Au/SiO 2 /n-si (MIS) YAPININ ELEKTRİK VE DİELEKTRİK KARAKTERİSTİKLERİNİN SICAKLIĞA BAĞLI İNCELENMESİ. Ayşe Gül EROĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK

Transkript

1 Au/SiO 2 /n-si (MIS) YAPININ ELEKTRİK VE DİELEKTRİK KARAKTERİSTİKLERİNİN SICAKLIĞA BAĞLI İNCELENMESİ Ayşe Gül EROĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EYLÜL 2011 ANKARA

2 Ayşe Gül EROĞLU tarafından hazırlanan Au/SiO 2 /n-si (MIS) Yapının Elektrik Ve Dielektrik Karakteristiklerinin Sıcaklığa Bağlı İncelenmesi 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. Üye (Danışman) : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL Fizik, Gazi Üniversitesi Üye : Doç. Dr. İlbilge DÖKME Fizik, Gazi Üniversitesi Üye : Doç. Dr. Adem TATAROĞLU Fizik, Gazi Üniversitesi Tarih: / / 2011 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onaylamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU 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 ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Ayşe Gül EROĞLU

4 iv Au/SiO 2 /n-si (MIS) YAPININ ELEKTRİK VE DİELEKTRİK KARAKTERİSTİKLERİNİN SICAKLIĞA BAĞLI İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Ayşe Gül EROĞLU GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Eylül 2011 ÖZET Bu çalışmada, Au/SiO 2 /n-si (MIS) yapıların elektrik ve dielektrik özellikleri 1 MHz de K sıcaklık aralığında incelendi. Sıcaklık bağımlılığı; elektriksel iletkenlik ( ac ) ve özdirenç (ρ ac ), dielektrik sabiti (ε'), dielektrik kayıp (ε''), kayıp tanjant (tanδ), elektrik modülüsün reel ve gerçek kısımları (M' and M") kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümlerinden elde edildi. ε', ε'' ve ac değerleri, K sıcaklık aralığında artan sıcaklıkla üstel olarak artmaktadır. Diğer taraftan bu değerler 120 K-240 K sıcaklık aralığında hemen hemen sabit kalmaktadır. Buna ilaveten deneysel dielektrik verileri elektrik modülüs formalizmi dikkate alınarak analiz edildi. Ln ac /T grafiği düşük ( K) ve yüksek ( K) sıcaklık aralığında farklı eğimli iki lineer bölge vermektedir. İki farklı iletim mekanizması için aktivasyon enerjisi değerleri, düşük ve yüksek sıcaklıklar için sırasıyla 4 mev ve 201 mev olarak bulundu. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : MIS yapı, Sıcaklık etkisi, Elektriksel ve dielektrik özellikler, AC elektriksel iletkenlik ve özdirenç, Elektrik modülleri Sayfa Adedi : 45 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL

5 v THE INVESTIGATION OF TEMPERATURE DEPENDENT ELECTRIC AND DIELECTRIC CHARACTERISTICS OF Au/SiO 2 /n-si (MIS) STRUCTURE (M.Sc. Thesis) Ayşe Gül EROĞLU GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY September 2011 ABSTRACT In this study, the temperature dependence of the electric and dielectric characteristics of Au/SiO 2 /n-si (MIS) structures were investigated in the temperature range of K at 1 MHz. The temperature dependence of ac electrical conductivity ( ac ) and resistivity (ρ ac ), dielectric constant (ε'), dielectric loss (ε''), loss tangent (tanδ), the real and imaginary parts of electric modulus (M' and M") were obtained from capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/w-V) measurements. The ε', ε'' and ac values increase as exponentially with increasing temperature between 280 K and 400 K. On the other hand, these values remain almost constant between 120 K and 240 K. In addition, the experimental dielectric datas were analyzed by considering electric modulus formalism. The ln ac vs. 1000/T plot gives two linear regions with different slopes at low ( K) and high ( K) temperature ranges. The values of activation energy for two different conduction mechanisms were found as 4 mev and 201 mev for low and high temperatures, respectively. Science Code : Key Words : MIS structure, Temperature dependent, Electrical and dielectric properties, AC electrical and resistivity, Electric modulus Page Number : 45 Adviser : Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardımları ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL a yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım hocam Doç. Dr. Adem TATAROĞLU na ve laboratuarda görevli tüm çalışma arkadaşlarıma, aileme özellikle de hiçbir zaman benden desteğini esirgemeyen anneme sonsuz teşekkür ediyorum.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... vii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... viii SİMGELER VE KISALTMALAR... x 1. GİRİŞ METAL-YALITKAN-YARIİLETKEN (MIS) YAPILAR Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) Yapısı İdeal MIS Yapısı İdealden sapmış MIS yapı DENEYSEL YÖNTEM Au/SiO 2 /n-si Yapının Hazırlanması Kristal temizleme Omik kontağın oluşturulması Yalıtkan silisyum dioksit (SiO 2 ) tabakanın oluşturulması Doğrultucu kontağın oluşturulması Kullanılan Ölçüm Düzenekleri ÖLÇÜM SONUÇLARI VE BULGULAR SONUÇ VE TARTIŞMA KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 45

8 viii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Bir MIS yapının şematik gösterimi... 4 Şekil 2.2. V=0 da ideal bir MIS yapının enerji-bant diyagramı. (a) p-tipi yarıiletken (b) n-tipi yarıiletken... 5 Şekil 2.3. Bir Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) yapının enerji bant diyagramı(n-tipi yarıiletken için)... 7 Şekil 2.4. Bir MIS yapının eşdeğer devresi... 9 Şekil 2.5. V 0 durumunda ideal MIS yapının enerji-bant şeması a) Yığılım b) Tükenim c) Tersinim Şekil 2.6. İdeal bir MIS yapının elektronik şeması a) Yığılım b) Tükenim c) Tersinim Şekil 2.7. İdeal olmayan MIS/MOS yapısında arayüzey durumları ve yüklerin sınıflandırılması Şekil 2.8. MIS yapısının eşdeğer devresi. a) Bir enerji seviyesi için b) Birbirinden farklı enerji seviyeleri için Şekil 2.9. Pozitif veya negatif sabit oksit yüklerine göre voltaj ekseni boyunca C-V eğrisinin değişimi: a) p-tipi b) n-tipi yarıiletken için Şekil 3.1. Omik ve doğrultucu kontak oluşturulmasında kullanılan vakumda buharlaştırma sistemi Şekil 3.2. Yalıtkan/oksit tabakanın büyütülmesinde kullanılan oksidasyon fırını Şekil 3.3. Doğrultucu kontak oluşturulmasında kullanılan bakır maske Şekil 3.4. Elektriksel karakter ölçümlerinin gerçekleştirildiği laboratuvar Şekil 4.1. MIS yapılar için 1MHz de sıcaklığa bağlı kapasitans ve kondüktans değişimi Şekil 4.2. Sırasıyla, sıcaklığa bağlı ', '' ve tan değerleri Şekil MHz de sıcaklığa bağlı ac iletkenlik Şekil 4.4 MIS yapı için ac iletkenliğin Arrhenius eğrileri Şekil 4.5. Sıcaklığa bağlı ac özdirenç değerleri... 38

9 ix Şekil Sayfa Şekil 4.6. MIS yapılar için 1 MHz de sıcaklığa bağlı olarak hesaplanan elektrik modülüsün gerçek kısmı (M ) ve imajiner kısmı (M ) değerleri... 39

10 x SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama σ ac ρ ac V G χ e R E Q Å C ox A ox d ox ψ s χ s τ Ψ s ε o ε s ε ox ε' ε'' tan AC iletkenlik AC özdirenç Uygulanan gerilim Dielektriğin elektrik iletkenliği Dielektrik dayanıklılık Elektrik alan şiddeti Elektrik yükü Angström Oksit kapasitansı Oksit tabakasının alanı Oksit kalınlığı Arayüzeydeki bant gerilimi Yarıiletkenin elektron yakınlığı Arayüzey tuzaklarının ömrü Yüzey potansiyeli Boşluğun dielektrik sabiti Yarıiletkenin dielektrik sabiti Oksit tabakasının dielektrik sabiti Dielektrik sabiti Dielektrik kayıp Dielektrik tanjant (Kayıp açı)

