PREPARATION OF AL/p-Si STRUCTURES WITH ZnFe2O4 DOPED PVA INTERLAYER AND INVESTIGATION OF ELECTRICAL AND DIELECTRIC PROPERTIES IN WIDE RANGE OF FREQUENCY AND VOLTAGE

Abstract

ABSTRACT

In this study, it is aimed to reveal the reliability and performance of the organic interlayered metal-semiconductor (MS) structures and its electronic components by investigating the electrical, dielectric and admittance chararacteristics. In this context, instead of using traditional dielectric/interlayer structures at MS interface, ZnFe2O4-PVA is preferred as an interlayer. For this reason, many studies have been performed including various electrical, dielectric and input parameters. Al/p-Si structures with ZnFe2O4-PVA interlayer prepared by electrospinning method were investigated by using capacitance and conductance (C&G/) data in a wide frequency range of 0.5kHz-3000kHz and voltage range of ±4V. The voltage dependent C&G/ data of Al/(ZnFe2O4-PVA)/p-Si structure was compared and analyzed at low and high frequencies such as 10kHz and 1000kHz. It is noted that in the resulting capacitance-

voltage (C-V) curves, a peak in the negative direction is observed, which can be categorized as negative capacitance (NC) behavior. NC is a phenomenon that occurs at relatively lower frequencies and is mostly produced by injection of minority carriers, surface states (NSS), and series resistance (RS). Due to the different values of the relaxation times () and the NSS distribution, the NC behaves differently at low and high frequencies and loses its activity with increasing frequency. The NSS distribution, which affects the electrical properties, was acquired by using three methods as admittance method, high/low frequency method, and Hill/Coleman method. In the admittance method, NSS and τ values were calculated from the maximum value of the parallel conductance (GP/) corresponding to the frequency for different voltages. In addition, the Nicollian/Brews method was used to calculate the RS values. Corrected capacitance (CC) and corrected conductance (GC/) graphs were created to eliminate the RS effect. C−2-V graphs were used at the inverse bias to determine the barrier height (B), Fermi energy level (EF), concentration of doped acceptor atoms (NA), depletion layer width (Wd), and maximum electric field (Em) in the range of 40-1000 kHz. In order to reveal the dielectric properties, complex dielectric constants (', ''), complex electric modulus (', "), tangent loss (tan), AC electrical conductivity (ac) and impedance values (*) were investigated in the ranges of 0.5kHz-3000kHz and ±4.0 V. Consequently, especially at low and moderate frequencies, such parameters as, NSS, polymer interlayer, dipoles or surface polarization affect the electrical and admittance parameters of the structure depending on the applied biases. In addition, dielectric parameters are considerably dependent on frequency and polarization, and its NC behavior at low frequencies reveals that the structure has extraordinary dielectric properties.

ÖZET

Bu çalışmada, organik ara tabakalı metal-yarı iletken (MS) yapıların ve elektronik bileşenlerinin elektriksel, dielektrik ve admittans özelliklerinin incelenerek güvenilirliğinin ve performansının ortaya çıkarılması amaçlanmaktadır. Bu bağlamda MS arayüzünde geleneksel dielektrik/ara katman yapıları kullanmak yerine ara katman olarak ZnFe2O4-PVA tercih edilmiştir. Bu nedenle çeşitli elektriksel, dielektrik ve giriş parametrelerini içeren birçok çalışma yapılmıştır. Elektroeğirme yöntemiyle hazırlanan ZnFe2O4-PVA ara katmanına sahip Al/p-Si yapılar, 0.5kHz-3000kHz geniş frekans aralığında ve ±4V voltaj aralığında kapasitans ve iletkenlik (C&G/) verileri kullanılarak incelenmiştir. Al/(ZnFe2O4-PVA)/p-Si yapısının voltaj bağımlı C&G/ verileri 10kHz ve 1000kHz gibi düşük ve yüksek frekanslarda karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Ortaya çıkan kapasitans-voltaj (C-V) eğrilerinde, negatif kapasitans (NC) davranışı olarak kategorize edilebilecek negatif yönde bir tepe gözlemlendiğine dikkat çekilmektedir. NC, nispeten daha düşük frekanslarda meydana gelen ve çoğunlukla azınlık taşıyıcıların, yüzey durumlarının (NSS) ve seri direncin (RS) enjeksiyonu ile üretilen bir olgudur. Gevşeme sürelerinin () ve NSS dağılımının farklı değerleri nedeniyle, NC düşük ve yüksek frekanslarda farklı davranır ve artan frekansla aktivitesini kaybeder. Elektriksel özellikleri etkileyen NSS dağılımı, admittans yöntemi, yüksek/düşük frekans yöntemi ve Hill/Coleman yöntemi olmak üzere üç yöntem kullanılarak elde edilmiştir. Admittans yönteminde, farklı gerilimler için frekansa karşılık gelen paralel iletkenliğin (GP/) maksimum değerinden NSS ve τ değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca RS değerlerinin hesaplanmasında Nicollian/Brews yöntemi kullanılmıştır. RS etkisini ortadan kaldırmak için düzeltilmiş kapasitans (CC) ve düzeltilmiş iletkenlik (GC/) grafikleri oluşturulmuştur. C-2-V grafikleri 40-1000 kHz aralığında bariyer yüksekliğini (B), Fermi enerji seviyesini (EF), katkılı alıcı atomların konsantrasyonunu (NA), tükenme katmanı genişliğini (Wd) ve maksimum elektrik alanını (Em) belirlemek için kullanılmıştır. Dielektrik özelliklerini ortaya çıkarmak için karmaşık dielektrik sabitleri (', ''), karmaşık elektrik modülü (', "), tanjant kaybı (tan), AC elektriksel iletkenlik (ac) ve empedans değerleri (*) 0.5kHz-3000kHz ve ±4.0V aralığında incelenmiştir. Sonuç olarak, özellikle düşük ve orta frekanslarda, NSS, polimer ara katmanı, dipoller veya yüzey polarizasyonu gibi parametreler, uygulanan gerilime bağlı olarak yapının elektriksel ve admittans parametrelerini etkilemektedir. Ayrıca, dielektrik parametreleri de önemli ölçüde frekansa ve polarizasyona bağlı olup düşük frekanslardaki NC davranışı, yapının olağanüstü dielektrik özelliklere sahip olduğunu ortaya koymaktadır.