A^III B^III C_2^VI tabanlı yarıiletken cihazların kapasitans, dielektrik ve admitans spektroskopisi yöntemleriyle incelenmesi
Analysis of A^III B^III C_2^VI based semiconductor devices by capacitance, dielectric and admittance spectroscopy methods
Yazar: SERDAR GÖREN
Danışman: PROF. DR. MİRHASAN SEYİTSOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektriksel impedans = Electric impedance ; MIS = Metal insulator semiconductor ; Metal-yarı iletken sistemler = Metal-semiconductor systems ; Tabakalı yarı iletkenler = Layered semiconductors

Özet:
A^III B^III C_2^VI tabanlı yarıiletken cihazların elektriksel karakterizasyonu empedans spektroskopisinin toparlayıcı başlık olarak hepsini kapsadığı kapasitans, dielektrik ve admitans spektroskopisi yöntemleri ile gerçekleştirilmiştir. Kullanılan yöntemin gerektirdiği tarama ve ölçüm sürecine bağlı olarak tercih edilen AC elektrik alanın frekansı ve sabit DC elektrik alanın büyüklüğü farklı aralıklarla uygulanmıştır. Bütün ölçümler 20 K-300 K sıcaklık aralığında farklı sıcaklık adımları gerçekleştirilmiştir. İncelenen elektriksel özelliklerin bağımsız ölçüm prensipleri uygulanarak elde edildiği ısıl uyarılmış akım (IUA) ve ışıkla uyarılmış azalan akım spektroskopisi (IUAAS) yöntemleri de tamamlayıcı ölçümler olarak kullanılmıştır.
Alüminyum (Al) Katkılı (%0.001) ve katkısız TlGaSe2 katmanlı ferroelektrik yarıiletken kristalleri ile oluşturulan cihazlar termal buharlaştırma yöntemi ile katmanlara veya büyüme yönüne dik yüzeylerde karşılıklı olarak, farklı iş fonksiyonlarına sahip metaller ile kaplanmıştır. Cihazlar iş fonksiyonu 5.47 eV olan altın (Au) ve 4.09 eV olan indiyum (In) metalleri ile (Au-Au) ve (Au-In) paralel plakalı elektrot yerleşimli olarak oluşturulmuştur. Au/TlGaSe2/Au ve In/TlGaSe2/Au cihazlarının elektrot yapılarının karakterizasyonu voltaj taramalı I-V ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. I-V karakterizasyonu ısısal yayınlama modeline göre yapıldı ve oluşan eklemlerin karakteri (Schottky veya omik) belirlenmiştir. Kullanılan spektroskopi metotların tamamında elektro-şekillendirme ölçümlerin gerçekleştirildiği sıcaklık aralığının yüksek sıcaklık değerinden (300 K) düşük sıcaklık değerine (20 K) kadar uygulanan bir DC elektrik alan altında soğutulması şeklinde uygulanmıştır. Elektro-şekillendirmeyi takiben alan kaldırılmış ve alanın uygulandığı elektrotlardan dielektrik ve admitans ölçümleri 5 K'lik sabit sıcaklık adımları ile ve kapasitans-voltaj (K-V) ile akım-voltaj (I-V) ölçümleri de 20 K'lik sabit sıcaklık adımlarında gerçekleştirilmiştir. Optik geçirgenlik ölçümleri yoluyla da doğrudan ve dolaylı E_g bant aralıkları elde edilmiştir. Ayrıca gerçekleştirilen optik geçirgenlik ölçümleri ile bir DC elektrik alan varlığında gözlenen, yük taşıyıcıları için bant aralığının daralması veya temel optik soğurma kenarının kırmızıya kayması Franz-Keldysh etkisi analizi ile incelenmiştir. Bu analizin başarılı bir şekilde uygulanabilmesi elektro-şekillendirme alanının kaldırılmış olmasına rağmen elektriksel olarak aktif kusurların bu alan altında soğutulmanın bir sonucu olarak kristalde bir iç elektrik alanın kaynağı olduğu savımızı güçlü bir şekilde desteklemektedir. Admitans ve dielektrik spektroskopisi 100 Hz-15 MHz frekans aralığında 5 kHz'lik frekans tarama adımları ile K-V ölçümleri ise farklı frekanslarda ± 40 V aralığında 50 mV'luk tarama adımları ile gerçekleştirilmiştir. IUA ölçümleri için bir ısıtma hızı tercih edilmiş ve analiz eğri uydurma yöntemi ile analizler tamamlanmıştır. IUAAS 2 K'lik sabit sıcaklık adımlarında yapılmış ve spektra farklı hız oranı aralıkları için oluşturulmuştur. Elektriksel özelliklerin karakterizasyonu admitans spektroskopisi, IUA ve IUAAS yöntemleri için Arrhenius grafiği yardımı ile yarıiletkenin bant aralığına yerleşmiş tuzak seviyelerinin aktivasyon enerjisi E_t, yakalama tesir kesiti σ_t ve yayınlama hızı e_t'nin elde edilmesini kapsamaktadır.

