Afyon Kocatepe Üniveritei Fen Bilimleri Dergii Afyon Kocatepe Univerity Journal of Science AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 (1 8) AKU J. Sci. 11 (2011) 011101 (1 8) Kapaitan Voltaj (C V) Yöntemiyle Sb Katkılı TiO 2 / n Si MIS Yapının Seri Direnç Parametreinin Heaplanmaı Savaş Sönmezoğlu ve Seçkin Akın Karamanoğlu Mehmetbey Üniveritei, Kamil Özdağ Fen Fakültei, Fizik Bölümü, Karaman E pota: vonmezoglu@kmu.edu.tr Geliş Tarihi: 10 Haziran 2011; Kabul Tarihi: 08 Ağuto 2011 Anahtar kelimeler C V karakteritiği; I V karakteritiği; Seri direnç; Engel yükekliği; Arayüzey durumları Özet Bu çalışmada, Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyotun eri direnç ve engel yükekliği gibi temel elektrikel parametreleri I V ve C V karakteritikleri yardımıyla heaplanmış ve analiz edilmiştir. I V karakteritiklerinden elde edilen idealite faktörü, engel yükekliği ve eri direnç değerleri ıraıyla, 2.79, 0.68 ev ve 4118 Ω olarak elde edilmiştir. C V karakteritiğinden engel yükekliği ve eri direnç değerleri ie ıraıyla 1.94 ev ve 10.45 Ω olarak elde edilmiştir. C V yönteminden elde edilen engel yükekliği değeri ile I V yönteminden elde edilen engel yükekliği değeri araındaki farkın ebepleri arayüzey durumları, eri direnç etkii ve yalıtkan tabakanın varlığı olabilir. Yalıtkan ara tabakanın büyük olduğu durumlarda C V yönteminden elde edilen eri direnç ve engel yükekliği gibi parametreler I V yönteminden daha doğru ve güvenilir onuçlar vermektedir. The Determination of Serie Reitance Parameter of Sb Doped TiO 2 / n Si MIS Structure by Capacitance Voltage (C V) Method Key word C V characteritic; I V characteritic; Serie reitance; Barrier height; Interfacial tate Abtract In thi tudy, the baic electrical parameter of the Sb doped TiO 2 /n Si MIS diode uch a erie reitance and barrier height were calculated and analyzed with the help of I V and C V characteritic. Ideality factor, barrier height and erie reitance value obtained from the I V characteritic were determined 2.79, 0.68 ev and 4118 Ω, repectively. Barrier height and erie reitance value from the C V characteritic were determined a 1.94 ev and 10.45 Ω, repectively. The caue of the difference between the value of barrier height obtained from the C V method and the value of barrier height obtained from the I V method may be interfacial tate, erie reitance effect and preence of the interfacial layer. When the interlayer i thick, the parameter obtained from the C V method uch a erie reitance and barrier height provide more accurate and reliable reult than I V method. Afyon Kocatepe Üniveritei 1. Giriş Günümüz aygıt teknolojiinde elektronik devre elemanı olarak önemli bir yere ahip olan metalyarıiletken (MS) Schottky yapılar; entegre devreler (Sönmezoğlu vd., 2010), anahtar uygulamaları (Dragoman vd., 2006), metal yalıtkan yarıiletken alan etkili tranitörler (MISFET) (Sung vd., 1993), (Alfieri vd., 2010), güneş pilleri (Wang vd., 2009) gibi geniş bir kullanım alanına ahiptir. MS yapılarda metal ile yarıiletken araına yalıtkan bir tabaka konularak elde edilen metal yalıtkanyarıiletken (MIS) yapılardaki yalıtkan arayüzey tabakanın engel yükekliği ve diğer diyot parametrelerini önemli derecede etkilediği ve böylece verimi arttırdığı bilinmektedir. Yani engel yükekliği