Arayüzeyleri farklı kalınlıklarda imal edilmiş Au/Ti/Al2O3/n-GaAs/In Schottky diyotların dielektriksel özelliklerinin ve ac elektriksel iletkenliklerinin frekansa ve sıcaklığa bağlılıkları
The frequency and temperature dependence of the dielectric properties and the ac electrical conductivity of the Au/Ti/Al2O3/n-GaAs/In Schottky diodes are manufactured from interfaces in different thicknesses
Yazar: ÇİĞDEM ŞÜKRİYE GÜÇLÜ
Danışman: PROF. DR. AHMET FARUK ÖZDEMİR
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, 300 µm kalınlıklı, (100) yüzey yönelimli n-GaAs yarıiletken kullanılarak Au/Ti/Al2O3/n-GaAs Schottky diyotlar imal edilmiştir. Al2O3 metal oksit yalıtkan malzeme, ara yüzey tabakası olarak farklı kalınlıklarda atomik katman kaplama (ALD) tekniği kullanılarak büyütülmüştür. Numunenin akım-iletim mekanizmaları (CCMs), (80-380K) sıcaklık aralığında akım-voltaj (I-V) ölçümleri kullanılarak ayrıntılı olarak incelenmiştir. Yarı logaritmik (I-V) eğrileri sırasıyla (0.07-0.30V) ile (0.30-0.69V) aralıklarında Bölge 1 ve 2 (RI-RII) olmak üzere farklı eğimli iki lineer bölgeye sahiptir. İdealite faktörü (n) ve sıfır beslem engel yüksekliğinin (Φ_b0), sıcaklık ve voltajın güçlü birer fonksiyon olduğu görülmüştür. İki lineer bölge için de sıcaklık artarken n azalmakta, Φ_b0 artmaktadır. Düşük sıcaklıktaki yüksek değerler termoiyonik emisyondan (TE) belirgin bir sapmanın işaretidir ve sadece tünelleme mekanizması, yüzey durumları (Nss) ve arayüzey tabakasının varlığıyla açıklanamaz. Bu nedenle Φ_bo-q/kT ile ln(I-V)-q/kT grafikleri çizilmiştir. Bu grafikler (80-170K) ve (200-380K) aralıklarında düşük (LTR) ve yüksek sıcaklık (HTR) aralığı olarak adlandırılan farklı eğimli iki ayrı lineeer bölgeye sahiptir. Hazırlanan numunelerdeki bu tarz davranışlar, ortalama bariyer yüksekliği (Φ ̅_b0) ve standart sapmalara (σ_s) sahip numunelerde çift Gaussian dağılımının (DGD) varlığını doğrulamıştır. (1kHz-1MHz) frekans aralığında oda sıcaklığında ve (80-400K) sıcaklık aralığında 1 MHz' de Au/Ti/Al2O3/n-GaAs (MIS) yapıların dielektrik özellikleri admittans spektroskopisi yöntemi kullanılarak araştırılmıştır. Dielektrik sabiti (〖ε〗^'), dielektrik kaybı (〖ε〗^''), kayıp tanjant (tanδ), ac iletkenlik (σ_ac), elektrik modülüsün reel (M^') ve imajiner (M^'') kısımları gibi dielektrik parametreler sıcaklığın ve frekansın güçlü birer fonksiyonudur. Deney sonuçları hem kapasitans (C) hem de kondüktans (G/) değerlerinin özellikle tükenim ve yığılım bölgelerinde frekans ve sıcaklığın kuvvetli birer fonksiyonu olduğunu doğrulamıştır. Yüksek frekans (f≥1MHz) ve düşük sıcaklıklarda (T≤300K), (C-V) ve (〖ε〗^'-V) eğrilerinde sırasıyla negatif kapasitans (NC) ve negatif dielektrik sabiti (NDC) davranışları gözlenmiştir. Ek olarak, bu parametrelerin yüzey durumları (N_ss) ile seri direnç (R_s) ve Al203 tabakasının varlığına bağlı olarak sıcaklık ve gerilimin kuvvetli bir fonksiyonu olduğu bulunmuştur. NDC fenomeni, (〖ε〗^'-V) eğrilerinden gözlenmektedir. Bu eğrilerin yığılım bölgesindeki kesişme davranışları özellikle düşük sıcaklıkta serbest yükün olmayışına atfedilir. NDC' nin herbir voltaj değerinde artan sıcaklıkla azalışı dielektrik kaybın (〖ε〗^'') artışına karşılık gelir. Bu tür 〖ε〗^' davranışları impact ionization yöntemi nedeniyle Al2O3/GaAs arayüzünde bulunan ara yüzey yüklerinin kaybı ile açıklanabilir. Aktivasyon Enerjisi (E_a) değeri çeşitli voltajlar için Arrhenius eğrisinden ln(σ_ac)-q/kT bulunmuştur ve bu eğride her bir gerilim değeri için farklı eğimli iki lineer bölge gözlenmiştir. Bu eğri, uzun ve kısa menzilli sıçrama (hopping) mekanizmalarına bağlı olarak düşük ve yüksek sıcaklıklarda iki farklı iletim mekanizmasının varlığını göstermektedir. Bu parametrelerin tümünün tuzak yüklerinin yeniden yapılanması ve düzenlenmesine bağlı olarak sıcaklığa, ön gerilim voltajına, sıçrama (hopping) mekanizmalarına ve arayüzey tabakasına karşı oldukça duyarlı olduğu bulunmuştur.

