Al/SiO2/p-Si (MYY) yapıların akım iletim mekanizması ve elektriksel özelliklerinin sıcaklığa bağlı incelenmesi
The investigation of temperature dependence current-conduction mechanism and electrical characteristics of Al/SiO2/p-Si (MIS) stuctures
Yazar: DİLBER ESRA YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Bölümü
Derece: Doktora, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Al/SiO2/p-Si metal-yalıtkan-yarıiletken (MYY) yapıların/Schottky diyotların akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (C-V), kondüktans-voltaj (G/w-V) karakteristikleri, 80-400 K sıcaklık aralığında ölçüldü. Termiyonik emisyon (TE) teorisine göre; I-V karakteristiklerinden elde edilen sıfır beslem engel yüksekliği ( ? Bo) ve idealite faktörünün (n) sıcaklığa bağlı olduğu gözlendi. ? Bo'nin artan sıcaklıkla artmasına karşın n'nün azalmakta olduğu gözlendi. Aynı zamanda aktivasyon enerjisi / Richardson grafiğinin oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda doğrusallıktan saptığı gözlendi. Bu şekildeki davranış, Al/p-Si arayüzeydeki Schottky engel homojensizliğine atfedildi. Bu engel homojensizliğinin bir Gaussian dağılım (GD) gösterdiğine delil elde etmek için ? Bo- q/2kT grafiği çizildi ve bu grafikten ortalama engel yüksekliği = 1.136 eV, standart sapmanın ise ? o= 0.159 V civarında olduğu gözlendi. Böylece modifiye edilen [ln(Io/T2)-q2 ? o2/2k2T2]-q/kT grafiğinden, ve Richardson sabiti A* değerleri sırasıyla, 1.138 eV ve 37.23 Acm-2K-2 olarak elde edildi. Bu değer p-Si için bilinen 32 A K-2cm-2 teorik Richarson sabiti değerine oldukça yakındır. Sonuç olarak, Al/SiO2/p-Si (MIS) yapıların doğru-beslem I-V karakteristiklerinin sıcaklığa bağlılığı, engel yüksekliklerinin TE mekanizması temelinde bir GD ile başarılı bir şekilde açıklanabileceği görüldü. Ayrıca Al/SiO2/p-Si Schottky diyotlarının C-V ve G/w-V karakteristikleri, seri direnç (Rs), arayüzey durum yoğunluğu (Nss) dikkate alınarak 80-400 K sıcaklık ve, ? 8 V voltaj aralığında 1 MHz için incelendi. Deneysel sonuçlardan, seri dirençten dolayı doğru beslem C-V grafiğinin bir pik verdiği ve bu pik pozisyonunun artan sıcaklıkla pozitif voltaja doğru kaymakta olduğu gözlendi. C-V ve G/w-V ölçüm sonuçlarından, Nss ve Rs değerlerinin MYY yapının elektriksel özellikleri üzerinde oldukça etkili olduğu gözlendi. MYY yapının G/w-V eğrilerinde, belirgin bir voltaj değerinde gözlenen kesişme ideal bir MYY davranışa göre beklenmeyen bir durumdur. Buna ilaveten, MYY yapının ters ve doğru beslemde ölçülen yüksek frekans (1 MHz) C ve G/w değerleri, gerçek C ve G/w değerlerini elde etmek için seri direnç etkisi dikkate alınarak düzeltildi.

Abstract:
The current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/w-V) characteristics of Al/SiO2/p-Si metal-insulator-semiconductor (MIS) structure/ Schottky diodes were measured in the temperature range of 80-400 K. The calculated zero bias barrier height ( ? Bo) and the ideality factor (n) values according to thermionic emission (TE) theory show strong temperature dependence. While ? Bo increases, n decreases with increasing temperature. The activation energy obtained from Richardson plot deviated from linearity under room temperatures. Such behaviour is attributed to inhomogeneties of Schottky barrier by assuming a Gaussian distribution (GD) of barrier heights (BHs) at Al/p-Si interface. We attempted to draw a ? Bo vs q/2kT plot to obtain evidence of a Gaussian distribution of the BHs and the values of = 1.136 eV and ? o= 0.159 V for the mean BH and standard deviation at zero bias, respectively, have been obtained from this plot. Thus, the modified [ln(Io/T2)-q2 ? o2/2k2T2] vs q/kT plot gives and A* as 1.138 eV and 37.23 Acm-2K-2, respectively. This value is very close to the theoretical value of 32 A K-2 cm-2 for p-type Si. Hence, it has been concluded that the temperature dependence of the forward I-V characteristics of the Al/SiO2/p-Si structure can be successfully explained on the basis of TE mechanism with a GD of the BHs. The forward and reverse bias C-V and G/w-V characteristics of Al/SiO2/p-Si MIS Schottky diodes have been investigated by considering the effect of the series resistance (Rs) and surface states (Nss) over a wide temperature and the voltage range of 80-400 K and ? 8 V, respectively, at 1 MHz. It is found that in the presence of series resistance, the forward bias C-V plots exhibits a peak, and experimentally shown that the peak positions shift towards higher positive potentials with increasing temperature. The C-V and G/w-V characteristics confirm that the Nss and Rs of the diode are important parameters that strongly influence the electrical parameters in (Al/SiO2/p-Si) MIS Schottky diodes. The crossing of the G/w-V curves appears as an abnormality when seen respect to the behavior of ideal MIS Schottky diode. In addition, the high frequency C and G/w values measured under both reverse and forward bias were corrected for the effect of series resistance to obtain the real diode capacitance.