metal ve yarıiletken araına yalıtkan bir malzeme yerleştirilerek yapay veya doğal olarak değiştirilebilen bir parametredir. Bu yalıtkan tabaka ayeinde hem metal ile yarıiletken birbirinden ayrılıp izole olur hem de metal ve yarıiletken araındaki yük geçişleri düzenlenebilir. Yarıiletkendeki arayüzey durumları metaldeki elektron durumlarından izole edilen bu itemlerde ara yüzey durumları yarıiletkenin Fermi eviyei ile belirlenir. Bir MIS yapının kararlılık, doğruluk, performan gibi özelliklerine etki eden arayüzey
durumları, MS yapınınkiyle karşılaştırıldığında çok daha azdır. Çünkü, MIS yapıya voltaj uygulandığında arayüzey yalıtkan tabaka, tüketim tabakaı ve eri direnç bu uygulanan voltajı paylaşmaktadır. Yalıtkan arayüzey tabakaının, MS kontakların elektrikel özelliklerinin ve fizikel parametrelerinin üzerinde güçlü bir etkii olduğunun görülmeiyle MIS yapılarla ilgili çalışmalar başlamış ve gün geçtikçe MIS yapıların kullanım alanlarının artmaı bu yapılar üzerine olan çalışmaları arttırmıştır. Metal ile yarıiletken araına yalıtkan bir tabaka içerdiğinden dolayı yapıal olarak kapaitörlere benzeyen MIS yapılar ilk olarak 1959 yılında J.L.Moll tarafından ortaya konulmuştur (Moll vd., 1963). Daha onra MIS yapıda, termal yöntemle okitlenmiş yarıiletken iliyum kritali ve üzerinde alüminyum metal elektrot kullanan Terman, MIS kapaitörün, yalıtkan/iliyum arayüzey durumlarını araştırmış ve d.c. gerilim uygulayarak kapaitanın frekana bağlılığını ölçmüştür (Terman, 1962). Deneyel ve teorik kapaitan voltaj (C V) değerlerini karşılaştıran Terman, yükek frekan C V ölçümlerinden, arayüzey tuzak yoğunluğunun elde edilebileceğini götermiştir. Chattopadhyay ve Raychaudhuri tarafından gerçekleştirilen bir diğer araştırmada ie eri direnç etkiinden dolayı C V karakteritiklerinde bir pik gözlendiği ve bu pikin değeri ve poziyonunun, arayüzey durum yoğunluğu (N), katkı atomları konantrayonu (N D ), yapının eri direnci (R ) ve arayüzey yalıtkan tabaka kalınlığı gibi belirli parametrelere bağlı olduğu belirtilmiştir (Huang vd., 2004; Kim vd., 2005; Shao vd., 2003; Kumari vd., 2006). Ayrıca yarıiletkenin nötral bölgeinde omik kontak ve deplayon bölgei araındaki eri direnç çok büyük ve ayrıca arayüzey durumları da yeterince yükeke yapının I V ve C V karakteritiği üzerinde önemli bir rol oynamakta ve ideal durumdan apmaına ebep olmaktadır (Cowley vd., 1965; Card vd., 1971; Sze, 1981; Cova vd., 1990) MIS yapıda yalıtkan tabakanın önemli bir özelliği de dielektrik özelliğe ahip olmaıdır. Bu dielektrik özellikten dolayı bu yapılar, paralel levhalı bir kondanatörlere benzemektedir. Aradaki yalıtkan tabaka çok ince ie (~30 Å) bu yapıların elektrikel parametreleri akım voltaj (I V) ölçümleri ile kapaitan voltaj (C V) ölçümlerinden belirlenebilir. Fakat yalıtkan tabakanın kalın olmaı durumunda I V ölçümleri kullanılamayacağından dolayı elektrikel parametreler C V ölçümleri ile belirlenmektedir. Yalıtkan ince filmlerin ve yarıiletken yüzeylerin elektrikel özelliklerinin incelemeinde MIS yapılar yaygın olarak kullanılmaktadır. (Park vd., 2005). Yalıtkan tabaka eçilirken; yükek dielektrik abiti ile yükek elektrikel geçirgenliği olan, geniş bant aralığına ahip, yüzeyi paivize edebilecek, ızıntı akımını en aza indirebilecek, kontrol edilebilir akım iletim mekanizmaı ağlayacak ve doğrultucu özelliğe yaklaşacak malzemeler eçmeye dikkat edilmektedir. Bu çalışmada ilk defa antimon katkılı TiO 2 yalıtkan arayüzey tabakaı kullanılarak Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyotu oluşturulmuş ve bu diyotun idealite faktörü, engel yükekliği ve eri direnç değerleri I V karakteritiği ve C V karakteritiği yardımıyla analiz edilmiştir. 