Metal/organik/inorganik yarıiletken yapıların sıcaklığa bağlı olarak elektriksel ve optik parametrelerinin belirlenmesi
Determination of temperature dependent electrical and optical parameters of metal/organic/inorganic semiconductor structures
Yazar: ENİSE ÖZERDEN
Danışman: PROF. DR. TAHSİN KILIÇOĞLU
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada (100) yöneliminde, 500 μm kalınlıkta, oda sıcaklığında 1-10 Ω.cm özdirence sahip n-tipi Si kristali ile yine (100) yöneliminde olan, 270 μm kalınlıkta ve oda sıcaklığında 1-10 Ω.cm özdirence sahip p-tipi Si kristali kullanıldı. Omik kontaklı n-Si ve p-Si yarıiletkenlerin parlak yüzeyinde 9,10-Dihydrobenzo[a]pyrene-7(8H)-one (9,10-H2BaP) organik bileşiğine ait çözeltinin buharlaşması için kısa bir süre beklenerek, bu yüzeyler üzerinde organik ince film tabakası oluşturuldu. Schottky kontakları elde edebilmek için her iki numunenin organik ince film kaplı tarafına, yaklaşık 2 10-6 Torr basınç altındta Ag metali 1.5 mm çapında dairesel noktalar olacak şekilde termal olarak buharlaştırıldı. Böylece Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb ve Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al Schottky diyotları elde edildi. Kuartz yüzey üzerindeki 9,10-Dihydrobenzo[a]pyrene-7(8H)-one (9,10-H2BaP) organik ince filmin absorbans spektrumu kullanılarak, 9,10-H2BaP organik ince filminin optik bant aralığı elde edildi. Ayrıca Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb ve Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diyotlarının I-V ölçümleri 40-100 mW/cm2 ışık şideti altında ölçülerek, yapıların ışığa karşı duyarlılıkları ve fotoelektriksel özellikleri incelendi. Her iki diyot için ışık şiddeti arttıkça, ters beslem akımının da arttığı gözlendi. Böylece yapıların fotodiyot özelliği gösterdiği ve optoelektronik uygulamalarda kullanılabileceği belirlendi. Elde edilen Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb ve Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diyotlarının 80 K'den 280 K'ne 40 K'lik adımlarla ve 280 K'den 360 K'ne 20 K'lik adımlarla I-V, C-V ve G/ω-V ölçümleri alındı. I-V grafiklerinden engel yükseklikleri ve idealite faktörleri bulundu. Elde edilen engel yüksekliğinin artan sıcaklıkla arttığı, idealite faktörünün ise azaldığı görüldü. Bu durum, engelin yanal inhomojenliğine atfedildi. Ayrıca I-V ölçümlerinden yararlanılarak, yüksek ve düşük sıcaklık bölgeleri için Richardson eğrileri çizildi. Bu eğrilerden ortalama engel yüksekliği ve Richardson sabiti değerleri bulundu. Yine engel yüksekliği-sıcaklık grafiklerinden, her iki sıcaklık bölgesi için ortalama engel yüksekliği ve standart sapma değerleri elde edildi. Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb ve Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diyotlarının 1 MHz'de 80-360 K sıcaklık aralığında C-V ve G/ω-V ölçümleri alındı ve bu ölçümlere ait grafikler çizildi. C-V grafikleri yardımıyla her iki diyot için difüzyon potansiyeli, engel yüksekliği ve Fermi enerji seviyesi değerleri elde edildi. Kapasite ve kondüktansın artan sıcaklıkla arttığı görüldü. Ayrıca Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb ve Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diyotlarının oda sıcaklığında ve geniş bir frekans aralığında C-V ve G/ω-V karakteristikleri incelendi. Artan frekansla kapasite ve kondüktans değerlerinin azaldığı görüldü. Bu durumun artan frekansa bağlı olarak, arayüzey durumlarının (Nss) ac sinyalini izleyememesiyle açıklandı. Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb ve Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diyotlarının sıcaklığa bağlı C-V-T ve G/ω-V-T ve frekansa bağlı C-V-f ve G/ω-V-f ölçümlerinden yapıların dielektrik özellikleri; dielektrik sabiti ( ), dielektrik kayıp ( ), kayıp tanjant ( ), elektrik modülleri (  ve  ) ve ac elektriksel iletkenlik   değerleri elde edildi. Elde edilen bu parametrelerin, sıcaklık ve frekansa karşı değişimleri incelendi. Deneysel sonuçlar, dielektrik parametrelerinin oldukça kuvvetli bir şekilde sıcaklık ve frekansa bağımlı olduğunu gösterdi.

