PRODUCTION AND EVALUATION OF CONDUCTION MECHANISMS OF THE AU/(RUO2:PVC)/N-SI (MPS) STRUCTURES IN A WIDE RANGE OF ILLUMINATION AND FREQUENCY USING CURRENT-VOLTAGE AND IMPEDANCE-VOLTAGE MEASUREMENTS

Abstract

ABSTRACT

In this study, the RuO2-doped PVC composite structures were produced and used as an interfacial layer in the Au/n-Si (MS) Schottky structures to improve their photo response, electric and dielectric performance. The basic photovoltaic, electric, and dielectric factors of the fabricated Au/(RuO2:PVC)/n-Si (MPS) structure were analyzed from the I-V characteristics under various illumination levels and the impedance spectroscopy method, including capacitance/conductance (C and G/ω) data in wide ranges of voltage and frequency at room temperature in the dark.

The ideality factor (n), zero bias barrier height (ΦB0), inverse saturation current (Io), and both series and shunt resistances (RS and RSh) were evaluated using the I‒V data in the dark and definite illumination intensities. Also, the values of n, ΦB, and RS were obtained and compared with each other using Cheung and Norde functions. The energy distribution profile of interface states (NSS) were also extracted (NSS vs (EC - ESS)) with considering the voltage-dependent of ideality factor (n(V)) and zero barrier height (ΦB0 (V)). In addition, the photocurrent (IPh), photosensitivity (SPh), and photo-response (R) were calculated under various illumination intensities. The value of photocurrent in the reverse bias (IPh) increases with illumination intensity due to the creation of hole-electron pairs at the junction and their drifting in opposite directions. Also, the short circuit current (ISC), open circuit voltage (VOC), fill factor (FF), and efficiency (η) of the produced structure were obtained and found to be 6.4μA, 0.118 V, 46%, and 0.088 % at 50mW/cm2.

In addition, the capacitance/conductance (C-V-f and G/ω-V-f) data at room temperature in the dark were used to analyze the main electric and dielectric parameters. The depletion layer width (WD), barrier height (B(C-V)), the fermi energy level (EF), and the density of donor atoms (ND) were calculated using the reverse bias of C-2- V plot. Voltage-dependent profiles of the interface states (NSS) were also analyzed from the high-low frequency capacitance techniques (CHF-CLF). Finally, both the real and imaginary elements of the complex permittivity (εʹ and ε″), tangent loss (tan δ), ac electrical conductivity (σac), complex electric-modulus (M*), and complex impedance (Z*) were obtained by from C- V-f and G/ω-V-f measurements. The obtained higher values of εʹ and ε″ at low frequencies wear attributed to the existence of dipole polarizations and NSS.

According to these results, the organic interlayer (RuO2:PVC) has improved the photo response, electric and dielectric performance of the fabricated structures, and the structures are sensitive to illumination, frequency, and voltage. Therefore, the produced device can be used in electronic applications, such as photodiodes and photodetectors, and as a capacitor instead of a conventional MIS type structure.

ÖZET

Bu çalışmada, RuO2 katkılı PVC kompozit yapılar üretilmiş ve Au/n-Si (MS) Schottky yapılarında foto tepkiyi, elektrik ve dielektrik performansları iyileştirmek amacıyla arayüz tabakası olarak kullanılmıştır. Üretilen Au/(RuO2:PVC)/n-Si (MPS) yapısının temel fotovoltaik, elektrik ve dielektrik faktörleri; karanlıkta, oda sıcaklığında, geniş voltaj ve frekans aralıklarında kapasitans/iletkenlik (C ve G/ω) verileri dahil olmak üzere çeşitli aydınlatma seviyeleri ve empedans spektroskopi yöntemi altında I-V karakteristikleri analiz edilmiştir.

İdealite faktörü (n), sıfır bias bariyer yüksekliği (ΦB0), ters doyma akımı (Io) ve hem seri hem de şönt dirençler (RS ve RSh), karanlık ve belirli aydınlatma yoğunluklarında I‒V verileri kullanılarak değerlendirildi. Ayrıca n, ΦB ve RS değerleri Cheung ve Norde fonksiyonları kullanılarak elde edilmiş ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Arabirim durumlarının (NSS) enerji dağıtım profili de idealite faktörünün (n(V)) ve sıfır bariyer yüksekliğinin (ΦB0 (V)) voltaja bağlı olduğu dikkate alınarak (NSS'ye karşı (EC - ESS)) hesaplanmıştır. Ek olarak, çeşitli aydınlatma yoğunlukları altında fotoakım (IPh), fotosensitivite (SPh) ve foto-tepki (R) değerleri de hesaplanmıştır. Ters polarizasyondaki (IPh) fotoakımın değeri, eklemdeki delik-elektron çiftlerinin oluşması ve bunların zıt yönlerde sürüklenmesi nedeniyle aydınlatma yoğunluğuyla birlikte artmaktadır. Ayrıca üretilen yapının kısa devre akımı (ISC), açık devre gerilimi (VOC), doldurma faktörü (FF) ve verimi (η) elde edilmiş ve 50mW/cm2'de sırasıyla 6.4μA, 0.118 V, %46 ve %0.088 olarak bulunmuştur.

Ayrıca; karanlıkta ve oda sıcaklığında kapasitans/iletkenlik (C-V-f ve G/ω-V-f) verileri ana elektrik ve dielektrik parametrelerini analiz etmek için kullanılmıştır. Tükenme bölgesi genişliği (WD), bariyer yüksekliği (B(C-V)), fermi enerji seviyesi (EF) ve donör atomların yoğunluğu (ND), C-2-V grafiğinin ters eğilimi kullanılarak hesaplanmıştır. Arayüz durumlarının (NSS) voltaja bağlı profilleri de yüksek-düşük frekans kapasitans tekniklerinden (CHF-CLF) yararlanarak analiz edilmiştir. Son olarak, karmaşık geçirgenlik (εʹ ve ε″), teğet kaybı (tan δ), ac elektrik iletkenliği (σac), karmaşık elektrik modülü (M*) ve karmaşık empedansın (Z*) hem gerçek hem de imajiner öğeleri, C-V-f ve G/ω-V-f ölçümlerinden yararlanarak elde edilmiştir. Düşük frekanslarda elde edilen daha yüksek εʹ ve ε″ değerleri, dipol polarizasyonlarının ve NSS'nin varlığı ile açıklanmıştır.

Bu sonuçlara göre, çalışmada tasarlanan, üretilen ve kullanılan organik ara katman (RuO2:PVC); üretilen yarıiletken yapıların foto tepkisini, elektrik ve dielektrik performansını iyileştirmiştir ve üretilen yapıların aydınlatma, frekans ve gerilime duyarlı olmasını sağlamıştır. Bu nedenle üretilen cihaz, geleneksel MIS tipi yapı yerine fotodiyot ve fotodedektör gibi elektronik uygulamalarda ve kondansatör olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.