11 xi Simgeler Açıklama V FB C ss P W D Q sc R s C G Z Y Düz bant gerilim kayması Arayüzey kapasitansı Kutuplanma vektörü Tükenim bölgesi kalınlığı Yarıiletkendeki uzay yükü Seri direnç Kapasitans İletkenlik Empedans Admittans Kısaltmalar Açıklama ac C HF C LF C-V dc G/w-V MOS Alternatif gerilim Yüksek frekans kapasitansı Düşük frekans kapasitansı Kapasitans-gerilim Doğru gerilim İletkenlik-gerilim Metal-Oksit-Yarıiletken

12 1 1. GİRİŞ Katılar, aynı tür atomların veya moleküllerin bir araya gelmesi ile oluşmuş yapılardır. Katıları elektriksel iletkenliklerine göre temelde üç grupta inceleyebiliriz. Bunlar iletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerdir. Bir katının elektrik iletkenliği katı içerisindeki serbest elektron sayısıyla doğru orantılıdır. İletkenlerde serbest elektron miktarı oldukça fazladır. Yarı iletkenlerde iletim; ısı, ışık, gerilim gibi bir dış etki ile başlar. Yalıtkanlarda ise serbest elektronlar bulunmadığından elektrik iletimi olmaz. Ancak çok yüksek gerilimlerde madde içerisindeki elektronlar harekete geçebilir. Yarıiletken malzemeler, günümüzde, elektrikli cihazların neredeyse bütününde yaygın olarak kullanılmaktadır. İlk olarak John Bardeen ve Walter Brattain in [1,2] ürettiği Ge transistörlerden (1947) bugüne hızla gelişen ve yaygınlaşan bu malzemeler hem boyutlarının küçük olması hem de düşük enerji ihtiyaçları ile elektronik sanayinin vazgeçilmez devre elemanları olmuşlardır lı yıllardan itibaren ise metal-yarıiletken kontaklar üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. Metalyarıiletken (MS), metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) ve metal-oksit-yarıiletken (MOS) yapıların akım iletim mekanizmaları ve temel özellikleri; Sze, Rhoderich, Sharma, Wilson ve Schottky tarafından geniş çaplı olarak incelenmiştir [1,3,4,5]. MIS yapı ile MOS yapı arasındaki temel fark, metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan tabakanın kalınlığıdır. Bu kalınlık 100 Å dan küçük ise bu yapılara MIS tipi Schottky diyotlar denilir. Yalıtkan tabakanın 100 Å dan büyük olması durumunda yapı bir MOS kondansatör gibi davranır. MOS yapıların temel elektriksel parametreleri genelde frekansa veya sıcaklığa bağlı kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) ölçümlerinden belirlenir. MIS tipi Schottky diyotların temel elektriksel parametreleri ise hem frekansa veya sıcaklığa bağlı akım-voltaj (I- V) ölçümleri hem de C-V ve G/w-V ölçüm metotlarından belirlenebilir. Bu yapılarda metal olarak genelde Si, Ge, GaAs, yalıtkan olarak ise SiO 2, Si 3 N 4, TiO 2 seçilir. Bunlardan en sık rastlananı SiO 2 dir. SiO 2 nin düşük elektriksel

13 2 özdirenci ve yüksek optik geçirgenliği, ideal örgü sürekliliğine yakın bir eklem oluşturması böylece eklem karakteristiklerinin daha iyi kontrol edilebilmesi avantaj sağlar. Sensörlerde, ince film transistörlerde, güneş pillerinde, dokunmatik ekranlarda yaygın olarak SiO 2 kullanılmaktadır. Elektrik ve dielektrik özellikleri incelenirken, yarıiletken yüzeyi, yalıtkan tabaka ve yalıtkan arayüzeyi özelliklerine de dikkat edilmelidir. Ancak 1 MHz ve üzeri frekanslarda arayüzey durumlarının uygulanan ac sinyali takip edememesinden dolayı, kapasitans ve kondüktansa arayüzey durumlarından gelen katkı ihmal edilebilir. Sıcaklık, dielektrik özellikler incelenirken üzerinde durulması gereken önemli bir faktördür. Esasında; yalıtkan, yarıiletken, iletken tüm maddelerin sıcaklığı değiştirildiği takdirde elektronların termal enerjisi de değişmiş olur. Bu da maddenin iletkenlik, direnç vb. birçok davranışında değişikliğe sebep olur. Bu çalışmada Au/SiO 2 /n-si yapının K sıcaklık aralığında ve 1 MHz frekans altında, elektrik ve dielektrik özellikleri incelenmiştir. Admittans tekniği kullanılarak dielektrik sabiti (ε'), dielektrik kayıp (ε"), kayıp tanjant (tanδ), ac iletkenlik ( ac ), ac özdirenç (ρ ac ) ve MIS yapıların elektrik modulüsleri hesaplanmıştır. Deneysel sonuçlar; MIS yapılarda elektrik ve dielektrik özelliklerin sıcaklığa bağlı olduğunu göstermiştir. Bu tez çalışması beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde bu çalışmanın içeriğinden ve bu konudaki benzer çalışmalardan bahsedildi. İkinci bölümde metalyalıtkan-yarıiletken (MIS) yapılar hakkında genel bilgiler verildi. Üçüncü bölümde metal yalıtkan yarıiletken (Au/SiO 2 /n-si) yapıların hazırlanması aşama aşama anlatıldı ve deneysel ölçüm sistemi ile kullanılan ölçüm cihazları tanıtıldı. Dördüncü bölümde elde edilen deneysel sonuçlarla ilgili gerekli tüm grafikler verilerek mevcut literatür ile kıyaslamalı olarak incelendi. Beşinci bölümde ise, elde edilen tüm deneysel sonuçlar yorumlandı.

14 3 2. METAL-YALITKAN-YARIİLETKEN (MIS) YAPILAR Bu bölümde Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) yapılar hakkında bilgi verilerek, MIS yapı şematik olarak incelenecektir. Ayrıca yalıtkan tabakanın genel özelliklerine değinilecektir Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) Yapısı MIS yapılar metal ile yarıiletken arasında yalıtkan madde içermelerinden dolayı paralel plakalı kondansatörlerle benzerlik gösterirler. Böyle bir yapının MIS yapı olabilmesi için yalıtkan tabaka kalınlığının 100 Å dan az olması gerekmektedir. Eğer yalıtkan tabaka çok ince ise (dox <40 Å ) MIS tipi Schottky diyotu olurlar. Yalıtkan tabakanın ince olması elektriksel parametreler hesaplanırken hem I-V hem C-V ölçümlerinin kullanılabileceği anlamına gelir. Oysa kalın yalıtkan tabakalı MOS ve MIS yapılarda I-V ölçümleri kullanılamaz. Şekilde MIS yapıya ait şematik gösterim görülmektedir. Burada V metal plakaya uygulanan gerilimi temsil eder. Metal kontak ile yarıiletken arasında yalıtkan tabaka görülmektedir. Bu tabakanın kalınlığına bağlı olarak yapı MIS ya da MOS olur. Ayrıca iki farklı kontak vardır. Metal ve yarıiletkenin iş fonksiyonlarına bağlı olarak kontak omik ya da doğrultucu olmak üzere ayrılır. Yarıiletkenin n tipi ya da p tipi olması da kontak alınırken dikkate alınır.

