Au/AgNiO/n-Si Yapılarının Düşük-Yüksek Frekanslı Kapasitanslarda Elektriksel Özelliklerinin, Voltaj Bağımlı Arayüz Durumlarının ve Seri Direncinin İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada Au/AgNiO/n-Si yapısının elektriksel karakteristikleri, oda sıcaklığında düşük (0,5 kHz) ve yüksek (500 kHz) frekanslarda 50 mV'luk adımlarla -3V/4V geniş bir voltaj aralığında kapasitans (C) ve iletkenlik ölçümleri (G/ω) kullanılarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, hem C hem de G/ω'nin seri direnç (Rs), arayüz durumları (Nss) ve (AgNiO) arayüz tabakasının varlığı nedeniyle frekans ve voltajla oldukça değiştiğini göstermektedir. Bu nedenle, Nss ve Rs'nin voltaj bağımlı eğrileri, ölçülen düşük frekanslı ve yüksek frekanslı C-V grafiklerinden sırasıyla Castagne & Vapaille ve Nicollian & Brews yöntemleri tarafından geliştirilen düşük-yüksek frekanslı kapasitans yöntemi kullanılarak çıkarılmıştır. Nss-V grafiği, gevşeme zamanlarına () bağlı olan Nss'nin özel bir yoğunluk dağılımı nedeniyle yaklaşık 2V'da net bir tepe göstermektedir. Doping verici atomları (Nd), difüzyon potansiyeli (Vd), Fermi enerjisi (EF), bariyer yüksekliği (ΦB), tükenme tabakası genişliği (WD) gibi bazı önemli temel elektriksel parametreler, 500 kHz için ters önyargı C−2-V grafiklerinin kesişim ve eğiminden hesaplandı. Rs'nin C ve G/ üzerindeki etkisini görmek için voltaj bağımlı profilleri düzeltildi. Elde edilen sonuçlar, üretilen Au/AgNiO/n-Si yapısının uygulamalarda metal/oksit/yarı iletken cihazlar yerine başarıyla kullanılabileceğini göstermektedir.

Keywords

• Au/AgNiO/n-Si yapılar
• İmpedans ölçümleri
• Arayüzey durumları ve seri direnç
• Düşük-yüksek frekans kapasitansı
• Temel elektrik parametreler
• Frekans ve voltaj bağımlılığı

Investigation Of Electrical Characteristics, Voltage-Dependent Interface States, And Series Resistance of Au/AgNiO/n-Si Structures Using Low-High Frequency Capacitances

Abstract

The study in question analyzed the electrical characteristics of the Au/AgNiO/n-Si structure utilizing capacitance (C) and conductance measurements (G/ω) in a wide voltage range of -3V/4V by 50 mV steps at low (0.5 kHz) and high (500 kHz) frequencies at room temperature. Experimental results indicate that each of the C and G/ω are quite change on frequency and voltage due to the presence of series resistance (Rs), the interface states (Nss), and the (AgNiO) interfacial layer. Therefore, while the voltage-dependent curves of Nss and Rs were extracted from the measured low-frequency and high-frequency C-V plots by using the low-high frequency capacitance method developed by Castangé & Vapaille and Nicollian & Brews methods, respectively. The Nss vs V graph shows a clear peak at about 2V due to a special density distribution of Nss that depends on their relaxation time (). Several key electrical parameters, including the doping donor atoms (Nd), potential of diffusion (Vd), energy of Fermi (EF), barrier height (Φb), depletion layer width (WD), were calculated from the intercept and slope of the reverse bias C−2-V graphs at 500 kHz. To see the effect of Rs on the C and G/, their voltage-dependent profile was corrected. The results gathered suggest that the produced Au/AgNiO/n-Si structure can be successfully used instead of metal/oxide/semiconductor devices in applications.

