Metal-organik-yarı iletken yapıların arayüzey özelliklerinin belirlenmesi
Investigation of interface properties of metal-organic semiconductor structures
Yazar: ARDEN ERKOL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÇİĞDEM ORUÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde yarıiletken teknolojisinde cihazların boyutlarında küçülme ve performans iyileştirmeleri beklenmektedir. Genelde bir MIS yapının performansı oksit tabakasının performansı ile tanımlanır. Dielektrik tabakanın inceltilmesi yeni nesil MIS temelli cihazların gelişmesindeki en büyük sorundur. Çünkü oksit (SiO2) tabaka kalınlığının azalması, cihaz performansının düşmesine sebep olan kaçak akımları arttırmaktadır. International Technology Roadmap for Semiconductors'a göre (ITRS), 100nm altı cihazlarda eşdeğer oksit tabaka kalınlığının 3nm civarnda olması gerekmektedir. MIS teknolojisinde nm mertebesinde cihaz üretme eğilimi, silisyum oksitin yüksek dielektrik sabitine sahip bir malzeme ile değiştirilmesini gerektirir. Bu sebepten Silisyum altlık üzerinde geliştirilecek yüksek dielektrik malzeme alternatiflerinin bulunması her geçen gün önem kazanmaktadır. Özellikle yalıtkanın, yüksek kırılma dayanımı, çalışma gerilimde düşük akım kaçağı, düşük oksit tuzak yükü ve yüksek ısıl kararlılık gibi özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bundan dolayı, yalıtkan materyalin seçimi ve karakterizasyonu teknolojik uygulamalarda hayati önem taşımaktadır. Sonuç olarak birçok çalışmanın da gösterdiği gibi silisyum dioksit yerine SrTiO3, ZrO2, TiO2, Ta2O5, ZrTiO4, ve Zr(Sn,Ti)O4 gibi yüksek dielektrik sabitine sahip malzemeler üzerine yoğunlaşılmıştır.
Son zamanlarda organik malzemeler alternatif malzeme olarak dikkat çekmektedir. Organik malzemelerin elektronik cihazlarda kullanımı önemli ölçüde performansın düşük fiyatlara elde edilmesi açısından gelecek vaat etmektedir. Literatürdeki çalışmalar organik moleküllerin geleneksel MIS yapıların elektriksel karakteristikleri kontrol edebildiklerini göstermiştir. Bu gelişmeler inorganik tabakaların organiklerle değiştirilmesinde bir fırsat doğurmuştur.
Ftalosiyanin molekülleri kimyasal kararlılıkları, moleküler yapılarında modifikasyonları ve benzersiz elektriksel özelliklerinden dolayı, organik ışık saçan diyot (OLED), gaz sensörü ve MIS yapıda yalıtkan tabaka gibi çeşitli elektronik uygulama için aday malzemelerden biri olarak düşünülmektedir. Yapılan birkaç deneysel çalışma ftalosisyanin molekülünün yalıtkan malzeme olarak kullanımının etkisini göstermek için yapılmıştır. Bununla birlikte Si/Pc/Metal cihazların sıcaklığa, kalınlığa ve frekansa bağlı karakteristikleri hala tam olarak bilinmemektedir. Bu sebepten iletkenliğin, MIS yapının dielektrik ve arayüzey özelliklerinin detaylıca araştırılması, organik tabakaya sahip cihazların belirli bir uygulama için uygunluğunu belirleyen gerçek parametrelerin ortaya koyulması açısından gereklidir.
Bu çalışmada tercih edilen malzemelerden kaynaklanan farklı yük arayüzey durumları, inorganik malzemelere alternatif, verimli, organik malzemenin belirlenmesi için FePc(Demir Ftalosiyanin), ZnPc(Çinko Ftalosiyanin), CoPc(Kobalt Ftalosiyanin) ve HPc(Ftalosiyanin) ile yalıtkan tabakaların oluşturulması ile sağlandı. Metal tabaka olarak ise yüksek saflıkta altın(Ag) ve gümüş(Au) kullanıldı. Üretilen cihazlarda altlık malzemesi olarak n-tipi silisyum seçildi. Yalıtkan tabaka, sprey kaplama yöntemi ile elde edildi. Metal tabaka ise termal buhar biriktirme (Thermal Vapor Deposition, TVD) yöntemiyle üretildi. Üretilen cihazların vakum altınada, -1V ve +1V arasında akım-gerilim(I-V), -5V ve +5V arağında kapasitans-gerilim(C-V) karakteristiği 20, 44, 67, 89, 111, 132, 152 ve 171°C sıcaklıklarında incelendi. Yine bu sıcaklıklar için empedansı, iletkenlik ve sığa ölçümleri vakum altında yapıldı.