2. Materyal ve yöntem 2.1. Antimon katkılı TiO 2 in entezlenmei TiO 2 çözeltii hazırlamak için öncelikle 25 ml etanol [C 2 H 6 O, 99.9%, Merck] içeriine 2.4 ml titanyum tetraioprokit [Ti(OC 3 H 7 ) 4, ex. Ti 98%, Merck] eklendi ve çözelti manyetik karıştırıcıda bir aat kadar bekletilmiştir. Daha onra, çözeltiye 5 ml glaiyel aetik ait [C 2 H 4 O 2, 99.9%, Merck], 1.5 ml trietilamin [(C 2 H 5 ) 3 N, 99%, Merck] ve 25 ml etanol eklenmiştir. Bu işlemden onra, çözelti manyetik karıştırıcıda bir aat daha karıştırılmıştır. Son adım olarak, 25 ml etanole, 0.072 gr antimon triklorür (SbCl 3, 99.0%, Merck) eklenmiş ve çözelti manyetik karıştırıcıda 2 aat karıştırılmıştır. Daha onra, antimon triklorür çözeltii TiO 2 çözeltiine eklendi ve ilaveten 2 aat daha manyetik karıştırıcıda karıştırılmıştır. Son olarak, Sb katkılı TiO 2 (Sb/Ti = 1/10) çözeltii kaplama önceinde bir gün kadar oda ıcaklığında bırakılmıştır. AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 2
2.2. Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyodun fabrikayonu Bu çalışmada, (100) yönelime ahip, 400 µm kalınlıkta ve 1 10 Ωcm özdirençli n tipi iliyum (Si) yarıiletken alttaş kullanılmıştır. Si alttaş RCA temizleme proedürüne göre temizlenmiştir. RCA temizleme proedürü ıraıyla yapılan üç ana adımı kapamaktadır. 1) Organik malzemenin temizlenmei, çözülmeyen organik atıkların NH 4 OH + H 2 O 2 + 6H 2 O çözeltinde on dakika kaynatılarak uzaklaştırılmaını içermektedir. 2) Okit tabakanın kaldırılmaı, 1. adımın onucu olarak ince ilikon diokit (SiO 2 10Å) tabakada biriken metalik atıkların uzaklaştırılmaını içermektedir. Alttaşın ön yüzeyindeki okit, HF:H 2 O (1:10) çözeltiinde yok edilmiş ve on olarak taban deiyonize u içinde 30 aniye durulanmıştır. 3) İyonik temizleme işlemi ie, HCl + H 2 O 2 + 6H 2 O (Kern, 1993) çözeltii içinde 10 dakika kaynamayı kapamaktadır. Daha onra Si kritali bir üre N 2 gazı ortamında kurumaya bırakılmıştır. Kurutma işlemini takiben, n tipi Si kritalinin arka yüzeyine tungten filamen kullanılarak, 10 7 Torr baınç altında, yükek aflıkta altın (99.9%) termal olarak buharlaştırılmıştır. Düşük dirençli bir omik kontak elde etmek için, Si kritali 580 C, N 2 gazı ortamında 3 dakika kadar kurumaya bırakılmıştır. Daldırma işlemi el yapımı motorize bir birim kullanılarak gerçekleştirilmiş ve her örnek, çözelti içeriine beş defa daldırılmıştır. Her daldırma işleminden onra kaplanan n tipi iliyum kritalin yüzeyinde oluşan alaşımlar etanol ile temizlenmiştir. Her daldırma işleminden onra, örnekler 5 dakika 300 C de ara tavlama işlemine tabi tutulmuştur. Sb katkılı TiO 2 ile kaplanmış n tipi Si nin ön yüzeyine, doğrultucu bir kontak elde etmek için, yükek bir vakumda, 10 7 Torr baınç altında, gölgeli bir make kullanılarak yükek aflıkta altın tabakaı (%99.9) termal olarak buharlaştırılmıştır. Doğrultucu nokta kontaklar yaklaşık 1.0 mm çapında daireel bir geometriye ahiptir (diyot alanı =7.85x10 3 cm 2 ). Böylece Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyot elde edilmiş ve bu diyotun akım voltaj (I V) karakteritikleri Keithley 4200 SCS Yarıiletken Karakterizayon Sitemi ile incelenmiştir. 