Keywords

• Au/AgNiO/n-Si structure
• Impedance measurements
• Interface states&series resistance
• Low-high frequency capacitance
• Key electrical parameters
• Frequency&voltage dependence

References

1. Abidinov, A., Afandiyeva, I., Bakhtiyarli, E., Altındal Yerişkin, S., & Hameed, S. (2025). Comprehensive Investigation of Negative Capacitance and Inductive Behavior in Pure and 3% and 5% Ni-Doped PVP-Based Au/n-Si (MS) Schottky Diodes (SDs). ACS Applied Electronic Materials, 7(20), 9399-9407. doi:10.1021/acsaelm.5c01377
2. Al-Ahmadi, N. (2020). Metal oxide semiconductor-based Schottky diodes: a review of recent advances. Materials Research Express, 7, 032001. doi:10.1088/2053-1591/ab7a60
3. Alsmael, J., Uygun, N., Altındal Yerişkin, S., & Tan, S. O. (2024). Impedance and Interface States Depending on Frequency Analysis of Al/(ZnFe2O4-PVA)/p-Si Structures. Duzce University Journal of Science and Technology, 12(4), s. 1964-1976. doi:10.29130/dubited.1395252
4. Altındal Yerişkin, S. (2019). Effects of (0.01Ni-PVA) interlayer, interface traps (Dit), and series resistance (Rs) on the conduction mechanisms(CMs) in the Au/n-Si (MS) structures at room temperature. Iğdır Univ. J. Inst. Sci. & Tech., 9(2), s. 835-846. doiF:10.21597/jist.521351
5. B.L. Sharma. (1984). Metal-semiconductor Schottky Barrier Junctions and Their Applications. New York: Plenum Press.
6. Baştuğ, A., Khalkhali, A., Sarıtaş, S., Yıldırım, M., Güçlü, Ç. Ş., & Altındal, Ş. (2025). Electrical properties, conduction mechanisms, and voltage dependent curves of interface traps, series resistance in Au/(Sn:Fe2O3)/n-Si structures using impedance measurements. J Mater Sci: Mater Electron(36), p. 941. doi:10.1007/s10854-025-14911-y
7. Bengi, S., Yükseltürk, E., & Bülbül, M. M. (2023). Investigation of electrical characterization of Al/HfO2/p-Si structures in wide temperature range. J. Mater. Sci. Mater. Electron(34), s. 189. doi:10.1007/s10854-022-09613-8
8. Castagné , R., & Vapaille, A. (1971). Description of the SiO2Si interface properties by means of very low frequency MOS capacitance measurements, (Cilt 28). doi:10.1016/0039-6028(71)90092-6

