Au/P3HT:PCBM/n-Si Schottky Bariyer Diyotlarda PCBM Konsantrasyonunun Kapasitans-Voltaj (C-V) ve İletkenlik-Voltaj (G/w-V) Karakteristiklerine Etkisi ve Dielektrik Özelliklerin İncelemesi

Abstract

Bu çalışmada, farklı P3HT:PCBM katkı oranları (4:1 ve 10:1) kullanılarak hazırlanan altın/poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester/n-tipi silisyum (Au/P3HT:PCBM/n-Si) metal–polimer–yarıiletken (MPY) Schottky bariyer diyotların (SBD) kapasitans-voltaj (C-V) ve iletkenlik-voltaj (G/w-V) karakteristikleri, oda sıcaklığında ve 1 MHz frekans değerinde karşılaştırılmıştır. 4:1 ve 10:1 P3HT:PCBM katkı oranlarına sahip numuneler için, C-V ve G/w-V ölçümlerinden arayüzey durum yoğunlukları (N_ss) ve seri dirençleri (R_S) hesaplanmıştır. Analiz sonuçlarına göre aktif katman (P3HT:PCBM) içerisindeki PCBM katkısının arttırılmasıyla yani 4:1 oranında P3HT:PCBM arayüzey kullanılarak üretilen MPY SBD daha ideal performans göstermiştir. Bu sonuç göz önüne alınarak, daha iyi bir performans sergileyen 4:1 P3HT:PCBM katkı oranına sahip Au/P3HT:PCBM/n-Si MPY SBD’nin frekansa bağlı dielektrik karakteristikleri, oda sıcaklığında 10 kHz-2 MHz frekans aralığında yapılan ölçümler ile incelenmiştir. 4:1 P3HT:PCBM oranı ile üretilen MPY SBD için C-V ve G/w-V ölçümleri kullanılarak, dielektrik sabit (ε'), dielektrik kayıp (ε''), kayıp tanjantı (tanδ), ac iletkenlik (s_ac) ve elektrik modülünün reel ve imajiner kısımları (M' ve M'') hesaplanmıştır. Buna göre, ε' ve ε'' değerleri frekansın artmasıyla azalmaktayken kayıp tanjantı değerlerinde ise frekansla neredeyse hiçbir değişim olmadığı gözlemlenmiştir. ε' ve ε'' değerlerinde frekansa bağlı olarak ortaya çıkan bu değişimin arayüzey polarizasyonundan kaynaklandığı düşünülmektedir. Diğer yandan, s_ac, M' ve M'' parametrelerinin ise artan frekans ile arttığı gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, Au/P3HT:PCBM/n-Si MPY SBD için bu parametrelerin güçlü bir şekilde frekansa bağlı olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte, bu çalışmada, P3HT:PCBM organik polimer karışımındaki PCBM katkı konsantrasyonun artmasıyla Au/P3HT:PCBM/n-Si MPY SBD’nin elektriksel analizi sonucunda daha ideal diyot davranışı gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu durum, Au/P3HT:PCBM/n-Si MPY SBD’larda arttırılan PCBM konsantrasyonu ile daha yüksek performansa sahip elektronik ve optoelektronik cihazlarının üretimine imkan sağlayacaktır.

Keywords

• Schottky bariyer diyot
• P3HT:PCBM arayüzey tabakası
• P3HT:PCBM katkı konsantrasyonu
• Kapasitans-voltaj (C-V) karakteristikleri
• İletkenlik-voltaj (G/w-V) karakteristikleri

Effect of PCBM Concentration on the Capacitance-Voltage (C-V) and Conductivity-Voltage (G/w-V) Characteristics in Au/P3HT:PCBM/n-Si (MPS) Schottky Barrier Diodes and Examination the Dielectric Properties

Abstract

In this study, the capacitance-voltage (C-V) and conductivity-voltage (G/w-V) characteristics of gold/poly(3- hexylthiophene):[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester/n-type silicon (Au/P3HT:PCBM/n-Si) metal– polymer–semiconductor (MPS) Schottky barrier diodes (SBDs) with different P3HT:PCBM mass ratios (4:1 and 10:1) were compared for the frequency value of 1 MHz at room temperature. Interface states and series resistance were calculated by C-V and G/w-V measurements for the 4:1 and 10:1 P3HT:PCBM mass ratio used diodes. The experimental results show that decreasing the value of P3HT:PCBM mass ratio improves the Au/P3HT:PCBM/n-Si diode quality. The preferable electrical results have been obtained for 4:1 P3HT:PCBM mass ratio used diode. For this reason, the following investigation that is dielectrical analysis were performed only for 4:1 P3HT:PCBM mass ratio used Au/P3HT:PCBM/n-Si MPS SBD in the frequency range of 10 kHz-2 MHz at room temperature. By using C and G/w measurements for 4:1 P3HT:PCBM mass ratio used MPS SBD, dielectric constant (ε'), dielectric loss (ε''), loss tangent (tanδ), ac conductivity (σac), and the real and imaginary parts of electric modulus (M' and M'') were calculated. From this calculation, ε' and ε'' parameters decrease with increasing frequency. However, there is a small change in tanδ values. On the other hand, σac, M' and M'' parameters increase by increasing the frequency. According to experimental results ε', ε'', σac, M' and M'' parameters are strongly function of the frequency for the Au/P3HT:PCBM/n-Si MPS SBD. Moreover, in this study increasing the PCBM concentration in P3HT:PCBM organic polymer blend improves the quality of the Au/P3HT:PCBM/n-Si MPS SBD. This increment of PCBM concentration in the Au/P3HT:PCBM/n-Si MPS SBD enables to fabricate of high quality electronic and optoelectronic devices.

