-V) eğrileri farklı frekans (50 khz - 5 MHz) ve farklı sıcaklıklar için (80 K 390 K) aynı grafik penceresinde çizilerek sığa ve iletkenliğin frekansa ve sıcaklığa bağlılığı gösterildi. Yine aynı değerler kullanılarak hesaplanan seri dirençler aynı şekilde çeşitli frekanslar için çizildi. Hesaplanan seri direncin uygulanan d.c. gerilime ve frekansa bağlılığı açıkça görüldü ve sebepleri tartışıldı Sığa Gerilim (-V) Karakteristikleri Al/SiO /n-si/au yapının -V ölçümleri 80 K 390 K arası sıcaklıkta ve 50 khz - 5 MHz frekans aralığında yapıldı. Al/SiO /n-si/au yapı d.c. gerilim altındayken, genliği d.c. gerilimden çok küçük olan (50mV) bir a.c. uyarma sinyali uygulandı. Tüm bu deneysel veriler ışığında 100 khz 1 MHz aralığında çizilen -V grafiği Şekil 4.1 de gösterildi. Şekil 4.1 deki -V eğrilerinden anlaşılacağı üzere düşük frekanslarda gözlenen iki pik frekans değeri arttırıldığında kuvvetli yığılım bölgesinden, kuvvetli tersinim bölgesine doğru gittikçe azalmıştır. Yani yığılım ve tükenim bölgesi arasında sığa değeri artan frekansla azalmaktadır.

49 35 6,00E khz 300 khz 5,00E khz 1 MHz 4,00E-10 (F) 3,00E-10,00E-10 1,00E-10 0,00E V (V) Şekil 4.1. Al/SiO /n-si/au yapının 300 K de farklı frekansta çizilen -V eğrileri Sığanın bu frekansa bağlılıı arayüzey durumlarından kaynaklandığı bilinmektedir [3]. Düşük frekans bölgelerinde, arayüzey durumları a.c sinyali takip edebildiğinden dolayı -V değerlerine ilave bir katkı gelmektedir. Frekans arttırıldığında ise, arayüzey durumlarının bahsedilen bu katkıları azalmakta ve

50 36 1MHz civarında bu etki hemen hemen ortadan kalkmaktadır. Bu nedenden dolayı numunenin gerçek elektriksel parametrelerini hesaplamak için -V ölçümlerini yüksek frekansta yapmak daha iyi sonuç almamıza neden olacaktır [33]. -V eğrilerinde görülen yarılmaların oluşmasında, uygulanan gerilim, yarıiletken yüzeyinde meydana gelen yığılım, tükenim, tersinim bölgelerindeki fiziksel olaylar ve arayüzey durumları etkilidir. Çünkü arayüzey durumları metal-yarıiletken arayüzeyindeki yasak enerji aralığına dağılmış özel bir dağılıma sahiptirler. Arayüzey durumlarının etkisinde hemen hemen hiç olmadığı, yüksek frekans -V eğrilerinin, kuvvetli yığılım bölgesindeki maksimum değerine karşılık gelen sığa değeri ( ox ), yalıtkan oksit tabakasının sığasıdır [34]. Sığanın bu maksimum değeri (= ox =ε'a/d ), yalıtkan oksit tabakası için dielektrik sabitinin teorik değeri (ε' =3,8ε o ) ve diyot alanı (A=7, cm ) kullanılarak metal ve yarıiletken arasında oluşturulan yalıtkan oksit tabakasının kalınlığı 90 Å hesaplanmıştır. Şekil 4. de gösterilen frekansa bağlı - /V eğrileri arayüzey durumlarının etkisiyle, ters beslemde lineer bir davranışa sahip değillerdir. Çünkü düşük frekanslarda -V eğrilerinin periyodu (T=1/w) yeterince büyüktür ve arayüzey durumlarının etkisi açıkça görülür. Şekil 4. de 0V ve 1V aralığındaki bölgeyi kullandık. - -V eğrilerinden 300 K sıcaklıkta frekansa bağlı parametreler Çizelge 4.1 de gösterilmiştir. - V grafiği kullanılarak elde edilen Çizelge 4.1 den görüldüğü gibi düşük frekanslarda difüzyon potansiyeli (V d =V o +kt/q), tüketim tabakasının genişliği (W D =εε o V d /(qn D ) 1/ ), Fermi enerjisi (E F =(kt/q)ln(n c /N D )), potansiyel engel yüksekliği (Φ B =V D +E F - Φ B ) artan frekansla artarken, katkılanan verici atomların sayısı (N d =/qεε o A tanθ) ve arayüzey durumlarının sayısının (N ss =Tε o (1- )/ Aq) frekansa bağlı olarak fazla değişiklik göstermemektedir. Bu davranışlar arayüzey durumlarının azalan frekansla a.c. sinyali takip edebilme özelliğinden kaynaklanmaktadır. =N D (deneysel)/n D (teorik) ifadesinde bu oranın idealde 1 civarında veya 1 den küçük olması beklenir. Burada bulunan sonuçları literatüre yakın değerlerdir. Yarıiletken ile dengede olan N ss, a.c. sinyali düşük frekanslarda daha kolaylıkla takip edebilir ve ilave bir sığa üretebilir. Düşük frekansların aksine yüksek frekans limitinde N ss, a.c. sinyali takip edemez. Bundan