Al/HfO2/p-Si (MIS) yapının elektriksel ve dielektrik özelliklerinin sıcaklık ve radyasyona bağlı incelenmesi
The investigation of temperature and radiation dependent electrical and dielectric characteristics of Al/HfO2/p-Si (MIS) structure
Yazar: SEDA BENGİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET MAHİR BÜLBÜL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Dielektrik özellikler = Dielectric properties ; Schottky kontakları = Schottky contacts

Özet:
Al/HfO2/p-Si Metal-Yalıtkan-Yarıiletken (MIS) yapının doğru ve ters gerilim akım-voltaj (I-V), kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/?-V) karakteristikleri 80-400 K sıcaklık aralığında incelendi. Termoiyonik emisyon teorisi temel alınarak, sıfır potansiyel engel yüksekliği (?B0) ve idealite faktörü (n) 80 K'de sırasıyla 0.28 eV ve 3.88; 400 K'de sırasıyla 0.90 eV ve 2.81 olarak elde edildi. Klasik Richardson ln(Io/T2)?q/kT eğrisi lineer bir bölgeye sahip olup aktivasyon enerjisi ve Richardson sabitinin (A*) değerleri bu eğriden elde edildi. A* değeri p-Si için bilinen teorik değerden(? 32 A/cm2K2) oldukça küçüktür. I-V karakteristiklerinden 5 V' da ölçülen seri direnç değerleri 80 K'de 888.76 ??, 400 K'de 122.10 ?? ?arasında değişmektedir. Ayrıca, arayüzey durumları yoğunluğunun enerji dağılım profili, sıcaklığa bağlı olarak etkin engel yüksekliği (?e) ve idealite faktörünün voltaja bağlılığı dikkate alınarak elde edildi. Artan sıcaklıkla Nss değerlerinin azalması, oksit/yarıiletken arayüzeyinde moleküler yeniden yapılanmaya ve yeniden düzenlenmeye atfedildi. C-V ve G/?-V eğrilerinden, yapının elektriksel özelliklerini belirleyen Nss ve Rs gibi temel parametrelerin sıcaklığa kuvvetle bağlı olduğu görülmektedir. Seri direnç varlığında pozitif gerilim C-V eğrilerinde bir pik gözlenmektedir ve bu pikin konumu artan sıcaklıkla daha düşük voltajlara doğru kaymaktadır. Aynı zamanda Nss yoğunluğu, sıcaklığa bağlı olarak C-V ve G/w-V eğrilerinden de Hill-Coleman methodu kullanılarak elde edildi. Bunlara ilaveten, yapının sıcaklığa bağlı dielektrik özellikleri üç farklı frekans için ve 80-400 K sıcaklık aralığında incelendi. Al/HfO2/p-Si yapının durulma mekanizmalarını anlamak için elektrik modülüs özellikleri araştırıldı. Diğer taraftan Al/HfO2/p-Si yapının elektriksel karakteristikleri üzerine radyasyon etkisini görmek amacıyla, numune Co60????ışını) kaynağı kullanılarak 100 kGy doza maruz bırakıldı. I-V karakteristiklerinden hesaplanan engel yüksekliği radyasyondan sonra azalırken, idealite faktörü ve seri direnç değerlerinin radyasyondan sonra arttığı gözlenmiştir. Aynı zamanda taşıyıcı yoğunluğu, kapasitans ve iletkenlik değerlerinin radyasyon ile azaldığı görülmüştür.

Abstract:
The forward and reverse bias current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/w-V) characteristics of Al/HfO2/p-Si Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) structure have been investigated over the temperature range of 80-400 K. By using the thermionic emission (TE) theory, the zero-bias barrier height (?B) and ideality factor (n) values for the device have been obtained as 0.28 eV and 3.88 at 80 K and 0.90 eV and 2.81 at 400 K, respectively. The conventional Richardson plot of the ln(Io/T2) versus q/kT has a linear region and the values of activation energy (Ea) and Richardson constant (A*) were obtained from this plot and especially the value of A* is much lower than the known theoretical value for p-type Si. Also, the series resistance values of the device were found to change from 888.76 ? at 80 K to 122.10 ? at 400 K at 5 V. In addition, the temperature dependence of the energy distribution of interface state density (Nss) profiles has been determined by taking into account the bias dependence of the effective barrier height (?e) and n. The decrease of the values of Nss with increasing temperature has been attributed to the molecular restructuring and reordering at the oxide/semiconductor interface. 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 properties of MIS structure. It is found that in the presence of series resistance, the forward bias C-V plots exhibits a peak, and its position shifts towards lower voltages with increasing temperature. At the same time, the density of Nss, depending on the temperature, was determined from the C-V and G/w-V data using the Hill-Coleman Method. Also, the temperature dependence of dielectric properties at three different frequencies over the temperature range of 80-400 K was investigated. The electric modulus formalisms were employed to understand the relaxation mechanism of the Al/HfO2/p-Si structure. In addition, to see gamma-ray irradiation effect on electrical characteristics of Al/HfO2/p-Si structure, the sample was exposed to 60Co (?-ray) source at 100 kGy. It was seen that the barrier height calculated from I-V characteristics decreased, while the ideality factor and series resistance values increased after the applied radiation. It was also seen that the carrier concentration, the capacitance and conductance of device decreased with radiation dose.