3. Tartışma İnce bir yalıtkan arayüzey tabaka ve eri direncin olduğu metal ve n tipi yarıiletken diyotun enerji bant diyagramı Şekil 1 de göterilmiştir. Şekilde, φ m metalin iş fonkiyonu, χ yarıiletkenin elektron ilgii, δ arayüzey tabakanın kalınlığı, V i arayüzey tabaka boyunca düşen potaniyel, φ 0 valan bandının ütünden ölçülen arayüzey durumlarının nötral eviyei, V n Fermi eviyeinin derinliği, R nötral bölgenin eri direnci, IR eri direnç üzerinde düşen voltajdır. Yüzey potaniyeli ψ (V) uygulanan ileri belem voltajın bir fonkiyonu olarak elde edilebilir. MIS diyotların kapaitanını ölçmek için gerekli olan temel denklem Gau yaaı, enerji bant diyagramı ve nötr yük şartı dikkate alınarak elde edilebilir. MIS itemi için nötr yük şartı, Qm + Qc + Qit = 0 (1) şeklinde yazılabilir. Burada Q m metal üzerinde görünen yük yoğunluğu, Q c yarıiletkenin tüketim bölgeinde uzay yük yoğunluğu ve Q it arayüzey durum yük yoğunluğudur. V belemde nötral eviye ve yarıiletkenin Fermi eviyei araındaki işgal edilmiş durumlardan onuçlanan arayüzey durum yük yoğunluğu Q it, [ ψ φ ] Q V = q D V + V (2) 2 it ( ) it ( ) n ile verilir. Burada D it arayüzey durumlarının yoğunluğudur. Şekildeki φ 0 parametrei donörlerden akeptörleri ayıran enerji eviyei olarak tanımlanan nötral eviyeyi temil etmektedir. V belemde yarıiletkenin uzay yük yoğunluğu, [ ε ψ ] 1/2 Q ( V) = 2 q N ( V) (3) c D olarak ifade edilir. Burada N D n tipi yarıiletkendeki katkılama konantrayonu, ε yarıiletkenin dielektrik abitidir. 0 AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 3
Vi χ ψ nin düşük katkılama konantrayonu ve ince arayüzey tabaka için voltaj bağımlılığı Eşitlik 6 kullanılarak voltajla doğrual olarak elde edilebilir. EFm φb φm V+IR φ0 qvn Ei EF R ( ) ψ ( V) = φ V C V IR (9) b n 2 burada φ b metal n tipi yarıiletken SBD nin etkin bariyer yükekliğidir ve ψ Ev ( / ) ( 1 ) φ = C E q+ χ φ + C φ (10) b 2 g m 2 0 olarak ifade edilir. Şekil 1. MIS Schottky bariyer diyot için enerji bant diyagramı. Gau yaaını kullanarak V belemde arayüzey tabakadan geçen potaniyel, Vi( V) = δ δ Qm ( Qit Qc) ε = ε + (4) i i eşitliği ile verilir. Burada ε i = 49ε 0 (Yang vd., 2006) arayüzey tabakanın dielektrik abitidir. Enerji bant diyagramından görüldüğü gibi, ileri belem şartı altında arayüzey tabaka boyunca düşen potaniyel aşağıdaki gibi ifade edilir. Eg Vi( V) = + χ φm ψ Vn V + IR (5) q burada E g yarıiletkenin bant aralığıdır. Aşağıdaki eşitlik 1 5 eşitliklerini kullanarak elde edilebilir. 1 Eg C2[ C1ψ ( V) ] 2 = C2 + χ φm + ( 1 C2) φ0 q CV+ C IR ψ ( V) V burada C ve C 2qε ND 1 2 ε i 2 2 n (6) 2 δ = (7) = i 2 2 εi + q δ ε δd it (8) İdeal bir Schottky bariyer diyotun C V karakteritiğinin frekantan bağımız olduğu iyi bilinmektedir ve artan ileri belem voltajla kapaitanta bir artış götermektedir. Fakat, metal ile yarıiletken araında bulunan arayüzey tabakanın varlığı, arayüzey tabaka ile yarıiletken arayüzeyindeki arayüzey durumları ve SBD nin eri direnci nedeniyle bu ideal durum bozulabilir. Arayüzey tabakaya ve eri dirence ahip ideal olmayan bir Schottky