9. Cheung SK, C. N. (1986). Cheung SK, Cheung Comparison of Parameter Extraction Tecniques for SiC Schottky Diodes. Applied Physics Letters, 49, s. 85-87.
10. Delen, N., Taşçıoğlu, İ., Altındal Yerişkin, S., & Özbay, A. (2024). Voltage Dependent Profiles of the Surface States and Series Resistance (Rs) in the Al-(Cd:ZnO)-pSi Schottky Diodes (SDs) Utilizing Voltage-Current (IV) Characteristics. (37), s. 457-463. doi:10.35378/gujs.1218206
11. Erbilen Tanrıkulu, E. (2019). Al/CdZnO/p-Si (MIS) Yapısının Voltaja Bağlı Arayüzey Durumlarının ve Bu Durumların Gevşeme Sürelerinin Admitans Metodu İle İncelenmesi. Iğdır University Journal of the Institute of Science and Technology, 9(3), s. 1359-1366. doi:10.21597/jist.534345
12. Güçlü, Ç. Ş., Altındal, Ş., & Erbilen Tanrıkulu, E. (2024a). Voltage and frequency reliant interface traps and their lifetimes of the MPS structures interlayered with CdTe:PVA via the admittance method. Physica B: Condensed Matter(677), s. 415703. doi:10.1016/j.physb.2024.415703
13. Güçlü, Ç. Ş., Erbilen Tanrıkulu, E., Dere, A., Altındal, Ş., & Azizian Kalandaragh, Y. (2023). A comparison of electrical characteristics of the Au/n Si Schottky diodes with (ZnCdS:GO(1:1) and (ZnCdS:GO(1:0.5) doped PVP interlayer using current–voltage (I–V) and impedance–voltage (Z–V) measurements. J Mater Sci: Mater Electron(34), s. 1909. doi:10.1007/s10854-023-11302-z
14. Güçlü, Ç. Ş., Erbilen Tanrıkulu, E., Ulusoy, M., Azizian Kalandargh, Y., & Altındal, Ş. (2024b). Frequency-dependent physical parameters, the voltage-dependent profile of surface traps, and their lifetime of Au/(ZnCdS-GO:PVP)/n-Si structures by using the conductance method. J Mater Sci: Mater Electron, 35(348). doi:10.1007/s10854-024-12111-8
15. Hameed, S. A., Berkün, Ö., & Altındal Yerişkin, S. (2024). On the Voltage Dependent Series Resistance, Interface Traps, and Conduction Mechanisms in the Al/(Ti-doped DLC)/p-Si/Au Schottky Barrier Diodes (SBDs). Gazi University Journal of Science Part A: Engineering and Innovation, 11(4), s. 235-244. doi:10.54287/gujsa.1405552
16. Nicollian, E., & Brews, J. (1982). Metal oxide semiconductor (MOS) physics and technology. New York. Norde H. (1979). A modified forward I-V plot for Schottky diodes with high series resistance. Journal of Applied Physics, 50(7), s. 5052-5053.
17. Orak, İ., & Koçyiğit, A. (2016). The Electrical Characterization Effect of Insulator Layer between Semiconductor and Metal. Iğdır University Journal of the Institute of Science and Technology, 6(3), s. 57-67. doi:10.21597/jist.2016321840
18. Sato K, Y. Y. ( 1985). Study of forward I-V plot for Schottky diodes with high series resistance. Journal of Applied Physics, 58(9), s. 3655-3658.
19. Sharma, G. D., Sharma, S. K., & Roy, M. S. (2004). Photovoltaic properties of Schottky device based on dye sensitized poly (3-phenyl azo methine thiophene) thin film. Thin Solid Films, 468, 208-215. doi:10.1016/j.tsf.2004.04.059
20. Sze, S., & Ng, K. (2006). Physics of Semiconductor Devices. New York: John Wiley & Sons Inc.
21. Tyagi, M., & Raj, B. (2024). Analysis of interface states in Zn/p NiO Schottky barrier diode. J Mater Sci: Mater Electron, 35, 1498. doi:10.1021/acsaelm.5c01377
22. V.R. Reddy, V. Manjunath, V., Janardhanam (2014). Electrical Properties and Current Transport Mechanisms of the Au/n-GaN Schottky Structure with Solution- Processed High-k BaTiO3 Interlayer. J. Electron. Mater. 43, 3499–3507. doi:10.1007/s11664-014-3177-3.
23. Yükseltürk, E., & Erbilen Tanrıkulu, E. (2024). Incorporation of chromium nanostructures into PVC interlayer to improve electrical features of Au/n-Si schottky diodes. Phys. Scr.(100), s. 0159a8. doi:10.1088/1402-4896/ad9fb8
24. Yükseltürk, E., & Zeyrek, S. (2023). Analysis of Series Resistance's (RS) Impact on Ag/Perylene/n-Si Schottky Barrier Diode (SBD) in Various Techniques. GU J Sci, Part A, 10(1), s. 70-77. doi:10.54287/gujsa.1216478
25. Yükseltürk, E., Çotuk, M., Zeyrek, S., Bülbül, M. M., & Altındal, Ş. (2019). The Investigation of Frequency and Voltage Dependence of Electrical Characteristics in Al/P3HT/p-Si (MPS) Structures. Materials Today: Proceedings, 19(5), s. 1842-1851. doi:10.1016/j.matpr.2019.06.672