---

Au/Bi4ti3o12/Sio2/N-Si (Mfıs) Yapıların Hazırlanması, Elektriksel Ve Dielektrik Özelliklerinin Frekans Vesıcaklığa Bağlı İncelenmesi

ÖZET
Metal-ferroelektrik-yalıtkan-yarıiletken (MFIS) yapının, frekans ve sıcaklıga
baglı kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) karakteristikleri, seri
direnç (Rs) ve yüzey durum (Nss) etkileri dikkate alınarak, sırasıyla 1 kHz-5
MHz frekans ve 80-400 K sıcaklık aralıgında incelendi. Nss ve Rs degerlerinin
önemli ölçüde frekans ve sıcaklıga baglı oldugu tespit edildi. Rs ve Nss’e baglı
olarak Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si yapının C-V-f ve G/w-V-f karakteristikleri,
özellikle düsük frekanslarda, genis bir frekans dagılımı göstermektedir, C-V-T
ve G/w-V-T grafikleri dogru beslemde Rs ve Nss’e baglı olarak anormal pikler
vermektedir. Bu piklerin pozisyonu yıgılma bölgesinden tüketim bölgesine
yönelmekte, kapasitans ve iletkenligin maksimum degerleri artan sıcaklıkla
artmaktadır. Ölçülen kapasitans (Cm) ve iletkenlik (Gm/w) degerleri MFIS
yapının gerçek kapasitans ve iletkenligini bulmak için, seri direnç etkisinden
dolayı düzeltilmistir. Her frekans için, Rs-V egrileri tersinim ve tüketim
bölgeleri arasında anormal pikler göstermekte ve pik pozisyonları artan
frekansla dogru beslem bölgesine kaymaktadır. C-2-V egrisinin, genis bir voltaj
bölgesinde dogrusal olması, arayüzey durumlar ve tersinim tabaka yüklerinin,
tüketim bölgesinde ac sinyali takip edemedigini göstermektedir. Nss artan
frekansla eksponansiyel olarak azalmaktadır. C-V ve G/w-V karakteristikleri
yarıiletkenle, yüzey durumlarının dengede olmasına baglı olarak beklenen
v
davranısı göstermektedir. MFIS yapı için dielektrik sabiti (G'), dielektrik kayıp
(G'') ve dielektrik kayıp açı (tanI) arastırılmıs ve C-V ve G/w-V ölçümlerinden
hesaplanmıstır. Dielektrik parametreler oldukça yüksek sıcaklıkta ve düsük
frekanslarda, frekans ve sıcaklıga hassasiyet göstermektedir. G' ve G'' artan
frekansla azalırken, artan sıcaklıkla artmaktadır. Arayüzey kutuplanması
düsük frekanslarda daha kolay gerçeklesebilmekte ve yarıiletken/yalıtkan
arayüzeyinde arayüzey durum yogunlugu sayısı, MFIS yapının dielektrik
özelliklerinin iyilestirilmesine katkı saglamaktadır.
Bilim Kodu :404.05.01
Anahtar Kelimeler :MFIS yapı; Sıcaklık ve frekansa baglılık; Dielektrik
.özellikler; Seri direnç; Yüzey durumları



THE PREPARATION OF Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si STRUCTURES,
INVESTIGATION OF THE ELECTRICAL AND DIELECTRIC
PROPERTIES BASED ON FREQUENCY AND TEMPERATURE
(Ph. D. Thesis)
Funda PARLAKTÜRK


ABSTRACT
The frequency and temperature dependent capacitance-voltage (C-V) and
conductance-voltage (G/w-V) characteristics of the metal-ferroelectricinsulator-
semiconductor (MFIS) structure were investigated by considering
series resistance (Rs) and surface state (Nss) effects in the frequency and
temperature ranges of 1 kHz-5 MHz and 80-400 K, respectively. The values of
Nss and Rs were determined to be strongly dependent on the frequency and
temperature. The C-V-f and G/w-V-f characteristics of Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si
structure show fairly large frequency dispersion especially at low frequencies,
the C-V-T and G/w-V-T plots exhibit anomalous peaks at forward bias due to
Rs and Nss. These peak positions shift from accumulation to inversion region
and the maximum values of the capacitance and conductance increase with
increasing temperature. The measured capacitance (Cm) and conductance
(Gm/w) values were corrected for the effect of series resistance to obtain the real
capacitance and conductance of MFIS structure. The Rs-V plots exhibit
anomalous peaks between inversion and depletion regions at each frequency
and peak positions shift towards positive bias with increasing frequency. The C-
2-V plot gives a straight line in wide voltage region, indicating that interface
states and inversion layer charges cannot follow the ac signal in the depletion
region. The Nss decreases exponentially with increasing frequency. The C-V and
vii
G/w-V characteristics show the expected behavior due to Nss in equilibrium with
the semiconductor. Dielectric constant (G'), dielectric loss (G'') and, dielectric loss
tangent (tanI) were studied for MFIS structure and calculated from C-V and
G/w-V measurements. The dielectric parameters were quite sensitive to
temperature and frequency at relatively high temperatures and at low
frequencies. The G' and G'' were decreasing with increasing frequency while
increasing with increasing temperature. The interfacial polarization can be
more easily occurred at low frequencies, and the number of interface states
density between semiconductor/insulator interfaces, consequently, contributes to
the improvement of dielectric properties of MFIS structure.
Science Code :404.05.01
Key Words :MFIS structure; Temperature and frequency dependence,
.Dielectric properties, Series resistance; Surface states