diyot heaba katıldığında, arayüzeydeki gevşeme mekanizmaı ebebiyle Schottky bariyer diyotun kapaitanı frekana bağlı olmaktadır. Ölçümlerin yükek frekanlarda gerçekleştirilmei durumunda, arayüzey hallerindeki yük a.c. inyalini takip edememektedir. Alçak frekanlarda arayüzey durumları durumları a.c. inyalini takip etmektedir ve böylece kapaitana katkıda bulunmaktadır. Yeterince yükek frekanlarda, frekan arttıkça, arayüzey durumları a.c. inyalindeki değişime yanıt veremez. Bu durum, arayüzey hallerinin zaman abitinin, yükü, uygulanan inyale karşılık verme durumunda, hallerin içine ve dışına taşımak için izin vermene yetecek kadar uzun olduğunda ortaya çıkmaktadır (Card vd., 1971; Rhoderick vd., 1988). Bu durumda MIS diyotun birim alana düşen kapaitanı, dqc dqc dψ C = = (11) dv dψ dv ile göterilir. Eşitlik 3,9 ve 10 u kullanarak yükek frekan kapaitanı 1/2 qε ND di C = C2 1 R dv 2{ ( ) φb V IR C 2 V n} olarak elde edilir. (12) AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 4
Au/Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyotun TE teoriine göre ileri ve ter belem yarı logaritmik I V karakteritiği eri direnç etkii göz önüne alındığı zaman, ( IR) exp qv I = I0 nkt (13) olarak yazılabilir. Burada A diyot alanı, A * n tipi Si için 112 Acm 2 K 1 (Sze, 1981) değerine ahip etkin Richardon abiti, T mutlak ıcaklık, q elektron yükü, k Boltzmann abiti, C 2 =1/n ileri belem I V karakteritiğinin eğiminden bulunan TE teoriinin uygunluk ölçüü olan idealite faktörü, I ln ( I) V 0 grafiğinin lineer kımının akım ekenini ıfır voltajda ketiği noktadan bulunan doyum akımı olup, de 4118 Ω olarak heaplanmıştır. Genelde lni nın V ye göre grafiğinin bir doğru olmaı beklenir. Ancak lni V grafiğinin yükek voltajlarda özellikle eri direnç ve arayüzey durumlarından dolayı lineerlikten aptığını görülmektedir. İdealite faktörünün 1 den büyük çıkmaı grafiğin doğruallıktan apmaı anlamına gelmektedir. İdealite faktörünün birden büyük çıkmaının ebepleri bariyer yükekliğindeki homojenizlik, eri direnç etkii, yalıtkan tabaka veya arayüzey durumları olabilir (Sze, 1981; Rhoderick vd., 1988; Kwok, 1995). 1.0x10-3 I 0 * 2 q. φb = A. A T exp kt (14) şeklinde ifade edilir.. Eşitlik 13 de V yerine V IR yazılmaının ebebi uygulanan gerilim V nin IR kadarlık miktarının eri direnç üzerine düşmeidir. Eşitlik 13 de eşitliğin her iki tarafının da logaritmaı alınıp yeniden düzenlendiğinde, Akım (A) 1.0x10-4 1.0x10-5 1.0x10-6 ln I qv nkt = ln I0 + (15) buradan V nin 3kT/q dan büyük değerleri için idealite faktörü, q dv n = kt d (16) ( ln I ) ile tanımlanır. Doğru belem ln I V grafiğinin lineer bölgeinde eğrinin eğiminden bulunan idealite faktörü, diyotun ideallik ölçüünü göteren bir abit olup, ideal bir diyot için n=1 değerine ahiptir. Eşitlik 2 yeniden yazılarak engel yükekliği ifadei için, * 2 A. AT qφb = ktln I0 (17) elde edilir. Şekil 2 de doğrultucu karakteritik göteren Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyot için yarı logaritmik ln I V grafiği verilmiştir. Eşitlik 16 ve 17 yardımıyla elde edilen idealite faktörü ve engel yükekliği değerleri ıraıyla 2.79 ve 0.68 ev dur. Ayrıca ln I V grafiğinden diyotun eri direnç değeri 1.0x10-7 -1.2-0.8-0.4 0 0.4 0.8 1.2 Voltaj (V) Şekil 2. Oda ıcaklığında yarı logaritmik ln I V karakteritiği. Şekil 