Keywords

• Schottky barrier diode
• P3HT:PCBM interface
• P3HT:PCBM mass concentration
• Capacitancevoltage (C-V) characteristics
• Conductance-voltage (G/w-V) characteristics

References

1. S.M. Sze, K.K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3rd Ed., John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, (2007).
2. Z. Chiguvare, J. Parisi, V. Dyakonov Journal of Applied. Physics 94 (2003) 2440.
3. H. Hoppe, N.S. Sariciftci Journal of Materials Research 19(7) (2004) 1924-1945.
4. M. Turmuş, N tipi silisyum tabanlı altlık üzerine Pyrene (C16H10) maddesinin kaplanarak elde edilen yapıların akım iletim mekanizmaları, Yüksek Lisans Tezi, Bingöl Üniversitesi, Bingöl-Türkiye, (2014).
5. S Z. Nalçacıgil, Perylene türevi oranik yarıiletken ince filmlerin optik özelliklerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, Konya-Türkiye, (2011).
6. F. Boy, Organik arayüzeyli GaAs Schottky diyodların elektriksel karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, Konya-Türkiye, (2013).
7. B.L. Sharma (Ed.), Metal-Semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications, Plenum Press, New York, (1984).
8. N. Şimşir, Metal/organik/inorganik Schottky diyodların sıcaklığa bağlı elektriksel karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, Konya-Türkiye, (2012).

9. A.F. Özdemir, D.A. Aldemir, A. Kökçe, S. Altındal Synthetic Metals 159(14) (2009) 1427-1432.
10. S. Demirezen, Ş. Altındal Current Applied Physics 10(4) (2010) 1188-1195.
11. Ö. Tüzün Özmen Microelectronics Reliability 54(12) (2014) 2766-2774.
12. E.H. Nicollian, J.R. Brews, MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) Physics and Technology, John Willey and Sons, New York, (1982).
13. D.K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization, 2nd ed., John Wiley&Sons, New York, (1998).
14. S. Demirezen, Z. Sönmez, U. Aydemir, Ş. Altındal Current Applied Physics 12(1) (2012) 266-272.
15. U. Aydemir, Au/SrTiO3/n-Si (Mfs) Schottky diyotların elektriksel parametrelerinin I-V, C-V ve Dlts metodu ile incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara-Türkiye, (2009).
16. W.A. Hill, C.C. Coleman Solid-State Electronics 23(9) (1980) 987.
17. V.V. Daniel, Dielectric Relaxation, Academic Press, London, (1967).
18. A. Zaafouri, M. Megdiche, M. Gargouri J. Alloys Compd. 584 (2014) 152.
19. H.M. Zaki Physica B 363 (2005) 232.
20. A. Kaya, Ö. Vural, H. Tecimer, S. Demirezen, Ş. Altındal Curr. Appl. Phys. 14 (2014) 322.
21. C.P. Smyth, Dielectric Behavior and Structure, McGraw-Hill, New York, (1995).
22. K. Rajasekar, A. Subbarayan, R. Sathyamoorthy Solar Energy Materials and Solar Cells 90(15) (2006) 2515.
23. İ. Yücedağ, Metal-yalıtkan-yarıiletken (MIS) yapılarda elektrik ve dielektrik özelliklerinin sıcaklık ve frekansa bağlı incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara-Türkiye, (2007).
24. A. Kaya, Ş. Altındal, Y. Asar, Z. Sönmez Chinese Physics Letters 30(1) (2013) 017301.
25. P. Pissis, A. Kiritsis Solid-state Ion 97 (1997) 105.
26. K. Prabakar, S.K. Narayandass, D. Mangalaraj Phys. Status Solidi (A) 199(3) (2003) 507.
27. H.E. Aral, MIS yapıların dielektrik özelliklerinin frekans ve sıcaklığa bağlı incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara-Türkiye, (2010).
28. M. Popescu, I. Bunget, Physics of Solid Dielectrics (Materials Science Monographs, 19), Elsevier Science Ltd., (1984).
29. İ. Dökme, Ş. Altındal, M. Gökçen, Microelectronic Engineering 85 (9) (2008) 1910.