---------
ÇNDEKLER
Sayfa
ÖZET………………………………………………………………………………...iv
ABSTRACT…………………………………………………………………………vi
TESEKKÜR……………………………………………………………………......viii
5Ç5NDEK5LER………………………………………………………………………ix
Ç5ZELGELER5N L5STES5……………………………………………………...…xii
SEK5LLER5N L5STES5……………………………………………..…………….xiii
S5MGELER VE KISALTMALAR………………………………………………...xvi
1. G5R5S………………………………………………………………………………1
2. GENEL TANIMLAR VE METAL-FERROELEKTR5K-YALITKANYARI
5LETKEN (MFIS) YAPILARIN TEOR5S5…………………………………8
2.1. Tanımlar……………………………………………………………………….8
2.1.1. Metaller/5letkenler……………………………………………………...8
2.1.2.Ferroelektrik malzemeler ve özellikleri………………………………...8
2.1.3. 5letken, yalıtkan ve yarıiletken kavramları…………………………...12
2.2. Silisyum Kristalinin Temel Özellikleri……………….…........……………...16
2.3. MIS ve MFIS Yapılar……………………………………….………………..19
2.3.1. MIS yapı………………………………………………………………19
2.3.2. Gerçek MIS yapısı……………….……………………………………28
2.3.3. MFIS yapı…………………………………………………………….29
2.4. Analiz ve Karakterizasyon Yöntemleri……….……………………………...33
2.4.1. Yapısal analiz………………………………………………..………..33
2.4.2. Yüzey analizi yöntemleri……………………………………………..34
x
Sayfa
2.4.3. Kapasitans-voltaj ve iletkenlik-voltaj ölçümleri……………………...35
2.5. Dielektrikler……………………………………………………….…………36
2.5.1. Dielektrik malzemelere statik elektrik alanın etkisi………………......39
2.5.2. Dielektrik kutuplanma ………………………..………………………42
2.5.3. Dielektriklerde kutuplanma mekanizmaları………………………......48
2.5.4. Dielektriklerde elektrik alan ve dielektrik kayıp……………………..52
2.5.5. Dielektrik sabitinin hesaplanması…………………………………….60
3. DENEYSEL YÖNTEM…………………………………………………………..63
3.1. Deneysel Hazırlık…………………….…. .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ..63
3.1.1. MFIS Yapının olusturulması………………………………………….63
3.2. Fiziksel Karakterizasyon Teknikleri…………..………..…..………………. 65
3.2.1. X-ısınları kırınımı yöntemi (XRD)………………………...…………65
3.2.2. Atomik kuvvet mikroskopisi (AFM)…………………………………66
3.3. Elektriksel Karakterizasyon Teknikleri……………. ... ... .………….…. ..66
3.3.1. Frekansa baglı kapasitans voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V)
ölçümleri………………………...…………………………………....66
3.3.2. Sıcaklıga baglı kapasitans voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V)
ölçümleri……………………………………………………………...67
4. DENEYSEL SONUÇLAR……………………………………………….………68
4.1. Yüzey Morfolojisi ve Yapısal Analiz………………………………………..68
4.2. Frekans ve Sıcaklıga Baglı C-V ve G/w-V Ölçümleri……..…......................71
4.2.1. Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si(MFIS) yapının frekansa baglı elektriksel
karakteristikleri……………………………………………………….71
4.2.2. Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si(MFIS) yapının sıcaklıga baglı elektriksel
karakteristikleri………………………………………………..……..85
xi
Sayfa
4.3. Au/Bi4Ti3O12/SiO2/n-Si(MFIS) Yapının Frekans ve Sıcaklıga Baglı
Dielektrik Özellikleri………………………………………………………..90
4.3.1. Dielektrik özelliklerin frekansa baglı degisimi…...……...…………...91
4.3.2. Dielektrik özelliklerin sıcaklıga baglı degisimi……………………....96
5. SONUÇ………………………………………………………………………......99
KAYNAKLAR……………………………………………………………….……104
ÖZGEÇM5S………………………………………………………………….…….112

---