Anahtar Kelimeler: n-Si, MIS yapı, organik, yalıtkan, ftalosiyanin, elektriksel, akım-gerilim, kapasitans-gerilim, karakterizasyon

Abstract:
Present semiconductor technology demands continuous shrinkage of the device dimensions and improvement of its performance. Generally, the performance of the MIS device is known by the performance of an oxide layer.  The continuous down-scaling of gate dielectric thickness is the most difficult issue in the development of the next generation of MIS based devices. Because as the thickness of the oxide (SiO2) layer reduces the leakage current increases, which lowers the device performance. In fact, the decrease of SiO2 gate thickness has reached a level where electrons can directly tunnel through the barrier material. According to the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), the scaling trend for gate dielectrics is such that for sub-100 nm generation device, an equivalent gate oxide thickness of less than 3.0 nm will be required. Hence, downscaling of device dimensions in the MOS technology below nm demands replacement of the silicon dioxide by high permittivity oxides. Therefore, the growth of alternative high dielectric materials on Si substrates attracts more and more attention due to the scientific interest beside the urgent need for gate dielectrics replacements. In particular, the insulator should satisfy requirements such as a high breakdown strength, a low leakage current at operating voltage, a low oxide trap charge, and a high thermal stability on Si. Therefore, the choice of the insulator material and their characterizations is crucial in technological applications. Consequently, many studies have concentrated on higher dielectric constant materials such as SrTiO3, ZrO2, TiO2, Ta2O5, ZrTiO4, and Zr(Sn,Ti)O4 in order to replace the classical silicon dioxide. 
Recently, organic materials became an attractive as an alternate to the inorganic counterparts. The use of organic material in electronic device seems to be promising for achieving significant device performance at low cost. The studies made in literature have shown that organic molecules can control the electrical characteristics of conventional metal–insulator-semiconductor structures. This has opened a new opportunity of replacing conventional inorganic layers by the organic ones.
 Phthalocyanine molecules have been considered as one of the candidates for various electronic applications such as organic light emitting diodes (OLED), gas sensors and insulator layer in MIS structure because of their chemical stability, various possible synthetic modifications, and unique electrical properties. A few experimental studies have been performed to display the effect of a phthalocyanine molecule as an insulator layer in device application. However, the temperature, thickness and frequency dependent characteristics of Si/Pc/Metal device structure are still unknown. For that reason, detailed investigation of the conduction, dielectric and interface properties of the MIS structures is required to extract true parameters, which are the deciding factors about the suitability of the material for a particular device applications, in the presence of an organic layer.
In this study the interface states of the MIS structures were established via FePc (Iron Phthalocyanine), Zinc Phthalocyanine(ZnPc), CoPc(Cobalt Phthalocyanine) and Pc(Phthalocyanine) as insulator matter to determine the productive alternative organic matters in the place of widely studied inorganic matters. As semiconductor n-type silicon was chosen. High purity gold (Au) and silver (Ag) was chosen for metal layers. Insulator layer was coated via spray coating method. Metal layers was coated via thermal vapor deposition (TVD) method. The devices' current-voltage, capacitance-voltage characteristics were analyzed between -1V +1V and -5V +5V, at 20, 44, 67, 89, 111, 132, 152 and 171°C temperatures in vacuum. With the same states impedance, conductivity and capacitance tests was made.

Keywords: n-Si, MIS structure, organic, insulator, phthalocyanine, electrical, current-voltage, capacitance-voltage, characterization