15 4 Şekil 2.1. Au/SiO 2 /n-si (MIS) yapının şematik gösterimi 2.2. İdeal MIS Yapısı İdeal MIS yapısını tanımlamadan önce bazı kavramları tanımaya ihtiyacımız vardır. Fermi Enerjisi: İletkenlerde mutlak sıfır sıcaklığında (T=0 K), elektronların taban durumundan itibaren doldurduğu en yüksek seviyedeki enerjisine denir. Yarıiletkenlerde ise iletkenlik ve valans bandındaki taşıyıcı sayısına ve sıcaklığa bağlı olarak, yasak enerji bölgesinde yer alan göreceli seviye Fermi enerjisi olarak tanımlanır. Eğer yarıiletkenimiz n tipi ise Fermi enerjisi iletim bandına daha yakın, p tipi ise valans bandına daha yakındır. Vakum seviyesi: Bir metalin tam dışındaki sıfır kinetik enerjili bir elektronun enerji seviyesi veya bir elektronu yüzeyden koparıp serbest hale gelmesi için ihtiyaç duyulan minimum enerji miktarıdır. Metalin iş fonksiyonu ( m ): Bir elektronu Fermi enerji seviyesinden vakum seviyesine çıkarmak veya serbest hale getirmek için ihtiyaç duyulan minimum enerji miktarıdır.

16 5 Yarıiletkenin iş fonksiyonu( s ): Yarıiletkenin Fermi enerji seviyesi ile vakum seviyesi arasındaki enerji farkıdır. Fermi enerjisi katkılanan madde atomlarının yoğunluğu ile değiştiğinden dolayı s de değişen bir niceliktir. Elektron alınganlığı (): Vakum seviyesi ile iletkenlik bandı kenarı arasındaki bir elektronun enerji farkıdır. Bu kavramları tanımladıktan sonra ideal MIS yapının enerji-bant diyagramını inceleyebiliriz[1,6]. Şekil 2.2. V=0 da ideal bir MIS yapının enerji-bant diyagramı. (a) p-tipi yarıiletken (b) n-tipi yarıiletken m : Metalin iş fonksiyonu B : Metal ve yalıtkan arasındaki potansiyel engeli : Yarıiletkenin elektron alınganlığı i : Yalıtkanın elektron alınganlığı E V : Valans (değerlik) bandı enerji seviyesi E C : İletkenlik bandı enerji seviyesi E i : Saf Fermi enerji seviyesi ((E C - E V )/2) E F : Fermi enerji seviyesi

17 6 B : Fermi ile saf Fermi enerji seviyesi arasındaki fark İdeal bir MIS yapısı aşağıdaki verilen özellikleri ile tanımlanabilir[6,7,8,9]. Sıfır beslem durumunda metalin iş fonksiyonu m ve yarıiletkenin iş fonksiyonu s arasındaki fark sıfırdır. Diğer bir deyişle metal ile yarıiletken arasındaki iş fonksiyonu farkı sıfırdır ( ms = m - s =0) ve n-tipi ile p-tipi yarıiletken için şu şekilde verilir [1,8]. ms Eg m ( B) 0 2q (n-tipi) ms m Eg ( B ) 0 2q (p-tipi) Burada E g yarıiletkenin yasak enerji aralığı ve B ise Fermi enerji seviyesi E F ile saf enerji seviyesi E i arasındaki enerji farkıdır. ii) Metal ve yarıiletken tabakalar arasındaki yalıtkan; bant aralığı çok büyük olduğundan ideal bir dielektriktir. Yalıtkan içinde ve yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde tuzaklar, sabit ve hareketli iyonlar bulunmaz. Aynı zamanda yalıtkanyarıiletken arayüzeyinde arayüzey durumları ve arayüzey yükleri de bulunmaz. iii) Yalıtkan bant aralığı o kadar büyüktür ki yalıtkanın iletkenlik bandındaki yük taşıyıcı yoğunluğu ihmal edilebilecek kadar küçüktür. iv) D.C. gerilim altında (belsem altında) yalıtkana doğru taşıyıcı geçişi yoktur yani yalıtkanın özdirenci sonsuzdur. v) Herhangi bir beslem altında yalıtkan tabaka ile bitişik olan metal yüzeyindeki yükler ile yarıiletkendeki yükler eşit fakat zıt yönlüdürler.

18 7 Şekil 2.3 de bu durumun enerji-bant diyagramını şematik olarak görüyoruz. Şekil 2.3. Bir Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) yapının enerji bant diyagramı(n-tipi yarıiletken için) İdeal bir MIS yapıda, doğrultucu metal kontağa bir gerilim uygulandığı zaman yarıiletkende yük kaymaları oluşur. Yarıiletkendeki serbest hareketli yük yoğunluğu metaldekine göre daha azdır ve bu kaymalar uygulanan gerilime bağlıdır. Yarıiletken arayüzey bölgesinde bantların bükülmesine sebep olan uzay yükleri (Qsc) oluşur. Termal denge durumunda arayüzey bölgesindeki uzay yük yoğunluğu potansiyelin büyüklüğü ile belirlenir. Yarıiletkende yükler katkılama türüne göre çoğunluk ve azınlık taşıyıcılar olup, yarıiletkende metallerdekine göre serbest olmayan yükler bulunduğu için uygulanan gerilime bağlı olarak yük, ya uzay yükü bölgesinde ya da arayüzey bölgesinde yığılmalara neden olur. Uygulanan V G geriliminin bir kısmı yarıiletken üzerine bir kısmı da yalıtkan arayüzey tabakası üzerine düşer. Bu yüzden, V G V ox s

19 8 Eşitliği yazılabilir. Bu ifadede V ox yalıtkan arayüzey tabakası üzerine düşen gerilim, ψ s ise arayüzeydeki bant gerilimidir [7]. Sistemdeki toplam yük, kondansatördeki yüklere benzetilerek aşağıdaki denklem ile verilebilir. Q m Q n qn A W Q s Q m Q sc 0 Burada Q n tersinim bölgesinde birim alan başına düşen elektronların oluşturduğu toplam yük, qn A W ise W genişliğinde uzay yükü ile uzay yükü bölgesinde birim alan başına iyonize olmuş alıcı katkı atomlarının sayısıdır. Q s yarıiletkendeki toplam yük, Q m metal yüzeyindeki toplam yük ve Q sc ise uzay yükü bölgesinde biriken yüktür [8]. Metal ve yarıiletken tabaka arasındaki yalıtkan tabakadan dolayı metal ve yarıiletken arasında bir kapasitans oluşur. Kondansatörlerin özelliklerini metal ile yarıiletken arasındaki yalıtkan tabaka ve yalıtkan yarıiletken arayüzeyi belirler. Kapasitans arayüzeyin dielektrik sabitine bağlıdır. Bir MIS kapasitansına karşılık gelen eşdeğer devre Şekil 2.4 de gösterilmiştir. Uygulanan gerilimde küçük diferansiyel değişimler varsa MIS yapının kapasitansı C, yalıtkan tabakanın kapasitansı C ox ve uzay yükü kapasitansı C sc olarak gösterilebilir. Bunların eşdeğer kapasitansları bize MIS kapasitansını verecektir. Uygulanan gerilimde çok küçük diferansiyel değişimlerin olduğunu varsayarak sırasıyla MIS, yalıtkan ve uzay yükü bölgesi kapasitanslarını aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz: C dq dv m G A ox C ox dq dv m ox A ox

20 9 C sc dq sc d s A ox Burada A ox metal ile yarıiletken arasında kalan yalıtkan tabakanın alanı, dolayısıyla MIS doğrultucu kontağın alanıdır. Şekil 2.4. Bir MIS yapının eşdeğer devresi Şekil 2.4 de görüldüğü gibi MIS yapının eşdeğer kapasitansı, yüzey yük kapasitansı C sc ile yalıtkan oksit kapasitansı C ox in seri bağlanmasına eşdeğerdir. 1 C 1 1 C sc C ox Yalıtkan oksit kapasitansı C ox, C ox d ox ox A ox eşitliği ile verilir. Burada ox yalıtkan tabakanın dielektrik sabiti, d ox ise onun kalınlığı olup uygulanan gerilimden bağımsız olduklarından dolayı Cox değeri de uygulanan gerilimle değişmez. Böylece MIS yapının kapasitansındaki değişimi

