Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si yapıların hazırlanması, elektriksel ve dielektrik özelliklerinin frekans ve sıcaklığa bağlı incelenmesi
The preparation of Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si structures, investigation of the electrical and dielectric properties based on frequency and temperature
Yazar: FUNDA PARLAKTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Metal-ferroelektrik-yalıtkan-yarıiletken (MFIS) yapının, frekans ve sıcaklıgabaglı kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) karakteristikleri, seridirenç (Rs) ve yüzey durum (Nss) etkileri dikkate alınarak, sırasıyla 1 kHz-5MHz frekans ve 80-400 K sıcaklık aralıgında incelendi. Nss ve Rs degerlerininönemli ölçüde frekans ve sıcaklıga baglı oldugu tespit edildi. Rs ve Nss'e baglıolarak Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si yapının C-V-f ve G/w-V-f karakteristikleri,özellikle düsük frekanslarda, genis bir frekans dagılımı göstermektedir, C-V-Tve G/w-V-T grafikleri dogru beslemde Rs ve Nss'e baglı olarak anormal piklervermektedir. Bu piklerin pozisyonu yıgılma bölgesinden tüketim bölgesineyönelmekte, kapasitans ve iletkenligin maksimum degerleri artan sıcaklıklaartmaktadır. Ölçülen kapasitans (Cm) ve iletkenlik (Gm/w) degerleri MFISyapının gerçek kapasitans ve iletkenligini bulmak için, seri direnç etkisindendolayı düzeltilmistir. Her frekans için, Rs-V egrileri tersinim ve tüketimbölgeleri arasında anormal pikler göstermekte ve pik pozisyonları artanfrekansla dogru beslem bölgesine kaymaktadır. C-2-V egrisinin, genis bir voltajbölgesinde dogrusal olması, arayüzey durumlar ve tersinim tabaka yüklerinin,tüketim bölgesinde ac sinyali takip edemedigini göstermektedir. Nss artanfrekansla eksponansiyel olarak azalmaktadır. C-V ve G/w-V karakteristikleriyarıiletkenle, yüzey durumlarının dengede olmasına baglı olarak beklenenvdavranısı göstermektedir. MFIS yapı için dielektrik sabiti (G'), dielektrik kayıp(G'') ve dielektrik kayıp açı (tanI) arastırılmıs ve C-V ve G/w-V ölçümlerindenhesaplanmıstır. Dielektrik parametreler oldukça yüksek sıcaklıkta ve düsükfrekanslarda, frekans ve sıcaklıga hassasiyet göstermektedir. G' ve G'' artanfrekansla azalırken, artan sıcaklıkla artmaktadır. Arayüzey kutuplanmasıdüsük frekanslarda daha kolay gerçeklesebilmekte ve yarıiletken/yalıtkanarayüzeyinde arayüzey durum yogunlugu sayısı, MFIS yapının dielektriközelliklerinin iyilestirilmesine katkı saglamaktadır.

Abstract:
The frequency and temperature dependent capacitance-voltage (C-V) andconductance-voltage (G/w-V) characteristics of the metal-ferroelectricinsulator-semiconductor (MFIS) structure were investigated by consideringseries resistance (Rs) and surface state (Nss) effects in the frequency andtemperature ranges of 1 kHz-5 MHz and 80-400 K, respectively. The values ofNss and Rs were determined to be strongly dependent on the frequency andtemperature. The C-V-f and G/w-V-f characteristics of Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Sistructure show fairly large frequency dispersion especially at low frequencies,the C-V-T and G/w-V-T plots exhibit anomalous peaks at forward bias due toRs and Nss. These peak positions shift from accumulation to inversion regionand the maximum values of the capacitance and conductance increase withincreasing temperature. The measured capacitance (Cm) and conductance(Gm/w) values were corrected for the effect of series resistance to obtain the realcapacitance and conductance of MFIS structure. The Rs-V plots exhibitanomalous peaks between inversion and depletion regions at each frequencyand peak positions shift towards positive bias with increasing frequency. The C-2-V plot gives a straight line in wide voltage region, indicating that interfacestates and inversion layer charges cannot follow the ac signal in the depletionregion. The Nss decreases exponentially with increasing frequency. The C-V andviiG/w-V characteristics show the expected behavior due to Nss in equilibrium withthe semiconductor. Dielectric constant (C'), dielectric loss (C'') and, dielectric losstangent (tanE) were studied for MFIS structure and calculated from C-V andG/w-V measurements. The dielectric parameters were quite sensitive totemperature and frequency at relatively high temperatures and at lowfrequencies. The C' and C'' were decreasing with increasing frequency whileincreasing with increasing temperature. The interfacial polarization can bemore easily occurred at low frequencies, and the number of interface statesdensity between semiconductor/insulator interfaces, consequently, contributes tothe improvement of dielectric properties of MFIS structure.