Organik arayüzey tabakalı metal-yarıiletken yapıların elektriksel özelliklerinin radyasyona bağlı incelenmesi
Investigation of radiation effects on the electrical properties of metal-semiconductor structures with organic interfacial layer
Yazar: AHMET KAYMAZ
Danışman: PROF. DR. HABİBE TECİMER
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Gama radyasyonu = Gamma radiation ; Schottky diyodları = Schottky diodes

Özet:
Bu çalışmada, geleneksel yalıtkan arayüzey tabakalı metal-yarıiletken (MS) yapıları yerine Al/(ZnO-PVA)/p-Si (MPS) tipi Schottky diyotları (SDs) hazırlanmış ve bu diyotların gama-ışınlama etkileri araştırılmıştır. Gama-ışınlama etkilerinin anlaşılabilmesi amacıyla akım-gerilim (I-V), kapasitans-gerilim (C-V) ve kondüktans-gerilim (G/𝜔-V) karakteristiklerinin ölçümleri, radyasyon öncesinde ve çeşitli ışınlama dozları sonrasında gerçekleştirilmiştir. Böylece, ln(I)-V karakteristiklerinden faydalanılarak sıfır-beslem bariyer yüksekliği (𝛷B0), idealite faktörü (n) ve ters doyum akımı (I0) gibi akıma bağlı temel diyot parametreleri, radyasyon öncesi ve sonrası için elde edilmiştir. Yine I-V ölçümlerinden faydalanılarak seri direnç (Rs), şönt direnç (Rsh) ve diyot kalitesini temsil eden doğrultma oranı (RR) gibi diğer önemli diyot parametreleri de hesaplanmıştır. Bazı parametrelerin diyot üzerindeki etkilerini ve radyasyona bağlı değişimlerini daha doğru bir şekilde anlayabilmek için Rs, n ve 𝛷B0 parametrelerinin değerleri ikinci bir yöntem olarak Cheung fonksiyonları metoduyla ve Rs ile 𝛷B0 parametrelerinin değerleri de üçüncü bir yöntem olarak Norde fonksiyonları metoduyla elde edilmiştir. Böylece üç yöntemle elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Diğer yandan, ölçümleri yüksek bir frekans değerinde (f=500 kHz) gerçekleştirilen C-V ve G/𝜔-V karakteristiklerinden faydalanılarak hesaplanan difüzyon potansiyeli (VD), alıcı katkı atomları yoğunluğu (NA), Fermi enerji seviyesi (EF), maksimum elektrik alanı (Em), tüketim tabakası genişliği (WD) ve bariyer yüksekliği (𝛷B) gibi diğer diyot parametreleri, gama-ışınlamasının malzeme üzerindeki etkilerini detaylıca analiz etme olanağı sunmuştur. Ayrıca, Castagne-Vapaille ve Hill-Coleman yöntemleri olmak üzere iki ayrı metotla hesaplanan arayüzey durumları (Nss), diyotun radyasyon altındaki davranışını tamamen açığa çıkarmıştır. Sonuçlar, Rs'nin daha çok birikim bölgesinde Nss'nin ise özellikle tüketim bölgesinde daha etkili olduğunu göstermiştir. Öte yandan, tüm diyot parametrelerinin radyasyondan belirgin bir şekilde etkilendiği gözlemlenmiş olmasına karşın, 0-60 kGy doz aralığındaki ışınlamada Al/(ZnO-PVA)/p-Si tipi SD'nin çalışmasını önleyecek önemli bir kusur veya bozulma tespit edilmemiştir. Sonuç olarak, polimer tabakası, geleneksel yalıtkan/oksit tabakasıyla karşılaştırıldığında, daha az enerji gerektirmesinin yanı sıra esnek, ucuz ve molekül başına hafif olma gibi bazı avantajlara sahiptir. Dolayısıyla, organik/polimer ara tabakası kullanılarak hazırlanmış olan bu Schottky diyotlar, uygulamalarda MIS/MOS tipi dedektörler yerine MPS tipi dedektörler olarak başarılı bir şekilde kullanılabilirler.

Abstract:
In this study, Al/(ZnO-PVA)/p-Si (MPS) type Schottky diodes (SDs) were prepared instead of traditional insulating interfacial layered metal-semiconductor (MS) structures. To investigate the radiation effects on them, current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/𝜔-V) characteristics of these diodes were measured before irradiation and after various gamma irradiation doses. Thus, current-dependent basic diode parameters such as zero-bias barrier height (𝛷B0), ideality factor (n) and reverse saturation current (I0) were obtained using ln(I)-V characteristics. In addition, other important parameters such as series resistance (Rs), shunt resistance (Rsh) and rectification ratio (RR), which represent the diode quality, were also calculated using the I-V measurements. In order to understand the effects of some parameters on the diode and their radiation-related variations correctly, the Rs, n and 𝛷B0 values were obtained using the Cheung functions method as a second way and the Rs and 𝛷B0 values were obtained using the Norde functions method as a third way. Thus, the results obtained by three methods were compared and interpreted. On the other hand, other diode parameters such as diffusion potential (VD), the density of doping acceptor atoms (NA), Fermi energy level (EF), maximum electric field (Em), depletion layer width (WD), and barrier height (𝛷B) were calculated using the C-V and G𝜔-V characteristics which were measured at sufficient height frequency (f=500 kHz). These calculations  provided the opportunity to analyze gamma-irradiation effects in detail. Furthermore, surface states (Nss), calculated by two different methods (Castagne-Vapaille and Hill-Coleman), fully exposed the radiation behavior of the diode. Measurements and calculations have shown that Rs is more effective in the accumulation region and Nss is more effective especially in the depletion region. So, although all diode parameters were significantly affected by radiation, no significant defect or deterioration was observed under 0-60 kGy irradiation doses, which would prevent the operation of this MPS type SD. As a result, these diodes can be successfully used as MPS type detectors instead of MIS/MOS type detectors because of the advantages of the polymer interfacial layers in that polymer layers are cheaper, lighter and more flexible as well as requiring less energy consumption compared to the insulator/oxide layers.