2 de görüldüğü gibi, Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyotun I V karakteritiği iyi bir doğrultucu davranış götermektedir. Fakat bu doğrultucu özellik yükek gerilim bölgelerinde etkin olmaya başlayan eri direnç etkii ebebiyle diyotta akımın azalmaına ebep olmaktadır. İdealite faktörü ve bariyer yükekliği I V karakteritiğinin hem lineer, hem de lineer olmayan bölgelerinde etkin olurken, eri direnç adece doğru belemin lineer olmayan bölgeinde etkilidir. I V karakteritiğinin yanı ıra C V karakteritiğinden de eri direnç değerini heaplamak mümkündür. Sb katkılı TiO 2 /n Si MIS diyotun 500 khz deki C V karakteritiği oda ıcaklığında incelenmiş ve C V datalarından faydalanılarak C V ve 1/C 2 V grafikleri Şekil 4 deki gibi elde edilmiştir. AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 5
C (F) 5.4x10-7 5.1x10-7 4.8x10-7 4.5x10-7 4.2x10-7 6.0x10 12 5.5x10 12 5.0x10 12 4.5x10 12 4.0x10 12 3.9x10-7 -1.2-0.8-0.4 0 0.4 0.8 3.5x10 12 1.2 V (V) Şekil 3. Oda ıcaklığında C V ve 1/C 2 V karakteritikleri. Si yarıiletken üzerindeki Sb katkılı TiO 2 arayüzey tabakaının kalınlığı yükek frekan C V tekniğiyle (C ox = ε i /δ) 5.91 Å olarak heaplanmıştır. Burada kuvvetli akümülayon bölgeinde 500 khz için C ox = 5.757 x 10 7 F, ε i = 49 ε o ve A = 7.85x10 7 m 2 dir. MIS diyotlarda tükenim tabakaının kapaitanı Eşitlik 12 ve 13 ü kullanarak, aşağıdaki gibi ifade edilir (Sze, 1981). 2 { 2φbC ( V) C2( V IR) Vn} 1+ 1 = C qc ε N 2 2 2 D qc IR kt 1 / C -2 (1/F 2 ) (18) burada V bi 1/C 2 V eğriinin voltaj ekenini ketiği noktadan 2.16 ev olarak elde edilen keim voltajı, ε i = 11.17ε o değerine ahip tatik dielektrik abiti, N d ie n tipi Si için taşıyıcı konantrayonu olup, aşağıdaki gibi ifade edilir: N D 2 1 = 2 2 qε A d( C )/ dv (19) 1/C 2 V grafiğinin eğiminden N D 7.93 x 10 22 cm 3 olarak heaplanmıştır. C V metodunda engel yükekliği, φbc ( V) = Vbi + Vn (20) ile haaplanmaktadır. Burada V n Fermi eviyeinin derinliği olup C V karakteritiğiyle N D taşıyıcı konantrayonundan elde edilmektedir. Şekil 4 deki 1/C 2 V eğriini ve Eşitlik 20 yi kullanarak, φ b(c V) bariyer yükekliğinin değeri 1.94 ev olarak heaplanmıştır. Açıkça görüldüğü gibi, MIS diyotun C V eğrilerinden elde edilen engel yükekliği değeri, I V ölçümlerinden heaplanan engel yükekliği değerinden daha yükektir. Bariyer yükeklikleri araındaki bu farklılığın ebepleri arayüzey yüklerinin dağılımı, arayüzeydeki homojen olmayan engel yükekliğinin varlığı, arayüzey tabaka kalınlığı gibi homojenizliklerden kaynaklanabilir. (Song vd., 1986). Ayrıca C V metodunda tüm alan üzerinden ortalama alınır ve bu şekilde ölçüm yapılır. I V metodunda engel yükeklikleri herhangi bir ebepten dolayı ortaya çıkan engel düşmelerini içerir, yani engel yükekliklerinin ortalamaını alır. Engeldeki herhangi bir değişim, I akımının, engelin minimumu boyunca ütel olarak engel yükekliğine bağlı bir şekilde akmaına ebep olur. Böylece bant bükülmeinin uzayal değişimleri ortalama V n ve φ b, akım ve kapaite değerleri için farklı engel yükekliği oluşturur. C V metodu ie metalyarıiletken arayüzeyinde bant bükülmelerine neden olan engel düşmei etkilerini içermez. C V karakteritiklerinden elde edilen engel yükekliği değerinin I V karakteritiklerinden elde edilen değerden büyük çıkmaı beklenen bir durumdur. (Jürgen