21 10 Qsc sadece uzay yükü kapasitansı belirler. Uygulanan gerilime bağlı olarak MIS kapasitansında meydana gelen durumları Şekil 2.5 de gösterilen bir p-tipi yarıiletken için tanımlayabiliriz [1,7,9]. Yığılım: Metal plakaya bir negatif gerilim (V G <0) uygulandığı zaman, bu gerilimden dolayı oluşan elektrik alan yarıiletkenin çoğunluk yük taşıyıcısı olan deşikleri yarıiletken arayüzeyine doğru çekecektir (Şekil 2.5a). İdeal bir diyotta yük akışı olmadığı zaman Fermi enerji seviyesi yarıiletkende sabit kalır. Taşıyıcı yoğunluğu üstel olarak enerji farkına (E F - E V ) bağlı olduğundan, bant bükülmesi yarıiletken yüzeyinin yakınında çoğunluk taşıyıcı olan deşiklerin yığılmasına sebep olur. Valans bandının yarıiletken arayüzeyinde Fermi seviyesine yaklaştığı iletkenlik bandının da buna bağlı olarak yukarı doğru büküldüğü bu duruma, çoğunluk yük taşıyıcıların arayüzeyde birikmelerinden dolayı yığılım adı verilir. Bu durumda arayüzeyde biriken yükün yüzey yükü olması sebebiyle C sc, dolayısıyla C Cox olur. Tükenim: Metal plakaya küçük bir pozitif gerilim (V G >0) uygulandığı zaman, yalıtkan 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. İletkenlik bandının yarıiletken yüzeyine yakın bölgelerinde, elektronlar toplanmaya başlar. Yarıiletken yüzeyinde, uygulanan gerilimle değişen genişliğinde bir bölgede, deşiklerin azaldığı bir tükenim bölgesi oluşur. Deşiklerin azaldığı bu bölgeye tükenim bölgesi, bu olaya tükenim olayı denir (Şekil 2.5b).

22 11 Şekil 2.5. V 0 durumunda ideal MIS yapının enerji-bant şeması a) Yığılım b) Tükenim c)tersinim Bu olayda bantlar aşağı doğru bükülür ve çoğunluk taşıyıcı durumundaki deşikler 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 m civarında genişleyen iyonize olmuş katkılı iyonların bölgesini içerir. Tükenim durumunda uzay yükü yoğunluğu aşağıdaki eşitlikle verilir. Q sc qwn a Q a

23 12 N a ve Qa sırasıyla iyonlaşmış alıcı yoğunluğu ve birim yüzeydeki alıcı yüküdür. Tükenim bölgesinin kalınlığı aşağıdaki eşitlikle verilir: W D A s ox 1 ( C 1 C ox ) Burada s yarıiletkenin dielektrik sabitidir. Bu bölgede MIS kapasitansını uzay yükü kapasitansı ve yalıtkan kapasitansı belirler. Yüksek frekansta gerilim ani olarak değiştirilirse, azınlık taşıyıcıların tekrardan birleşme hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir bu da C-V eğrisinin C min un altına düşmesine sebep olur. Bu dengesiz bir durumdur ve derin tükenim olarak tanımlanır. Tersinim : Metale daha büyük bir pozitif gerilim(v G >>0) uygulandığı zaman bantlar aşağı doğru bükülür. Saf durumdaki enerji seviyesi Ei, Fermi enerji seviyesinin altına geçer. Bu durumda yarıiletken yüzeyinde azınlık taşıyıcılar olan elektronlar artmaya başlar. Elektron yoğunluğu deşik yoğunluğundan büyük olur. Bu aşamadan sonra p- tipi yarıiletken yüzeyi n-tipi yarıiletken gibi davranır. Bu olay, yarıiletken yüzeyinin tersinimi olarak adlandırılır. Bu durumda oluşan uzay yükü, Q sc Q n Q a eşitliği ile verilir. Burada Q n tersinim bölgesinde birim yüzeydeki elektronların yükü ve Q a birim yüzeydeki alıcıların yüküdür. Şekil (2.5c) de enerji bant şeması gösterilmiştir. Bu durumda MIS kapasitansını, elektron yoğunluğunun uygulanan gerilimin a.c. sinyalini takip edebilme yeteneği belirler. Elektron yoğunluğu a.c. sinyalini küçük frekanslarda takip edebilir ve buna bağlı olarak kapasitans artan gerilimle yalıtkan kapasitansının 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 kapasitans min C de kalır. Yüksek frekansta eğer gerilim ani olarak değiştirilirse,

24 13 azınlık taşıyıcıların yeniden birleşme (rekombinasyon) hızına bağlı olarak tersinim yükü daha geç birikir. Bu da eğrinin C min un altında değerler almasına sebep olur. İdeal bir durumda yükler yarıiletkende ve yalıtkana yakın olan metal yüzeyinde bulunur. DC gerilim altında yalıtkan içinden hiçbir akım geçmez. İdeal bir MIS yapıda üç yük sistemi için devre şeması Şekil 2.6 deki gibidir [14]. Bu sistemler; yığılım, tükenim ve tersinim adını alır. Şekil 2.6. İdeal bir MIS yapının elektronik şeması a) Yığılım b) Tükenim c) Tersinim İdealden sapmış MIS yapı İdeal bir yalıtkanın kendi içerisinde ve yarıiletken ile birleşim yüzeyi arasında hiçbir boşluk yükü veya hareketli yük yoktur. Gerçek yapılarda Yalıtkan ve yarıiletken arayüzeyi hiçbir zaman elektriksel olarak nötr değildir. Doymamış bağlardan veya safsızlıklardan kaynaklanan yalıtkan-yarıiletken arayüzeyindeki arayüzey durumları olarak adlandırılan tuzaklanmış yükler ve oksidasyon sırasında yönteme bağlı olarak ortaya çıkan, hareketli iyonlar, tuzaklar, sabit oksit ve arayüzey yüklerinin bulunması MIS yapısının özelliklerini değiştirmekte, böylece MIS yapısının ideal özelliklerinden sapmasına sebep olmaktadır [17]. Gerçek bir MIS yapısında birçok durumlar ve yükler mevcuttur. Bu durumların ve yüklerin sınıflandırılması Şekil 2.7 de gösterilmiştir [14].

25 14 Şekil 2.7. İdeal olmayan MIS/MOS yapısında arayüzey durumları ve yüklerin sınıflandırılması Bunlar sırayla; i) Yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde yasak bant aralığı içinde enerji seviyeleri gibi tanımlanan arayüzey durumları. ii) Yarıiletken yüzeyinde veya yakınında yerleşmiş olan ve uygulanan elektrik alan altında hareketsiz olan sabit yüzey yükleri. iii) Yalıtkan içindeki hareketli iyonlar. iv) Numunenin radyasyona maruz kalmasıyla oluşan tuzaklar. Arayüzey durumları Arayüzey durumları, kısa bir zamanda yarıiletkenle yükleri değişebilen yalıtkanyarıiletken arayüzeyinde yasak bant aralığı içindeki girilebilir enerji seviyeleridir. Bir arayüzey durumu verici veya alıcı tipinde olabilir. Bir verici arayüzey tuzağı (seviyesi) dolu ise nötr ve bir elektron vermesiyle pozitif yüklü olur. Bir alıcı arayüzey tuzağı boş ise nötr ve bir elektron almasıyla negatif yüklü olur. Bir gerilim