Abstract:
In this thesis, Au/Ti/Al2O3/n-GaAs Schottky diodes were fabricated by using n-GaAs substrate semiconductor with 300 µm thickness, (100) surface orientation. Al2O3 metal oxide insulator material as an interfacial layer was grown as different thicknesses by using atomic layer deposition (ALD) technique. The current-conduction mechanisms (CCMs) of the sample have been investigated in detail using current-voltage (I-V) measurements in the temperature range of (80-380K). The semi-logarithmic I-V plots have two distinct linear regions with different slopes between (0.07-0.30V) and (0.30-0.69V) which are called Region I and II (RI-RII), respectively. The ideality factor (n) and zero-bias barrier height (Φ_bo) were found to be a strong function of temperature and voltage. While the value of n decreases with increasing temperature, Φ_bo increases with increasing temperature for two regions. The high value of n at low temperatures is an evident deviation from thermionic emission (TE) and it cannot be also explained only by tunneling mechanism, the existence of surface states (Nss) and interfacial layer. Therefore, the Φ_bo vs q/kT plots were drawn for two linear region of LnI-V plots and they have also two distinct linear region with different slopes between (80-170K) and (200-380K) which are called low and high temperature range (LTR and HTR), respectively. Such behavior of these plots confirmed the existence of double Gaussian distribution (DGD) in prepared samples having mean barrier heights (Φ ̅_bo) and standard deviation (σ_s). Dielectric properties of (Au/Ti)/Al2O3/n-GaAs (MIS) structures have been investigated by using admittance spectroscopy method within the frequency range of (1kHz-1MHz) at room temperature and temperature range of (80-400K) at 1MHz. Dielectric parameters such as the dielectric constant (〖ε〗^'), dielectric loss (〖ε〗^'') and loss tangent (tanδ), ac conductivity (σ_ac) and real (M^') and imaginary (M^'') parts of electric modulus were found a strong function of the temperature and frequency. Also, experimental results confirmed that both capacitance and conductance (G/) values were found to be strong functions of frequency and temperature, especially in the depletion and accumulation regions. Negative capacitance (NC) and negative dielectric constant (NDC) behavior were observed in the (C-V) and (〖ε〗^'-V) plots at high frequencies (f≥1MHz) and low temperatures (T≤300K), respectively. Additionally, these parameters were found to be the strong function of temperature and voltage due to the existence of surface states (N_ss), series resistance (R_s) and interfacial sapphire layer. NDC phenomenon has been observed in the ε-V plots and the observation intersection behaviors of these plots at accumulation region can be attributed to the lack of free charge especially at low temperature. The decreases in NDC with increasing temperature for each voltage are corresponding to an increase in the dielectric loss (ε). Such behavior of ε can be explained by the loss of interface charges located at Al2O3/GaAs interface due to impact ionization process. The activation energy (E_a) value was also found from the Arrhenius plot (ln(σ_ac)-q/kT) for various voltages and observing two distinct linear regions were observed with the different slope for each voltage show that the existence of two different conduction mechanism at low and high temperature due to short and long-range hopping mechanisms. All of these parameters are found to be quite sensitive to the temperature, bias voltage, hopping mechanisms and interfacial layer due to restructuring and reordering of the charges at traps.