vd., 1991; Sullivan vd., 1991; Tung, 2001). Minimumda d(c 2 )/dv=0 şartını kullanarak, eri direnç R, ( φ CV V ) 1 kt b 2 m n kt 4q R = + 9 Im 4qC2 2C2 4qC2 kt 1 2 2 2 4q ( φ 2 ) b C Vm Vn ( φb CV 2 m Vn) + 2 ( kt ) (21) olarak elde edilir. Burada I m ve V m ıraıyla makimum kapaitanta (ya da C 2 V grafiğinde minimumda) d.c. akım ve voltaj değerleridir. R değeri φ b, V m, V p, C 2 ve I m nin deneyel değerleri kullanılarak bulunabilir. Şekil 3 de görülen C V ve 1/C 2 V grafiği yardımıyla ve Eşitlik 15 i kullanarak eri direnç değeri 10.45 Ω olarak heaplanmıştır. Heaplamalardan görüldüğü gibi, MIS diyotun C V eğrilerinden elde edilen eri direnç değeri, I V ölçümlerinden heaplanan eri direnç değerinden AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 6
çok küçüktür. Seri direnç değerleri araındaki bu farklılığın ebepleri: 1 Sıfır belemde I V karakteritiği yapıyı homojen kabul etmei, 2 Sıfır belemde I V karakteritiğinin tünelleme ve hayali kuvvet azalmaı etkilerini göz ardı etmei, 3 Yapıdaki tünelleme, dilokayonlardan oluşan ızıntı akımı ve idealite faktörünün büyümeine neden olan diğer kuurlar olarak ıralanabilir (Bhat vd., 2010). 4. Sonuç Bu çalışmada Si alttaş üzerine oluşturulmuş Sb katkılı TiO 2 yalıtkan arayüzeyine ahip MIS yapının engel yükekliği ve eri direnç değerleri I V ve C V karakteritikleri ile analiz edilmiştir. I V karakteritiklerinden idealite faktörü, engel yükekliği ve eri direnç değerleri gibi elektrikel parametreler ıraıyla 2.17, 0.68 ev ve 4118 Ω olarak elde edilmiştir. Engel yükekliği ve eri direnç değerleri ayrıca oda ıcaklığında, 500 khz frekanta alınmış C V ölçümlerinden de heaplanmış ve bu değerler ıraıyla 1.94 ev ve 10.45 Ω olarak bulunmuştur. İki metotdan da elde edilen engel yükekliği değerlerinin farklı olmaının C V metodunda tüm alan üzerinden ortalama alınarak ölçüm yapılmaından, I V metodunda ie engel yükekliklerinin herhangi bir ebepten dolayı ortaya çıkan engel düşmelerini içermeinden kaynakladığı düşünülmektedir. Sonuç olarak, Sb katkılı TiO 2 /n Si (MIS) yapılar için elde edilen tüm deneyel ölçümler ve heaplamalar götermiştir ki bu ve benzeri kontak yapıına ahip yapılar için arayüzey durumlarının, eri direnç ve yalıtkan tabakanın I V ve C V ölçümleri üzerine etkii azımanamayacak kadar büyüktür. Bu nedenle yapının elektrikel karakteritiklerinin analizinde bu parametrelerin mutlaka dikkate alınmaı onuçların doğruluğu ve güvenirliği açıından on derece önemlidir. Kaynaklar Alfieri, D., Almaviva, S., De Sio, A., Donato, M. G., Faggio, G., Giannini, A., Meina, G., Morgante, S., Pace, E., Santangelo, S., Scuderi, S. ve Tripodi, P., 2010. Single Crytal Diamond MIS Diode for Deep UV Detection, Radiat Effect Defect Solid, 165, 737 745. Bhat, T.N., Roul, B., Rajpalke, M.K., Kumar, M., Krupanidhi, S. B., Sinha, N., 2010. Temperature Dependent Tranport Behaviour of n InN Nanodot / p Si Heterojunction Structure. Appl. Phy. Lett., 97, 202107 3. Card, H. C. ve Rhoderick, E. H., 1971. Studie of Tunnel MOS Diode I. Interface Effect in Silicon Schottky Diode, J. Phy. D: Appl. Phy., 4, 1589 1601. Cova, P. ve Singh, A., 1990. Temperature dependence of I V and C V Characteritic of Ni/n CdF 2 Schottky Barrier Type Diode. Solid State Electronic. 