Abstract:
Electrical characterization of semiconductor devices based on A^III B^III C_2^VI was performed with capacitance, dielectric and admittance spectroscopy methods, all of which impedance spectroscopy covers as a comprehensive title. Depending on the scanning and measurement process required by the method used, the frequency of the preferred AC electric field and the magnitude of the fixed DC electric field were applied at different intervals. All measurements were performed at different temperature steps in the temperature range of 20 K-300 K. Thermally stimulated current (TSC) and photoinduced current transient spectroscopy (PICTS) methods, in which the electrical properties examined were obtained by applying independent measurement principles, were also used as complementary measurements.
Devices formed with aluminum (Al) doped (0.001%) and undoped TlGaSe2 layered ferroelectric semiconductor crystals were depositted with metals having different work functions on surfaces perpendicular to the crystal layers or growth direction by thermal evaporation method. The devices were fabricated with gold (Au) with a work function of 5.47 eV and indium (In) with a work function of 4.09 eV and (Au-Au) and (Au-In) parallel plate electrode placements. The electrode structures of Au/TlGaSe2/Au and In/TlGaSe2/Au devices were characterized by voltage-sweeped I-V measurements. I-V characterization was performed according to the thermionic emission model and the characters of the formed junctions (Schottky or ohmic) were determined. In all spectroscopy methods used, electroforming was applied by cooling under a DC electric field applied from the high temperature value (300 K) to the low temperature value (20 K) in the temperature range where the measurements were performed. Following electroforming, the field was removed and dielectric and admittance measurements were performed from the electrodes to which the field was applied with 5 K constant temperature steps and capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) measurements were performed with 20 K constant temperature steps. Direct and indirect E_g band gaps were obtained through optical transmittance measurements. In addition, the narrowing of the band gap for charge carriers or the red shift of the fundamental optical absorption edge observed in the presence of a DC electric field with the optical transmittance measurements performed was investigated with the Franz-Keldysh effect analysis. The successful application of this analysis strongly supports our claim that although the electroforming field was removed, electrically active defects are the source of an internal electric field in the crystal as a result of cooling under this field. Admittance and dielectric spectroscopy were performed in the frequency range of 100 Hz-15 MHz with 5 kHz frequency scanning steps and C-V measurements were performed in the range of ± 40 V with 50 mV scanning steps at different frequencies. One heating rate was preferred for TSC measurements and the analyses were completed with the analysis curve fitting method. PICTS was performed in fixed temperature steps of 2 K and spectra were created for different velocity ratio ranges. The characterization of electrical properties includes the acquisition of activation energy E_t, trapping cross section σ_t and emission rate e_t of trap levels located in the band gap of the semiconductor with the help of Arrhenius plots for admittance spectroscopy, TSC and PICTS methods.