26 15 uygulandığı zaman, arayüzey tuzak seviyeleri, Fermi seviyesi geride sabit kalırken valans ve iletkenlik bantları ile aşağı ve yukarı hareket ederler. Arayüzey tuzaklarındaki yükün değişimi, arayüzey tuzakları iletkenlik bandı ve valans bandı ile yük alışverişi yapmasıyla meydana gelir. Bu yükün değişimi MIS kapasitansına katkıda bulunur ve ideal MIS eğrisini değiştirir. Arayüzey durumları genelde arayüzeye çok yakın bulunurlar. Arayüzey durumlarında bulunan yük yoğunluğu Qss, yarıiletkendeki katkı yoğunluğu ve yalıtkan kalınlığından etkilenmez. Arayüzey durumları uzay yükü kapasitansına paralel kapasitans ve seri direnç etkisi yaptıklarından temel eşdeğer devre Şekil 2.8 de gösterildiği gibidir. Arayüzey durumlarının elektriksel etkileri şunlardır: Kapasite: Bir arayüzey duruma, arayüzeyde izin verilen başka bir durumun eklenmesiyle meydana gelir. Bu yüzden durum başına temel yükün bir kapasitesi eklenir. Bu kapasite uygulanan gerilimin keskin bir pikidir. Fermi seviyesi arayüzey durum seviyesini aştığı için pik gerilim için görülür. Arayüzey potansiyeli: yukarıda ifade edilen kapasite ve iletim a.c. etkisindedir. Arayüzey durumları bunlara ek olarak bir d.c. etkisine de sebep olur. Arayüzey durumlarında depo edilmiş yük, arayüzey elektrik alanını değiştirir. Arayüzey durumları mevcut olunca arayüzey potansiyelini değiştirmek için ideal durumdan daha fazla gerilim uygulanması gerekmektedir. Bu etki kapasite-gerilimin zorunlu genişlemesi (stretch out) olarak gözükür. İletim: Arayüzey durumları tarafından taşıyıcıların yayınlanması ve yakalanması sonsuz hızda olmadığından zaman gecikmesi ile birleştirilir. Bu zaman gecikmesi arayüzey durumunun bir RC devresiyle özdeşleştirilmesiyle ifade edilir. Bu zaman kayması aynı zamanda dolum boşalım zamanıdır ve = 1/(R ss C ss ) bağıntısı ile verilir R ss arayüzey direncidir [10].

27 16 Devredeki arayüzey kapasitansı C ss, C ss Q ss ss A ox İle verilir. Arayüzey durumları C-V eğrisinin ideal C-V eğrisine göre kaymasına sebep olur. Arayüzey durumlarının birim enerji ve birim alan başına durum yoğunluğu, N ss Q E ss ile verilir. Yani, birim enerji başına birim arayüzey durum yükü olarak tanımlanır. Burada E enerji olup E = q s ile verilir. Bu eşitliğin diferansiyeli alınırsa de = dq s elde edilir. Durum yoğunluğu, N ss Qss E Q ss s s E 1 Q q ss s olur [11].

28 17 Şekil 2.8. MIS yapısının eşdeğer devresi. a) Bir enerji seviyesi için b) Birbirinden farklı enerji seviyeleri için Bir elektron veya deşik tarafından bir arayüzey durumunun işgal edilme olasılığı, bu yüzey durumunun safsızlık enerji seviyelerindeki gibi fermi seviyesiyle belirlenir. Bu şekilde yüzey potansiyeli değiştikçe arayüzey durumun enerji seviyesi de onunla hareket eder. Sonuçta fermi seviyesinin bu bağıl değişikliği bir elektron tarafından bu arayüzey durumunun işgal edilme olasılığının değişimine sebep olur. Bantlar aşağı doğru eğildiğinde yüzey potansiyeli artar ve daha fazla arayüzey durumları fermi seviyesinin altına iner. Yüzey potansiyelindeki değişikliklerle ilgili olan tuzaklanmış arayüzey yükteki bu değişim yarıiletken kapasitansında ek bir katkı meydana getirir. Sabit oksit ve arayüzey yükleri Sabit oksit yükleri sabittir ve ψs in geniş değişimine karşı değişmezler. Bu yükler yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde lokalize olmuşlardır. Sabit oksit yükünün yoğunluğu (Q fc ), silisyumdaki kirlilik konsantrasyonundan ve oksit kalınlığından etkilenmezler [14]. Sabit oksit yükleri genellikle pozitiftir ve oksidasyona, tavlama şartlarına ve silisyumun yönüne bağlıdır. Elektriksel ölçümlerde sabit oksit yükü, yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde tabaka halinde lokalize olmuş yükler gibi görülebilir. Arayüzeyde pozitif veya negatif sabit oksit yükleri mevcut olduğu zaman

29 18 yüksek frekans C-V eğrilerinin gerilim ekseni boyunca değişimi Şekil 2.9 da gösterilmiştir. (a) (b) Şekil 2.9. Pozitif veya negatif sabit oksit yüklerine göre voltaj ekseni boyunca C-V eğrisinin değişimi: a) p-tipi b) n-tipi yarıiletken için n-tipi ve p-tipi yarıiletkenlerin her ikisi için, ideal C-V eğrisine göre, uygulama geriliminin negatif değerlerine doğru C-V eğrisinin kaymasına pozitif sabit oksit yükleri (+Q f ), C-V eğrisinin ileri pozitif uygulama gerilimine doğru kaymasına da negatif sabit oksit yükleri(-q f ) sebep olurlar [6].

30 19 MIS kapasitansı eğrisinde sabit yükün etkisi, gerilim ekseni boyunca C-V eğrisinin paralel kaymasıdır ve V kayma miktarı, V Q C fc ox Q C ox ox q İle verilir. Sabit oksit ve arayüzey yüklerinin sebep olduğu, C-V eğrisi ile ideal C-V eğrisi arasındaki kaymadan yararlanarak yalıtkan içindeki sabit pozitif yük yoğunluğu Qox, yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde oluşan toplam yük yoğunluğu Q eff ve arayüzey durum yük yoğunluğu Q ss hesaplanır. Q ox, Q eff ve Q ss aşağıdaki bağıntılarla verilir: Q ox VMGC q ox (cm- 2 ) Q eff VFBC q ox (cm- 2 ) Q ss Q eff Q ox (cm- 2 ) Burada, ΔV MG gerçek ve ideal C-V eğrilerinin bant ortasındaki gerilim kaymasını ve ΔV FB düz bant durumunda gerilim kaymasını göstermektedir. Düz bant gerilim kaymasına, yalıtkan içine enjekte olmuş yükler ya da yalıtkan içindeki hareketli yükler neden olabilir. p-tipi yarıiletken ile yapılmış bir MIS kapasitör göz önüne alalım. Şekil 2.10a daki a eğrisi orta uygulama gerilimiyle elde edilmiştir. Daha sonra büyük bir pozitif gerilim uygulayalım. Bu durumda iki etki olabilir: i) Elektronlar yalıtkan içine enjekte olabilir. ii) Yalıtkan boyunca dağılmış pozitif yüklü hareketli iyonlar yalıtkan-yarıiletken arayüzeyine sürüklenebilir.

31 20 Oksit içine enjekte olmuş negatif yük birinci işlem için pozitif ΔV FB ye sebep olur (b eğrisi). İkinci işlem için ters etki gözlenir, çünkü yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde pozitif yük negatif ΔV FB ye sebep olur (c eğrisi). Bu tip davranışlar Şekil 2.10b ve Şekil 2.10c deki C-V eğrileriyle ayrıca gösterilmiştir. Şekil 2.10b de pozitif V G, yalıtkan içine elektron enjeksiyonuna neden olur ve +V G -V G değişimi sola doğru ok işareti ile gösterilir. Büyük uygulama geriliminden dolayı tuzaklanmış elektronlar oksitten enjekte olunabilirler ve hatta oksit içine deşikleri enjekte etmek bile mümkündür. Ters taramada (-V G +V G ) okun yönü sola doğru gösterilir. Eğer hareketli yük C-V eğrilerini kaydırmışsa, Şekil 2.10c eğrisi elde edilir. Büyük pozitif uygulama gerilimleri için hareketli iyonlar yalıtkan-yarıiletken arayüzeyine sürüklenirler. Büyük negatif uygulama gerilimleri için hareketli yük metal-yalıtkan arayüzeyine çekilir ve C-V eğrisini değiştirmez. Şekil a) Yük olmadığında düz bant gerilim kayması (a eğrisi), yük enjekte edildiğinde (b eğrisi), hareketli yük durumunda (c eğrisi) b) Enjekte olmuş yüke göre C-V eğrisi c) Hareketli yüke göre C-V eğrisi