Abstract:
In this study (100) orientation, 500 μm thickness, at the room temperature having 1-10 Ω.cm resistivity n-type Si wafer at the room temperature with another (100) orientation, 270 μm thickness and p-type Si wafer having 1-10 Ω.cm resistivity at the room temperature were used. After waiting a short period of time for evaporating, the solution that belongs to the organic compound of  9,10-Dihydrobenzo[a]pyrene-7(8H)-one (9,10-H2BaP) on the bright surface of  n-Si and p-Si semiconductors that was made ohmic contact, an organic thin film layer was generated on these surfaces. To able to obtain Schottky contacts Ag metal was evaporated thermally about under 2 10-6 Torr on the sides that were organic thin film coated of each two samples were evaporated with 1.5 mm diameter circular dots. Thus Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb and Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al Schottky diodes were obtained. Optical band gap of 9,10-H2BaP organic thin film was obtained using absorbance spectrum of 9,10-Dihydrobenzo[a]pyrene-7(8H)-one (9,10-H2BaP) organic thin film on the quartz surface. In addition, I-V measurements of Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb and Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diodes measured under light which had intensity of 40-100 mW/cm2 and these structures were investigated sensitivities against light and photoelectrical properties. It is observed for both diodes that the reverse bias current of the diodes with increasing the light intensity, increases also. Thus the structures determined that the photodiode property and can be used in optoelectronic applications. Obtained Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb and Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diodes were taken I-V, C-V and G/ω-V measurements with 40 K steps from 80 K to 280 K and with 20 K steps from 280 K to 360 K. Barrier heights and ideality factors were found from I-V graphics. It was seen that the obtained barrier height was increased with the increasing temperature, but the ideality factor was decreased. This situation was attributed to the lateral inhomogeneity of the barrier. Also Richardson plots were drawn with the help of I-V measurements for high and low temperature regions. From these plots, the mean barrier height and Richardson constant values were found. Furthermore, the mean barrier height and standard deviation values were obtained from barrier height-temperature graphics. The C-V and G/ω-V measurements of Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb and Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diodes were taken at 1 MHz in the 80-360 K temperature range and the graphics of these measurements were drawn. For both diodes diffusion potential, barrier height and Fermi energy level values were obtained with the help of C-V graphics. It was seen that the capacitance and conductance increased with increasing temperature. Also C-V and G/ω-V characteristics of Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb and Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diodes were examined at room temperature and in a wide frequency range. It was seen that the capacitance and conductance values were decreased with the increasing frequency. This situation was explained as dependent on increasing frequency, that interface states (Nss) cannot follow the ac signal. Dielectric properties; dielectric constant ( ), dielectric loss ( ), loss tangent ( ), electric modulus (  and  ) and ac electrical conductivity   values of structures were obtained from the measurements of C-V-f and G/ω-V-f that depend on frequency and C-V-T and G/ω-V-T that depend on temperature of Ag/9,10-H2BaP/n-Si/Au-Sb and Ag/9,10-H2BaP/p-Si/Al diodes. Changes of the obtained these parameters were examined against temperature and frequency. Experimental results have showed that the dielectric parameters were quite strongly temperature and frequency dependent.