Magnetron saçtırma yöntemiyle hazırlanan metal/P-InP Schottky diyotların karakteristik parametrelerinin tavlama ve numune sıcaklığına bağlı değişimlerinin incelenmesi
Investigation of changes in caharacteristic parameters of metal/P-InP Schottky diodes prepared by magnetron sputter method depend on annealing and sample temperature
Yazar: KADİR EJDERHA
Danışman: PROF. DR. ABDULMECİT TÜRÜT ; PROF. DR. BAHATTİN ABAY
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
InP ikili yarıiletkeni, yaygın olarak kullanılan Si ve GaAs yarıiletkenlerine nazaran oldukça büyük taşıyıcı süratinden ötürü yüksek-güç ve yüksek-frekans elektroniğinde kullanılmaktadır. Metal-yarıiletken (MY) Schottky doğrultucular, düşük düz beslem voltajı ve anahtarlama hızlarından dolayı güç kaynağı endüstrisinde yıllardır kullanılmaktadır. Magnetron saçtırma, refraktori metal filmlerin kullanıldığı yüksek frekans, yüksek güç ve yüksek sıcaklık devre elemanı imalinde sıklıkla kullanılan bir tekniktir. Bu çalışmada, magnetron DC saçtırma yöntemi kullanılarak kobalt ve nikel refraktöri metalleri ile p-InP yarıiletkeni üzerinde Co/p-InP ve Ni/p-InP Schottky diyotları imal edildi. İmal edilen Co/p-InP ve Ni/p-InP Schottky diyotların akım-voltaj (I-V) karakteristiklerinin numune sıcaklığına (60-400 K) ve tavlama sıcaklığına (400, 600 ve 700oC) bağlılığı incelendi. Tavlanan numunelerin I-V karakteristikleri numunelerin oda sıcaklığında dengeye gelmesi için belli bir süre beklendikten sonra kaydedildi. Oda sıcaklığı I-V ölçümlerinden tavlanmamış numuneler için homojen engel yükseklikleri (EY) ve idealite faktörleri (n) hesaplandı. Oda sıcaklığı I-V karakteristiklerinden elde edilen homojen EY'nin Schottky metali ve tavlama sıcaklığına göre ciddi bir değişiklik göstermediği görüldü. Numune sıcaklığının fonksiyonu olarak kaydedilen I-V karakteristiklerinden elde edilen idealite faktörlerinin 1.00'den büyük değerleri MY arayüzeyindeki doğal oksit tabakasına atfedilerek I-V karakteristiklerinin klasik termoiyonik emisyon (TE) modeli ile izah edilemeyeceği sonucuna varıldı. Bu yüzden, tavlanmamış numunelerin I?V karakteristikleri doğal oksit tabakası varlığı durumunda dikkate alınan geçirgenlik katsayısı ?p = 1.76×10?3 değeri ile düzeltildi. Co/p-InP ve Ni/p-InP Schottky diyotların EY'nin azalan numune sıcaklığı ile azalması, EY'nin yanal inhomojenliğine atfedildi. Doğal oksit tabakasının etkisi düzeltilmeden önce Co/p-InP yapısının EY nin sıcaklığa bağlılığı arayüzey ikili Gauss dağılımına sahip EY modeli ile açıklandı. Bu yapı için geleneksel Richardson çiziminden elde edilen etkin EY değerlerinin de Schottky metaline göre ciddi bir değişiklik göstermediği görüldü. Gauss dağılımına sahip EY düşüncesinin geleneksel TE modeli ile birleştirilmesi ile modifiye edilen Richardson çizimlerinden elde edilen modifiye Richardson sabiti (A*), Co/p-InP yapısı için uygulanan tavlama sıcaklığıyla (600oC'ye kadar) bilinen (=60.0 A(cmK)-2) değerine yaklaşmıştır. Bununla birlikte, Ni/p-InP yapısı için elde edilen modifiye Richardson sabiti tavlamadan önce bilinen değere çok yakın iken artan tavlama sıcaklıklarında bu değerden gittikçe uzaklaşmıştır. 700oC'de tavlama işleminden sonra her iki numune doğrultucu özellik göstermesine rağmen, diyot parametreleri için makul değerler bulunamamıştır. Sonuç olarak, tavlama işlemi ile arayüzey hallerinin bertaraf edildiği Co/p-InP yapısının daha kararlı hale geldiği, bunun aksine, arayüzey hallerinin aktifleştiği Ni/p-InP yapısının daha düzensiz hale geldiği söylenebilir.

Abstract:
Binary semiconductor indium phosphide (InP) is used in high-power and high-frequency electronics because of its superior electron velocity with respect to the more common semiconductors silicon and gallium arsenide. Metal semiconductor (MS) Schottky rectifiers have a great role in power supply industry over years because of their very low forward voltage drop and switching speeds. Sputter deposition of refractory metal films is one of the widely used techniques for high frequency, high power and high temperature device fabrication. In this study, Co/p-InP and Ni/p-InP Schottky diodes have been fabricated by dc magnetron sputtering of cobalt and nickel refractory metals on p-InP substrates.It has been investigated the dependence of current-voltage (I-V) characteristics of Co/p-InP and Ni/p-InP Schottky diodes on sample temperature (60-400K) and annealing temperature (400, 600 and 700oC). The annealed samples were cooled from the annealing temperature down to room temperature, and then, their I-V characteristics were measured. The values of homogenous barrier height (BH) and ideality factor (n) were calculated from room temperature I-V characteristics for as-deposited Schottky diodes. It has been seen that homogeneous BH obtained from the room temperature measurements did not show a significant change with Schottky metals and annealing temperatures. From the I-V measurements as function of sample temperature, it has been seen that the characteristics of the devices cannot be explained by the classical thermionic emission (TE) theory due to the ideality factor values of the devices larger than unity, which indicate the presence of a native oxide layer at the MS interface. Therefore, for as-deposited devices, the I?V characteristics have been corrected for the effect of the native oxide layer with a transmission coefficient of ?p = 1.76×10?3. The decreasing value of BH for the Co/p-InP and Ni/p-InP structures with the decreasing sample temperature has been attributed to the presence of the lateral inhomogeneities of the BH. Before correcting for the effect of the native oxide layer, the BH inhomogeneity of Co/p-InP device has obeyed the double-Gaussian distribution of the BHs. Effective BHs are calculated from conventional Richardson plot did not show a significant change with Schottky metals. Modified Richardson constant (A*) obtained for Co/p-InP structure has been getting closer to the known value (=60.0 A(cmK)-2) up to annealing temperature at 600oC. But, modified Richardson constant obtained for the as-deposited Ni/p-InP structure was closer to the known value. By annealing at 700oC it did not give any reasonable diode parameters for the both devices, although they were showing rectifying properties. Therefore, it has been concluded that the thermal annealing process turn the Co/p-InP Schottky structures into more stable Schottky contacts by eliminating interface states. However, high temperature annealing process activates the interface states of the Ni/p-InP Schottky structure and makes them less stable.