32 21 Hareketli (Mobil) iyonik yük Yalıtkan yükünün bir başka türü hareketli (Mobil) iyonik yüktür. Bu yüke çoğunlukla, sodyum veya potasyum gibi iyonize olmuş alkali metal atomları sebep olur. Hareketli yükler, ya metal-yalıtkan arayüzeyinde yada yarıiletken-yalıtkan arayüzeyinde lokalize olmuşlardır. Böyle iyonlar nispeten düşük sıcaklıklarda oksit içinde hareketli olduklarından sürüklenme olabilir. Hareketsiz oksit yükü, beslem sıcaklığı ile hareketli iyonik yükten ayırt edilebilir. Oksitte sabitleşmiş yükün yoğunluğu bu işlem esnasında değişebilir. Bununla beraber hareketli iyonik yük, metal-yalıtkan ve yarıiletken-yalıtkan arayüzeyi arasında ileri geri gidip gelebilir ve bunun neticesinde iyonik akım gözlenebilir. Hareketli iyonlar genellikle Na +, K +, Li +, H +, H 3 O + iyonlarıdır [12]. Bunlardan H + ve H 3 O + oda sıcaklığında geri kalanlar da 100 C de hareketlikleri gözlenir. Hareketli iyonlar, kullanılan kimyasal maddelerin bu iyonları ihtiva etmesi, mekanik parlatma esnasında çıplak elle temaslar, oksitleme fırını, kuartz tutucuların kirli olması ve oksitleme gazlarında bulunan safsızlıklar yüzünden oksit içinde yer alabilirler. Bu yükler uygulanan elektrik alan altında hareket ettiklerinden MIS yapısının kararlılığını büyük ölçüde bozarlar. Hareketli yükleri C-V eğrisindeki düz bant kaymasından yararlanarak, Q V m FB C ox Denklemi ile hesaplanabilir. Oksitte tuzaklanmış yük Kimyasal yapı bozukluklarından ve radyasyondan kaynaklanan bu tuzaklar yalıtkan oksit içinde bulunurlar. Yarıiletken arayüzeyi ile yük alışverişi yaparlar. Böylece yalıtkan oksit ve yalıtkan-yarıiletken arayüzeyinde ilave bir yük oluştururlar. Bir yalıtkan tabakasında elektron-deşik çiftleri meydana gelmişse (iyonlaştırıcı radyasyon ile) bu elektron ve deşiklerin bir kısmı sonradan yalıtkanda tuzaklanabilir. Bunun dışında, elektronlar ve deşikler yalıtkan tabakasına enjekte edildiğinde (tünelleme yoluyla) bunların bazıları da oksitte tuzaklanabilir. Bu tuzaklar yüksek enerjili foton veya parçacıklarla bombardıman edildiğinde de ortaya çıkabilir. Yapının üretiminde ortaya çıkan elektron ve deşik tuzakları daha sonradan 550 oc

33 22 üzerindeki sıcaklıklarda tavlamayla kaldırılabilir [12]. Oksitte tuzaklanmış yük, okside doğru dağıldığından genellikle yalıtkan-yarıiletken yüzeye yerleşmezler. Yalıtkan oksit içinde tuzaklanmış yük (Q ot ), Q V ot FB C ox ile verilir. Burada, V düz bant gerilim kaymasını göstermektedir. İyonlaşmış tuzaklar kapasitans-voltaj eğrisine etki ederler. Gerilimi negatif değerlerden pozitif değerlere doğru artırırken ölçülen kapasite değerleri ile gerilimi pozitif değerlerden negatif değerlere doğru artırırken ölçülen kapasitans değerleri arasında farklılıklardan dolayı kapasitans-voltaj eğrisinde histeresis etkisi gözlenir [13]. MIS yapıya silisyum yüzeyinde deşik yığılımını oluşturan negatif gerilim yeterince uzun süre uygulanırsa oksit içindeki tuzaklar boşalır. Bu boşalma, tuzaklarda bulunan elektronların deşikler tarafından yakalanmasıyla olur. Metal elektrota pozitif gerilim uygulanırsa Fermi düzeyi iletim bandına doğru kayacak ve yalıtkan tuzakları dolmaya başlayacaktır. Eğer uygulanan gerilim azalırsa Fermi düzeyi tekrar valans bandına kayar ve tuzakların elektronları deşikler tarafından yakalanırlar. Bunun sonucunda tuzaklar tekrar boşalır. Dolum-boşalım sırasında tuzaklarda bulunan elektron sayıları arasındaki fark, C-V eğrisinin kaymasına sebep olan histeresis yüküdür. Kapasitans-voltaj eğrisinin iki yönde ölçülen değerlerindeki kayma miktarı yalıtkan içindeki tuzakların miktarını verir. Dolayısıyla histeresis yük yoğunluğu aşağıdaki formülle verilir: Q His V HisFB q C ox (cm- 2 ) Burada V HisFB düz banttaki kayma miktarıdır.

34 23 3. DENEYSEL YÖNTEM 3.1. Au/SiO 2 /n-si Yapının Hazırlanması Kristal temizleme İdeale yakın bir metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) tipi Schottky diyotu hazırlayabilmek için yarıiletken kristalin mekanik ve kimyasal olarak çok iyi temizlenmiş olması gerekir. İyi temizlenmemiş yarıiletkende çok sayıda yüzey kusuru görülür. Bizim bu çalışmada kullandığımız kristaller, yurt dışından CrysTec firmasından fabrikasyon yöntemiyle bir yüzeyi mekanik parlatılmış olarak satın alınmıştır. Bu yüzden mekanik temizleme değil kimyasal temizleme yapıldı. Kristal yüzeyindeki organik ve diğer kirleri temizlemek ve yüzeydeki pürüzleri gidermek için gerçekleştirilen kimyasal temizleme ve durulama işlemleri ultrasonik banyo içinde yapıldı. Diyot yapımında (100) yüzey yönelimli, 8.cm özdirençli, 350 m kalınlıklı, 2 inç çapında P katkılı Si (n-tipi) tek kristal yapraklar kullanıldı. Bu n-tipi Si yapraklar bir elmas kesici yardımıyla dört eşit parçaya (çeyrek yaprak) bölündü. Temizleme işleminde, RO&UP Water Purification System de hazırlanan yüksek dirençli (18 M) de-iyonize su kullanıldı. Öncelikle temizleme esnasında kullanılacak beher, cımbız v.b. araç ve kaplar asetonla iyice yıkanıp de-iyonize su ile durulandıktan sonra etüv fırınında yaklaşık 80 o C ısıtılarak sterilize edildi. Daha sonra yarıiletken kristaller önce aseton ve de-iyonize su karışımında (1:5 ölçeğinde) ultrasonik banyoda yaklaşık 10 dakika kadar yıkandıktan sonra deiyonize su (H 2 O) ile durulandı. Kristal trikloretilen (C 2 HCl 3 ) + aseton (CH 3 COCH 3 ) + metil alkol (CH 3 OH) içinde üç dakika süreyle ultrasonik olarak temizlendi ve ardından de-iyonize suda 5 dakika süreyle ultrasonik olarak yıkandı. Sülfürik asit (H 2 SO 4 ) ve hidrojen peroksit (H 2 O 2 ) in 1:1 hacim oranındaki karışımı içerisinde 5 dakika ultrasonik olarak temizlendi ve ardından de-iyonize suda 5 dakika süreyle ultrasonik olarak

