KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 8(1)-2005 26 KSU Journal of Science and Engineering 8(1)-2005 Zn/p-Si Schottky Diyotlarda Temel Elektriksel Parametrelerin Sıcaklığa Bağlı İncelenmesi * Şükrü KARATAŞ, Şemsettin ALTINDAL 2 1 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Kahramanmaraş 2 Gazi Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Ankara ÖZET: Bu çalışmada (100) yönelimine sahip 100 Ω-cm özdirençli, 635 µm kalınlıklı Bor katkılı p-tipi tek silisyum kristal yapraklar kullanılarak hazırlanan metal-yarıiletken (MS) Schottky diyotunun deneysel akım-voltaj (I-V) ve kapasitans-voltaj (C-V) ölçümlerinden faydalanılarak diyodun idealite faktörü (n), potansiyel engel yüksekliği (Φ b ) ve seri direnç (Rs) gibi temel elektriksel parametreleri 300-400 K sıcaklık aralığında incelendi. Hem I-V hem de C- V ölçüm metodundan elde edilen bu temel elektriksel parametrelerin birbirleriyle ve literatürle uyumlu olduğu gözlendi. Diyodun idealite faktörü (n) ve seri direnci (Rs) sıcaklığa kuvvetlice bağlı olup artan sıcaklıkla üstel olarak azalmaktadır. İdealite faktörü (n) ve seri direncin (Rs) büyük çıkması, metal ile yarıiletken arasında doğal olarak oluşan yalıtkan (SiO 2 ) tabakasının varlığına ve yarıiletken-yalıtkan ara yüzeyinde yarıiletken (Si) ile dengede olan ara yüzey durumlarının özel bir dağılımına atfedildi. Anahtar Kelimeler: Schottky diyot, Sıcaklık, Seri direnç Analysis Dependence on Temperature of Basic Electrical Parameters on Zn/p-Si Schottky Diodes ABSTRACT: In this work, the basic electrical parameters such as the ideality factor (n), potential barrier height (Φ b ) and diode series resistance (R s ) from experimental measurements the current-voltage (I-V) and capacitancevoltage (C-V) of metal-semiconductor (MS) Zn/p-Si Schottky diode prepared from p-type (Boron doped) single crystal silicon wafer having a resistivity of 100 Ω-cm, the thickness 635 µm and the (100) direction were studied (experimental) in the temperature range 300-400 K. It has seen that the results are in good agreement with each other and the literature calculated values from measurement method both the current-voltage (I-V) and capacitancevoltage (C-V). Idealite factor (n) and series resistance (Rs) of diode is strongly connection to temperature and decrease with increase temperature. The heights values of idealite factor (n) and series resistance (Rs) attributed to the presence of native insulator oxide layer (SiO 2 ) between metal and semiconductor and attributed to special distribution of interfacial states that which equilibrium with semiconductor in interfacial semiconductor-insulator. Key Words: Schottky diode, Temperature, Series resistance GİRİŞ Metal-yarıiletken (MS) ve metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) yapıların temel fiziksel özellikleri ve iletim mekanizmaları geniş bir şekilde incelenmiştir (Milnes ve Feuct, 1972; Sze, 1981; Kar ve Panchal, 1982; Singh, 1985; Rhoderick ve Williams 1988; Cova ve Singh, 1990). Bu çalışmalara ilaveten son zamanlarda yüksek seri dirence sahip Schottky diyotlarda, seri direnç (Rs), idealite faktörü (n) ve engel yüksekliği (Φ b ) gibi temel fiziksel parametrelerin tayininde yeni hesaplama yöntemleri geliştirilmiştir (Sullivan ve ark, 1991; Tung, 1992). Ancak bu durum özellikle MS yapılarda akımiletim mekanizmaları, yasak enerji aralığında çok sayıda istenilmeden oluşan ara yüzey durumları, metal ile yarıiletken arasında doğal yada oluşturulan yalıtkan tabakanın (SiO 2, SnO 2 gibi) varlığı ve yapının seri direnci hakkında henüz çok net bir fikir birliği olmayıp bu konudaki çalışmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Bu çalışmada, yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı hazırlanan metal-yarıiletken (Zn/p-Si) Schottky diyodun akım-voltaj (I-V) ve kapasitans-voltaj (C-V) ölçümlerinden faydalanarak diyodun idealite faktörü (n), potansiyel engel yüksekliği (Φ b ) ve seri direnci (Rs) gibi temel elektriksel parametreleri 300-400 K sıcaklık aralığında hesaplandı. Geleneksel yarı-logaritmik lni-v eğrilerinden 300-400 K sıcaklık aralığındaki I-V karakteristiklerinden hesaplanan temel elektriksel parametreler ayrıca Cheung (Cheung, 1986) tarafından öne sürülen dv/dln(i)-i ve H(I)-I fonksiyonları yardımıyla da hesaplandı ve bu yöntemle elde edilen n ve Φ b parametreleri diğerleriyle çok iyi bir uyum içinde olduğu gözlendiğinden sadece seri direnç (Rs) değerleri tabloda verildi. Diyot performansını üzerinde çok etkili olan temel bazı elektriksel parametrelerden özellikle diyotun idealite faktörü (n), seri direnci (Rs) ve potansiyel engel yüksekliği (Φ b ) sıcaklığa bağlı olarak hesaplandı ve mevcut literatür ile uyumluluk derecesi tartışıldı. Diyotun seri direnci (Rs) ve metal ile yarıiletken arasında doğal olarak oluşan yalıtkan (SiO 2 ) tabakanın, özellikle akım-voltaj (I-V) karakteristikler üzerindeki etkisi araştırıldı. * Bu çalışma K. Sütçü İmam Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi (2003/7-2) tarafından desteklenmiştir.
KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 8(1)-2005 27 KSU Journal of Science and Engineering 8(1)-2005 MATERYAL ve METOT Bu çalışmada (100) yönelimli, 100 Ω-cm özdirençli ve 635 µm kalınlıklı bor katkılı bir yüzeyi fabrikasyon olarak parlatılmış olan p-tipi silisyum kristali kullanıldı. Kontak yapılmadan önce p-si yarıiletkenin yüzeyindeki hasar tabakasını kazımak ve istenmeyen safsızlıkları azaltmak için yarıiletken yapraklar bir dakika süreyle 5H 2 SO 4 +H 2 O 2 +H 2 O çözeltisinde bekletildi. Daha sonra H 2 O+HCL çözeltisinde temizlenerek 18 M Ω özdirence sahip de-iyonize suda 10 dakika süreyle yıkandı. Numune sonra yüksek saflıklı nitrojen gazı (N 2 ) ile kurulandıktan hemen sonra numune derhal vakum ortamına yerleştirildi. Omik kontak için numunenin arka tarafına 10-5 Torr basınç altında bir maske yardımıyla %99.999 saflıkta Al metali buharlaştırıldı. Daha sonra kristal bir quartz tüp fırınında ortama kuru N 2 gazı verilerek (oksidasyonu önlemek için) 3 dakikalık süreyle 450 ο C de tavlanarak omik kontak sağlandı. Yarıiletkenin diğer yüzeyine doğrultucu kontak yapmadan önce gerekli birkaç anodizasyon metodu Si kristalinin parlak ön yüzeyine uygulandıktan sonra sırasıyla HCl çözeltisine ve de-iyonize suyun içine bırakılarak yüzeyde istenilmeyen oksit tabakası kazıldı. Bu işlemler birkaç kez tekrarlandıktan sonra yine vakum ortamında Si kristalinin parlak yüzeyine bir maske yardımıyla yaklaşık 1.35 mm çaplı doğrultucu kontaklar oluşturuldu. Hazırlanan Schottky diyotların I- V ölçümleri için bir Keithley 220 programlanabilir sabit akım kaynağı ve Keithley 614 elektro-metre, C-V ölçümleri için ise (1 M-Hz) bir HP 4192A LF empedans analiz metre kullanılarak ölçümler 300-400 K sıcaklık aralığında alındı. Tüm ölçümler VPF-475 Krıyostat (77-450 K) içinde ve sıcaklık bir Lake-shore 321 sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edilerek ve ayrıca bir AC/DC çevirici kart kullanılarak hazırlanan bir bilgisayar programı yardımıyla kumanda ve kontrol edildi. BULGULAR ve TARTIŞMA Hazırlanan birkaç Schottky diyotu arasında seçilen örnek numunenin akım-voltaj (I-V) karakteristikleri başlangıçta, aşağıda verilen termiyonik emisyon teorisi kullanılarak incelendi (Rhoderick, 1978). qv qv I = I exp exp 1 (1) o nkt kt Burada I 0 doyma akımı olup yarı-logaritmik lni-v grafiğinde lineer doğrunun V = 0 da akım eksenine fit edilerek bulundu ve * 2 q Φ b0 I o = AA T exp (2) kt eşitliği ile verilir. Burada q elektronun yükü, V uygulanan doğru beslem voltajı, A diyotun alanı, k Boltzmann sabiti, A * p-tipi silisyum için etkin Richardson sabiti (A* = 32 A cm -2 K -2 ), Φ bo potansiyel engel yüksekliği, n idealite faktörü ve T ise Kelvin cinsinden mutlak sıcaklıktır. Seçilen örnek Schottky diyodunun 300-400 K sıcaklık aralığındaki tipik yarılogaritmik doğru beslem akım-voltaj (I-V) karakteristikleri Şekil 1 de gösterilmiştir. Akım (A) 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 Zn/p-Si (100) 400 K 300 K 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Voltaj (V) Şekil 1. Zn/p-Si Schottky diyotunun farklı sıcaklıklar için elde edilen akım-voltaj (I-V) eğrileri. İdealite faktörünün değeri, Eşitlik (1) den faydalanılarak her sıcaklık için, q dv n = (3) kt d ln I eşitliğinden hesaplandı. Engel yüksekliği Φ bo (Φ bo =Φ IV ) ise Eşitlik (2) den her sıcaklık için elde edilen deneysel doyma akımı (I 0 ) değerleri ve diyot alanı kullanılarak hesaplandı. Engel yüksekliği (Φ bo ) ve idealite faktörünün (n) deneysel değerleri sırasıyla, 300 K için 0.73 ev ve 4.62, 400 K için ise 0.93 ev ve 3.29 olarak elde edildi. Sıcaklığa bağlı olarak elde edilen n ve Φ bo değerleri Tablo 1 de verilmektedir. Şekil 1 deki yarı-logaritmik doğru beslem akımvoltaj (I-V) karakteristiklerinin lineer kısmının eğiminden elde edilen idealite faktörünün sıcaklığa göre değişimi Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2 ve Tablo 1 de gösterildiği gibi idealite faktörünün değerleri sıcaklığa bağlı olup artan sıcaklık ile düzgün bir şekilde azalmaktadır. Sıcaklığa bağlı doğru beslem akım-voltaj (I-V) ve ters beslem kapasitans-voltaj (C-V) karakteristiklerinden sırasıyla elde edilen engel yükseklikleri Φ bo ve Φ C-V değerleri de Şekil 3 ve Tablo 1 de verilmiştir. Ters besleme C-V karakteristiklerinden elde edilen engel yüksekliği (Φ C-V ) artan sıcaklıkla azalmakta ve sıcaklıkla değişim katsayısının değeri ise - 4x10-4 ev/k vermektedir. Bu değer Si için yasak enerji aralığının sıcaklıkla değişim katsayısı olan -4.73x10-4 ev/k değeriyle mertebe ve negatiflik açısından uyumludur. Ancak doğru besleme akım-voltaj (I-V) ölçümlerinden elde edilen potansiyel engel yüksekliği değerleri artan sıcaklıkta artmaktadır. Bu Si yasak enerji aralığının sıcaklıkla negatif değişim katsayısına aykırıdır.
KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 8(1)-2005 28 KSU Journal of Science and Engineering 8(1)-2005 Idealite Factörü, n 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 290 310 330 350 370 390 410 Şekil 2. Zn/p-Si Schottky diyotunun deneysel idealitefaktörünün sıcaklığa göre değişimi. Engel yüksekliği 1.1 1.1 1.0 1.0 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 Φ IV Φ C Φ fb 280 300 320 340 360 380 400 420 Şekil 3. Zn/p-Si Schottky diyodunun deneysel engel yüksekliğinin sıcaklığa göre değişimi. 1/ C 2 (F -2 ) 1,E+20 9,E+19 8,E+19 7,E+19 6,E+19 5,E+19 4,E+19 3,E+19 2,E+19 1,E+19 0,E+00 300 K 400 K 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Voltaj (V) Şekil 4. Zn/p-Si Schottky diyodunun farklı sıcaklıklar için elde edilen 1/C 2 V eğrileri Bu durum ve idealite faktörünün özellikle n>1 çıkması saf termiyonik emisyon teorisinden sapma olduğunun bir göstergesidir. Metal-yarıiletken ara yüzeyde akım iletimi sıcaklığa bağlı olduğundan dolayı, düşük sıcaklıklarda elektronlar daha düşük bir engel ile karşılaştıklarından akım iletimi baskın olur ve idealite faktörü değeri de artar (Tung, 1991; Sullivan, 1991). Sıcaklık artıkça elektronlar daha yüksek bir engeli aşmaya yetecek kadar enerji kazanacaklar ve sonuçta engel yüksekliği sıcaklığa ve doğru beslem voltajına bağlı olarak artacaktır. Numunenin kapasitans voltaj (C-V) ölçümleri 300-400 K sıcaklık aralığında ve f=1 M-Hz de alındı. Zn/p- Si Schottky diyodun