Metal-yalıtkan-yarı iletken (MIS) yapılarda elektrik ve dielektrik özelliklerinin sıcaklık ve frekansa bağlı incelenmesi
The investigation of frequency and temperature dependent electrical and dielectric properties in metal-insulator-semiconductor (MIS) structures
Yazar: İBRAHİM YÜCEDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstriyel Teknoloji Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, termal oksidasyon yoluyla büyütülmüş, 32 Ã kalınlıklı biryalıtkan/oksit arayüzey tabakasına sahip metal-yalıtkan-yarıiletken (Al/SiO2/p-Si) MIS yapı, (100) yönelimli, 280 Âµm kalınlıklı ve 8 â¦.cm özdirençli bor katkılı(p-tipi) tek kristal silikon üzerine oluşturuldu. Doğru ve ters beslem kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/Ï-V) ölçümleri, oda sıcaklığında, seri dirençÏ(Rs), arayüzey durum yoğunluğu (Nss) dikkate alınarak 10 kHz-10 MHzfrekans, (-5 V) - (+5 V) voltaj aralığında incelendi. Deneysel sonuçlar hemelektrik hem de dielektrik parametrelerin oldukça güçlü bir şekilde frekans vevoltaja bağımlı olduğunu göstermektedir. Her frekans için, C-V eğrileri bir pikvermekte ve bu pikin büyüklüğü ve yeri frekansa bağlı olarak değişmektedir.Aynı zamanda Rs-V dağılım profili tüketim bölgesinde düşük frekanslar için birpik vermekte ve bu pik artan frekansla kaybolmaktadır. Dielektrik sabiti Îµ' vedielektrik kayıp Îµ'' değerleri artan frekansla azalırken ac elektriksel iletkenlikÏac ise artmaktadır. Arayüzey durumları, özellikle düşük frekanslarda acsinyalini rahatlıkla takip edebildiğinden dolayı ilave bir kapasitans ve iletkenlikdeğeri sağlamakta ve bu katkı gevşeme zamanı ve uygulan ac sinyalininfrekansına bağlıdır.laveten, 53 Ã kalınlıklı yalıtkan arayüzey tabakasına sahip MIS yapının,dielektrik ve elektriksel özellikleri frekans ve sıcaklığa bağlı olarak 10 kHz-1MHz frekans ve 300-400 K sıcaklık aralığında incelendi. Dielektrik sabiti Îµ',dielektrik kayıp Îµ'' ve kayıp açı tanÎ´ değerlerinin artan sıcaklıkla arttığı fakatÎ´artan frekansla azalmakta olduğu gözlendi. AC elektriksel iletkenliğin (Ïac) iseÏhem frekans hem de sıcaklıkla artmakta olduğu gözlendi. Aktivasyon enerjisideğerleri hesaplandı ve elektriksel ölçümlerden elde edilen aktivasyon enerjisideğerleriyle iyi uyum içinde olduğu gözlendi. Sonuç olarak, C-V ve G/Ï-VÏölçüm sonuçları, Nss ve Rs değerlerinin MIS yapının hem elektriksel hem dedielektriksel özelliklerini önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir.Anahtar Kelimeler : MIS yapı, elektriksel ve dielektrik özellikler, yalıtkan tabakaarayüzey durumları, seri direnç, ac elektriksel iletkenlik,elektrik modülleri

Abstract:
In this study, metal-insulator-semiconductor (Al/SiO2/p-Si) MIS structure withinsulator layer thick 32 Ã, which growth by thermal oxidation have beenfabricated on boron doped (p-type) single crystal silicon wafer with (100)surface orientation, 280 Âµm thick and 8 â¦.cm resistivity. The forward andreverse bias capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G/Ï-V)Ïcharacteristics of these structures have been investigated taking into account theeffect of the series resistance (Rs) and surface states (Nss) over a wide frequencyand the voltage range of 10 kHz-10 MHz and (-5 V) - (+5 V), respectively, atroom temperature. Experimental results show that both electrical and dielectricparameters were strongly frequency and voltage dependent. For eachfrequency, the C-V plots show a peak and the change in frequency has effect onboth the intensity and position of the peaks. Also the distribution profile of Rs-Vplot gives a peak in the depletion region of low frequencies and disappears withincreasing frequencies. The dielectric constant (Îµ') and dielectric loss (Îµ'') arefound to decrease with increasing frequency while ac electrical conductivity(Ïac) is increased. The surface states can easily follow the ac signal especially atÏlow frequencies and yield an excess capacitance and conductance, whichdepends on the relaxation time of Nss and frequency of the applied ac signal.In addition, dielectric properties and electrical conductivity the MIS structurewith insulator layer thick 53 Ã were studied in the frequency and temperaturerange of 10 kHz-1 MHz and 300-400K, respectively. The values of Îµ', Îµ'' andtanÎ´ were found to increases with increasing temperature and decrease withincreasing frequency. Also the electrical conductivity (Ïac) is found to increaseÏfrequency and temperature. The activation energy values were evaluated and agood agreement between than activation energy values obtained fromconductivity measurements. In conclude that, both frequency and temperaturedependent C-V and G/Ï-V characteristics confirm that the Nss and Rs of theÏMIS structure are important parameters that strongly influence both theelectrical and dielectric properties of MIS structures.Key Words : MIS structures; Electrical and dielectric properties; Insulatorlayer, Surface states, Series resistance; ac electrical conductivity;electric modulus