35 24 yıkandı.eşit oranlardaki %38 saflıktaki hidroflorik asit (HF) ve de-iyonize su karışımı içerisinde 5 dakika süreyle ultrasonik olarak temizlendi ve ardından deiyonize suda ultrasonik olarak 10 dakika süreyle yıkandı.3:1:5 hacim oranında nitrik asit (HNO 3 ), hidroflorik asit (HF) ve de-iyonize su karışımında 5 dakika süreyle ultrasonik olarak temizlenip de-iyonize su ile yıkandı. 4:3 hacim oranında %38 lik hidroflorik asit (HF) ve de-iyonize su karışımında 3 dakika süreyle ultrasonik olarak yıkandı. Si yapraklar de-iyonize suda ultrasonik olarak 10 dakika süreyle durulandı. Son olarak kimyasal olarak temizlenmiş n-tipi silisyum kristal yüzeyde oksitlenme olasılığını önlemek için kuru azot (N 2 ) ile kurutma işlemi yapıldı Omik kontağın oluşturulması Au/SiO 2 /n-si yapı hazırlanırken yüksek vakumlu metal buharlaştırma sistemi kullanılarak omik ve doğrultucu kontağın oluşturulması aşamasına geçildi. Şekil 3.1 de şematik olarak gösterilen vakumda buharlaştırma sistemi görülüyor. Şekil 3.1. Omik ve doğrultucu kontak oluşturulmasında kullanılan vakumda buharlaştırma sistemi Omik ve doğrultucu kontakların oluşturulmasında kullanılan bakır maskeler ve flaman (tungsten) ultrasonik banyoda kimyasal olarak iyice temizlenip durulandıktan

36 25 sonra kuru nitrojen (N 2 ) gazı ile kurulandı. Omik kontağı oluşturmak için kimyasal olarak temizlenen yarıiletken mat yüzeyi aşağı gelecek şekilde maske üzerine yerleştirilerek hemen vakum ortamına alındı. Fanus hemen kapatılarak vakum 10-6 Torr değerine kadar düşürüldü. Omik kontaklar için 50 mm çaplı ve yaklaşık 500 m kalınlıklı bakır maske kullanıldı. Vakum 10-6 Torr a ulaştığında, flaman üzerinden akım geçirilerek (35A) %99,999 luk saflığa sahip kimyasal olarak temizlenmiş altın (Au) buharlaştırıldı. Buharlaşmanın başlamasından kısa bir süre sonra kesici kapak (metal perde) yan tarafa çekilerek, silisyumun mat yüzeyine 1500 Å kalınlığında Au kaplandı. Kapağın başlangıçta kristalin önünde durmasının nedeni, buharlaşabilecek yabancı maddelerin kristal üzerine çökmesini önlemektir. Omik kontak oluşturabilmek için yarıiletkenin mat yüzeyine buharlaştırılan Au, vakum ortamında 650 o C de tavlanarak Au nun Silisyum içerisine çöktürülmesi sağlandı Yalıtkan silisyum dioksit (SiO 2 ) tabakanın oluşturulması Yarıiletken yüzeyine bir yalıtkan veya oksit tabakası büyütmenin birçok yöntemi vardır. Bunlardan özellikle SiO 2 daha yaygın olarak kullanılmasının sebebi; Silisyum üzerine daha kolay ve homojen büyümesi ve ideal örgü sürekliliğine yakın bir eklem oluşturmasıdır. Bu nedenle bu çalışmada yalıtkan tabaka, silisyum üzerine Şekil 3.2 de verilen termal büyütme yöntemi kullanılmıştır. 700 o C deki oksidasyon fırınına konulan Si kristali ortamdan oksijen (O 2 ) gazının 1.5 l/dk hızında 2 saat süreyle geçirilmesiyle Si + O 2 SiO 2 reaksiyonu sonucunda 79 Å kalınlığında yalıtkan SiO 2 tabakası oluşturuldu. Kimyasal reaksiyonu sonucu büyütülen d ox kalınlığındaki SiO 2 yalıtkan tabakasının % 45 kadarı silisyum yüzeyinden içeri, kalanı da dışarı doğru büyür [1].

37 26 Şekil 3.2. Yalıtkan/oksit tabakanın büyütülmesinde kullanılan oksidasyon fırını Şekil 3.2 de görüldüğü gibi kuartz tüp, direnç telinden geçen akım vasıtasıyla ısıtıldı ve ortamın sıcaklığı, ELİMKO 6000 kontrol ünitesi ile kontrol edildi. Ayrıca kuartz tüpün içindeki yarıiletken kristallerin olduğu bölgeye yerleştirilen kromel-alümel termo-çifti ile sıcaklık ayrıca kontrol edildi. Oksitleme için gerekli gaz akış hızı bir flowmetre ile kontrol edildi. Oksitleme işleminde kullanılan gazlar, nemin alınması için gazlar bir filtreden geçirilip ve filtrenin altına yerleştirilen bir sıvı azot kabı yardımıyla atık kirlerin çöktürülmesi sağlandıktan sonra oksidasyon fırınına gönderildi. Ayrıca oksidasyon fırını 700 o C ye ayarlanarak ve numunenin bulunduğu ortamdan 1.5 l/dk hızında nitrojen (O 2 ) gazı geçirilerek 79 Å kalınlığında yalıtkan SiO 2 tabakası oluşturuldu. Bu yalıtkan tabakanın kalınlığı 1MHz de HP 4192A empedans metre yardımıyla elde edilen C-V ölçümündeki kuvvetli yığılım bölgesinden (C C ox = o A/d ox ) hesaplandı Doğrultucu kontağın oluşturulması Üzerine SiO 2 kaplanmış n-si kristali, şekil 3.3 de verilen bakır maske üzerine parlak yüzeyi aşağı gelecek şekilde yerleştirildikten sonra flaman üzerine yerleştirilen kimyasal olarak temizlenmiş 1 mm çapında ve 1 cm uzunluğunda Au tel 10-6 Torr vakumda buharlaştırılarak, kristalin parlak yüzeyine 1mm çaplı ve 1500 Å

38 27 kalınlığında Au doğrultucu kontaklar yine vakum sistemin.de oluşturuldu. Böylece yaklaşık 40 adet Au/SiO 2 /n-si (MIS) yapıların fabrikasyon işlemi tamamlanmış oldu. Oluşturulan bu MIS yapılar, kriyostat içindeki bakır tutucuya göre hazırlanan özel bir bakır tutucu üzerine iletken gümüş pastası yardımı ile yapıştırılıp üzerine gümüş kaplı iletken bakır teller yardımıyla elektriksel kontaklar oluşturuldu. Elektriksel ölçümleri gerçekleştirmek için hazırlanan bakır tutucu üzerine yerleştirilmiş MIS yapılar kriyostat içindeki tutucu üzerine monte edilerek kriyostat vakuma alındı.(10-3 Torr). Şekil 3.3. Doğrultucu kontak oluşturulmasında kullanılan bakır maske 3.2. Kullanılan Ölçüm Düzenekleri Elektriksel karakteristiklerin ölçülmesi, Gazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Starlab Yarıiletken Laboratuarı nda yapıldı. C-V ve G/-V ölçümlerinde Hawlett Packard 4192 A LF Empedans Analizmetre (5 Hz 13 MHz) kullanıldı. Sıcaklığa bağlı ölçümler bilgisayara takılan bir IEEE-488 AC/DC çevirici kart yardımıyla kumanda edilerek Janes vpf-475 kriyostat içinde 10-3 Torr da gerçekleştirildi. Sıcaklık kontrolü ise bir Lake Shore model 321 sıcaklık kontrol sistemiyle kontrol edildi.