kapasitans-voltaj datalarından faydalanılarak C -2 -V grafiği Şekil 4 teki gibi elde edildi. Değerlilik bandındaki etkin durum yoğunluğu (N V ) değerleri ise, 3 / 2 * 2πm h kt N = 2 2 (4) V h eşitliğinden her sıcaklık için elde edildi. Burada Si için etkin kütle m =0.55m 0, m 0 =9,11x10-31 kg olan serbest * h elektronun kütlesidir. Oda sıcaklığında (T=300 K) p- Si için elde edilen Nv = 1.02x10 19 cm -3 değeri, referans 1 de p-si için verilen 1.04x10 19 cm -3 değeriyle uyum içindedir. Seri Direnç (ohm) 510 500 490 480 470 460 450 440 430 420 410 280 300 320 340 360 380 400 420 Şekil 5. Zn/p-Si Schottky diyodunun seri direncin sıcaklığa bağlı değişimi. Tablo 1 de gösterildiği gibi p-si için taşıyıcı yoğunluğu değerleri, 300-400 K sıcaklık aralığında sıcaklığın azalmasıyla azalmaktadır. p-si için etkin durum yoğunluğunun 400 K deki 1.58 x10 19 cm -3 değeri 300 K deki 1.02x10 19 cm -3 değerinden daha büyüktür. Cheung tarafından geliştirilen metodu kullanılarak deneysel doğru beslem akım-voltaj (I-V) karakteristiklerinden seri direnç değerleri sıcaklığın bir
KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 8(1)-2005 29 KSU Journal of Science and Engineering 8(1)-2005 fonksiyonu olarak hesaplanarak hem Şekil 5 de hem de Tablo 1 de gösterildi (Cheung ve ark, 1986). Şekil 5 ve Tablo 1 de görüldüğü gibi seri direnç değerleri azalan sıcaklıkla artmaktadır. Seri direnç değerleri (Rs) 300 K ve 400 K için sırasıyla 497.09 Ω ve 417.82 Ω olarak elde edildi. Sıcaklığın düşmesiyle seri direnç (Rs) değerlerinin artması, düşük sıcaklıklarda serbest taşıyıcı yoğunluğunun azalması veya diyodun idealite faktörü değerinin artmasından kaynaklanabilir (Chand ve Kumar, 1996). Aktivasyon enerji ln(i 0 / T 2 ), Eşitlik (2) den I 0 * qφ bo ln = ln( AA ) (5) 2 T kt olarak verilir ve deneysel ln(i 0 / T 2 ) nin sıcaklığa bağlı (1/T) değişimi eğimi qφ bo /kt ve y eksenini kestiği nokta ise Richardsın sabiti değeri olan bir doğru olmalıdır. Şekil 6 dan da gösterildiği gibi deneysel ln(i 0 / T 2 ) nın sıcaklığa bağlı (1/T) değişimi yüksek sıcaklıklarda lineer bir doğru verdiği için fit ederek aktivasyon enerjisini ve Richardson sabiti bulunabilir. Şekil 6 da görüleceği gibi deneysel değerler ancak yüksek sıcaklıklarda bir doğru vermektedir. Bu doğrunun eğiminden aktivasyon enerjisinin değeri 0.25 ev olarak elde edildi. Deneysel ln(i 0 /T 2 ) ve (1/T) eğrisi engel yüksekliği ve idealite faktörünün sıcaklığa bağlı değişiminin bir sonucudur. Aşağıda belirtildiği gibi Richardson eğrilerindeki sapma düşük ve yüksek engel alanları içeren ara yüzeyde homojen olmayan engel yükseklikleri (BHs) ve potansiyel değişmelerden dolayı olabilir. Ln(I0/T 2 ) (A/K 2 ) -27.4-27.6-27.8-28.0-28.2-28.4-28.6-28.8-29.0-29.2 10 3 /nt 10 3 /T -29.