33 1, 11 19. Cowley, A. M. ve Sze, S. M., 1965. Surface State and Barrier Height of Metal Inulator Semiconductor Sytem, J. Appl. Phy., 36, 3212 3220. Dragoman, M., Cimaru, A., Hartnagel, H. ve Plana, R., 2006. Reverible Metal Semiconductor Tranition for Microwave Switching Application, Appl. Phy. Lett., 88, 073503 3. Huang, C. H., Wang, Y. K., Lue, H. T., Huang, J. Y., Lee, M. Z. ve Teng, T. Y., 2004. Memory propertie of Metal/Ferroelectric/Inulator/Semiconductor Structure Uing Rf Sputtered Ferroelectric Sr 0.8 Bi 2.5 Ta 1.2 Nb 0.8 O 9 Thin Film, J. Euro. Ceram. Soc., 24, 2471 2476. Jürgen, H., Werner, J., Herbert, H. ve Güttler, H., 1991. Barrier Inhomogeneitie at Schottky Contact, J. Appl. Phy., 69, 1522 1533. Kern, W., 1993. Handbook of Semiconductor Cleaning Procedure, Noye, New York. Kim, K. ve Kim, C., 2005. Characterization of Ferroelectric Bi 3.25 La 0.75 Ti 3 O 12 Thin Film Prepared by Metal Organic Decompoition Method, Thin Solid Film,478, 6 12. Kumari, N., Parui, J., Varma, K. B. R. ve Krupandhi, S. B., 2006. C V Studie on Metal Ferroelectric Bimuth Vanadate Bi 2 VO 5.5 Semiconductor Structure, Solid State Com., 137, 566 569. Kwok, K. K., 1995. Complete Guide to Semiconductor Device, McGraw Hill, New York. Moll, J. L. ve Tarui, Y., 1963. A New Solid State AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 7
Memory Reitor, IEEE Tran. Electron Device, ED 10, 338 341. Park, C. H., Won, M. S., Oh, Y. H. ve Son, Y. G., 2005. An Xp Study and Electrical Propertie of Pb 1.1 Zr 0. 53 Ti 0.47 O 3 /PbO/Si MFIS Structure According to the Subtrate Temperature of the PbO Buffer Layer, Appl. Surface Science, 252, 1988 1997. Rhoderick, E. H. ve William R. H., 1988. Metal Semiconductor Contact, Clerendon, Oxford. Shao, T., Ren, T., Wei, C., Wang, X., Li, C., Liu J., Liu, L., Zhu, J. ve Li, Z., 2003. High Quality Silicon Baed PLZT Thin Film for Ferroelectric MemoryApplication, Integrated Ferroelectric, Microelectron. Eng., 66, 713 718. Song, Y. P., Van Meirhaeghe, R. L., Lafle re, W. H. ve Cardon, F., 1986. On the Difference in Al/p InP Schottky Barrier, Solid State Electron., 29, 633 638. Sönmezoğlu, S., Ateş Sönmezoğlu, Ö., Çankaya, G., Yıldırım, A. ve Serin, N., 2010. Electrical Characteritic of DNA Baed Metal Inulator Semiconductor Structure, J. Appl. Phy., 107, 124518 6. Sullivan, J. P., Tung, R. T., Pinto, M. R. ve Graham, W. R., 1991. Electron Tranport of Inhomogeneou Schottky Barrier, A Numerical Study, J. Appl. Phy., 70, 7403 7407. Sung, K. T., Li, W. Q., Li, S. H., Pang, S. W. ve Bhattacharya, P. K., 1993. Application of High Quality SiO 2 Grown by Multipolar ECR Source to Si/SiGe MISFET, Electron. Lett., 29, 277 278. Sze, S. M., 1981. Phyic of Semiconductor Device, Wiley, NewYork. Terman, L. M., 1962. An Invetigation of Surface State at a Silicon Silicon Dioxide Interface Employing Metal Oxide Silicon Diode, Solid State Electronic, 55, 259 285. Tung, R. T., 2001. Formation of an Electric Dipole at Metal Semiconductor Interface, Phy. Rev. B, 64, 205310 15. Wang, Q., 2009. High Efficiency Hydrogenated Amorphou/Crytalline Si Heterojunction Solar Cell, Phil Mag., 89, 2587 2598. Yang, W., Marino, J., Monon A. ve Wolden C. A., 2006. An Invetigation of Annealing on the Dielectric Performance of TiO 2 Thin Film, Semicond. Sci. Technol. 21, 1573 1579. AKÜ FEBİD 11 (2011) 011101 8