39 Şekil 3.4. Elektriksel karakteristik ölçümlerinin gerçekleştirildiği laboratuar ortamı 28

40 29 4. ÖLÇÜM SONUÇLARI VE BULGULAR Elektriksel Özellikler Bu tez çalışmasında hazırlanan Au/SiO 2 /n-si MIS yapının 1 MHz de sıcaklığa bağlı dielektrik özelliklerinin yanı sıra iletkenlik ve özdirenci de incelenmiştir. Sıcaklık ölçümleri K aralığında gerçekleştirilmiştir. Kondüktans tekniği, MIS yapılara uygulanan küçük bir ac sinyal sonrasında metal/yarıiletken arayüzeyindeki ve yarıiletkendeki çoğunluk taşıyıcılarının değişmesine dayalı C-V ve G/w-V ölçümlerini içerir. Kapasitans ve kondüktans değişimi, yüksek frekansta (1 MHz) sıcaklığa bağlı olarak sırasıyla şekil 4.1 de verilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi hem C-V hem de G/w-V eğrileri artan sıcaklıkla artmaktadır. Özellikle yüksek sıcaklıklarda kapasitans ve kondüktanstaki bu artışa dikkat edilmelidir. Bunun nedeni arayüzeysel uzay yük artışına dayanıyor olabilir[ 15,16]. Literatürde genel olarak C-V ve G/w-V eğrilerinin artan voltajla artıp artan frekansla azaldığından bahsedilir. Ancak bu davranış düşük ve orta frekanslarda arayüzey durumlarının gevşeme zamanına ve ac sinyalin frekansına bağlı olarak farklı olabilir. Yani düşük frekanslarda arayüzey durumları ac sinyali takip edebilir. Oysa yüksek frekanslarda (f 500 khz) hemen hemen hiçbir ara yüzey durumu ac sinyalini takip edemez[17].

41 30 Şekil 4.1. MIS yapılar için 1MHz de sıcaklığa bağlı kapasitans ve kondüktans değişimi

42 31 Dielektrik özellikler Dielektrik sabiti (ε'), dielektrik kayıp (ε''), kayıp açı (tanδ), ac elektriksel iletkenlik ( ac ), özdirenç ( ac ) ve elektrik modülüs değerleri aşağıda tanımlandığı gibi, C-V ve G/w-V ölçümleri kullanılarak elde edilmiştir. [17,18]. Kompleks dielektrik geçirgenliğin kompleks formu, ' '' j şeklinde tanımlanabilir. Burada ε' ve ε'' kompleks dielektrik geçirgenlik sabitinin gerçel ve sanal kısımları olup j -1 değerine eşittir. Bu formülü elektrik ve dielektrik özellikleri tanımlarken kullanacağız. * dielektrik geçirgenlik sabitini admittans ölçümleri ile aşağıda verilen bağıntılar yardımıyla hesaplayabiliriz. Y jc o C C o G j C o Burada Y *, C ve G sırasıyla yalıtkanın ölçülen admittans, kapasitans ve iletkenliği; ise uygulanan elektrik alanının açısal frekansıdır (=2f) [19]. Kompleks dielektrik sabitinin gerçel kısmı, dielektrik sabiti (ε'), kuvvetli yığılım bölgesinde ölçülen kapasitans değerleri kullanılarak çeşitli sıcaklıklarda hesaplanmıştır. ' C C m o Burada C o metal ile yarıiletken arasında yalıtkan tabakanın olmadığı boş durum için kapasitörün kapasitansı C0 0 ( A/ d), A (cm 2 ), MIS yapının doğrultucu kontak

43 32 alanı, d (Ǻ) yalıtkan arayüzey tabaka kalınlığı ve ε o boşluğun dielektrik sabitidir ( o = 8,85x10-14 F/cm). Kuvvetli yığılım bölgesinde, MIS Schottky diyotunun maksimum kapasitansı yalıtkan kapasitansına (C ox ) karşılık gelir. Diğer yandan, kompleks dielektrik geçirgenlik sabiti sanal kısmı, yani dielektrik kayıp (ε''), çeşitli sıcaklıklarda ve 1 MHz frekansta aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanabilir. '' G C o Kayıp açı (tan), ε' ve ε'' değerlerinin oranı aşağıdaki şekilde ifade edilebilir [17,18,20,21]. '' ( w) tan ' ( w) Dielektrik malzemenin ac elektriksel iletkenliği ( ac ) aşağıdaki denklem ile verilebilir. i ' '' '' ' 0 ( ) i 0( i ) 0 i 0 ac '' C tan ( d / A) 0 Kompleks dielektrik geçirgenlik sabitini modülüse aşağıdaki bağıntılar yardımıyla dönüştürebiliriz[22]. M * jc o Z * veya M 1 M ' jm '' ' 2 ' '' 2 j ' 2 '' '' 2

44 33 Çalışmanın bu bölümünde MIS yapıların yüksek frekansta (1 MHz) sıcaklığa bağlı, ', '', tan ac and ac hesaplamaları K sıcaklık aralığında yapıldı. Bu dielektrik parametrelerin değerleri sırasıyla şekil 2(a), (b) ve (c) de verildi. Buradan da görülebileceği üzere, ' and '' yüksek sıcaklık aralığında ( K) artan sıcaklıkla, exponansiyel olarak artış gösteriyor. Diğer yandan düşük sıcaklık aralığında ( K) neredeyse sabit kalmaktadır. Sıcaklık arttıkça, örgüde kusurlar/düzensizlikler oluşur ve çoğunluk yük taşıyıcılarının (iyonlar ve elektronlar) hareketliliği (mobilitesi) artar. Bu artış bizim ε' ve ε'' ve tanδ parametrelerimizde de artışa sebep olur. Bu belki hem iyon sıçraması, hem yönelim ve yük taşıyıcılarının konstrasyonlarının artmasından meydana gelen uzay yük etkisi nedeniyle olabilir. Ayrıca, sıcaklıktaki artma, elektronik polarizasyonda biraz artışa ve bu sayede de dielektrik malzemenin ε' ve ε'' değerlerinde bir artışa sebep olur. Yani moleküllerin sıcaklıkla genişlemesinin de bu artışta katkısı vardır denilebilir. Katı yapıda bir çözülmeye neden olan sıcaklıktaki artış oranı, dipol yöneliminde bir artış ve dolayısıyla da ε', ε'' ve tanδ da bir artış ile sonuçlanır. Bu sonuçlar, MIS Schottky diyotun, oda sıcaklığından daha düşük olan sıcaklıklarda en iyi dielektrik özelliklere sahip olduğunu gösterir. Yasak enerji aralığı dar olan yarıiletkenlerde, yük taşıyıcıları hareketsizdir ancak polarizasyon nedeniyle tuzaklanabilir. Sıcaklık artarsa, yük taşıyıcılarının sayısı üstel olarak artar ve bunun sonucunda daha fazla uzay yükü polarizasyonu meydana gelir ve bu da dielektrik sabiti ε' inde hızlı bir artışa sebep olur [23].

45 Şekil 4.2. Sırasıyla, sıcaklığa bağlı ', '' ve tan değerleri 34

46 35 Şekil 4.2. (Devam) Sırasıyla, sıcaklığa bağlı ', '' ve tan değerleri Şekil 4.3. ac iletkenliğin sıcaklıkla değişimini göstermektedir. Şekilden de görüldüğü gibi iletkenlik artan sıcaklıkla artış göstermektedir. Benzer sonuçlar literatürde de yer almıştır[22,24-30]. Bu çalışmalarda [26-34], yüksek sıcaklıklarda elektriksel iletkenliğin artması sınırda yerleşmiş safsızlıklara atfedilmiştir. MIS yapılardaki dielektrik polarizasyon yöntemi iletim yöntemine benzer. Metal/yarıiletken arayüzeyindeki kirlilikler ve dislokasyonlar yüksek sıcaklıklarda elektriksel iletkenlikteki artışa neden oluyor olabilir.

47 36. Şekil MHz de sıcaklığa bağlı ac iletkenlik Toplam iletkenlik ile mutlak sıcaklığın tersi arasında lineer bir ilişki vardır. Buna göre, o exp( E a / kt) Burada, o: bileşik sabiti k: Boltzmann sabiti E a : aktivasyon enerjisi olarak tanımlanır [22,24,27,31]. Şekil 4.4 de ac iletkenliğin sıcaklığa bağlı olarak 1 MHz frekans altında K sıcaklık aralığında Arrhenius eğrileri (ln ac -1000/T)görülmektedir. Şekilden de