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 3 /T or 10 3 /nt (K -1 ) Şekil 6. Zn/p-Si Schottky diyodunun Ln(I 0 /T 2 ) nin 10 3 /T veya 10 3 /nt ye göre değişimi. Yani Schottky diyodunda oluşan akım potansiyel dağılımda daha düşük engellerde olacaktır (Dobracko ve Osvald, 1994; Gümüş ve ark, 2002). Aynı zamanda (100) yönelimli Zn/p-Si Schottky engel diyotu için Richardson sabitinin değeri A* Şekil 6 da verilen deneysel ln(i 0 /T 2 ) ve (1/T) grafiğinin y eksenini kestiği noktadan 0.17 A/K 2 cm 2 elde edildi. Bu değer p-tipi Si yarıiletkendeki deşikler için bilinen A*=32 A/K 2 cm 2 değerinden 188 kat kadar daha düşüktür. I-V karakteristiklerinden elde edilen A* değerinin farklı çıkması engelin homojen olmamasından dolayı olabilir ve bu değer gerçek etkin kütlesiyle bağlı olabilen ve hesaplanan değerden farklıdır (Horwath, 1996). Tablo 1. Yüksek sıcaklıklarda Zn/p-Si Schottky diyodu için temel elektriksel parametreler T (K) n Φ b(i-v) Φ b(c-v ) Φ bf Nv (10 19 cm -3 ) Rs (Ω) 300 4.62 0.73 1.046 0.997 1.02 497.09 320 4.25 0.78 1.041 0.980 1.13 475.63 340 4.01 0.80 1.034 0.981 1.24 453.90 360 3.75 0.85 1.021 0.970 1.35 441.18 380 3.54 0.88 1.013 0.968 1.46 436.17 400 3.29 0.93 1.002 0.949 1.58 417.82 SONUÇ Sonuç olarak çalışmada hazırlanan Zn/p-Si Schottky diyotunun yüksek sıcaklıklarda temel elektriksel parametrelerinin (n, Rs ve Φ bo ) büyük çıkması metal ile yarıiletken arasında doğal olarak oluşan bir yalıtkan oksit tabakasının (SiO 2 ) varlığına atfedilir. KAYNAKLAR Chand, S., Kumar. J. 1996. Current transport in Pd 2 Si/n- Si(100) Schottky barrier diodes at low temperatures. Appl. Phys. A.. 63: 171-178 Cheung, S. K., Cheung, N.W. 1986. Extraction of Schottky diode parameters from forward currentvoltage characteristics. Appl. Phys. Lett.. 49: 85-87 Cova, P., Singh. A. 1990. Temperature dependence of I- V and C-V characteristics of Ni/n-CdF 2 Schottky barrier type diodes. Solid-State Electronics. 33(1): 11-19. Dobrocka, E., Osvald, J. 1994. Electrical deactivation of arsenic as a source of point defects. Appl. Phys. Lett.. 65: 575-580 Gümüş, A., Türüt, A., Yalçın, N. 2002. Temperature dependent barrier characteristics of CrNiCo alloy Schottky contacts on n-type molecular-beam epitaxy GaAs. J. Appl. Phys.. 91: 245-250 Horváth. Zs. J. 1996. Analysis of I-V measurements on CrSi 2 -Si Schottky structures in a wide temperature. Solid - State Electron.. 39: 176-181 Milnes, A.G., Feucht, D.L. 1972. Heterojunctions and Metal-Semiconductor Jonction. New York Rhoderick. E. H. 1978. Metal-Semiconductor Contacts. Oxford Rhoderick, E.H., Williams, R.H. 1988. Metal- Semiconductor Contacts. Oxford. Kar,S., Panchal, K.M., Varma. S. 1982. On the Mechanism of Carrier Transport in Metal-Thin Oxide Semiconductor Diodes on Polycrystalline Silicon. IEET Transactions on Electron devices. 29:1839-1845
KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 8(1)-2005 30 KSU Journal of Science and Engineering 8(1)-2005 Singh, A. 1985. Characterization of interface states at Ni/n-CdF 2 Schottky barrier type diodes and the effect of CdF 2 surface preparation. Solid-State Electronics. 28 (3): 223-232 Sullivan, J. P., Tung, R.T., Pinto. M.R.. Graham. W.R. 1991. Electron transport of inhomogeneous Schottky barriers: A numerical study. J. Appl. Phys.. 70: 7403-7407 Sze. S. M.1981. Physics of Semiconductor Devices 2 nd Ed.. New York. Tung, R. T. 1992. Electron transport at metalsemiconductor interfaces: General theory. Phys. Rev. B.. 45: 13509