The effect of Embedded ZnO and Au Nanoparticles on Schottky Diode Characteristics
Date
2022-09-13
Authors
Mary Anton Hanna Mousallam
ميري أنطون حنّا مسلّم
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Al-Quds University
Abstract
Optoelectronic devices and their optimization, is highly dependent on the accuracy of determining the electrical properties of such devices. In the last decade, studies for next generation electronics have considered organic components and nanoparticles to be inserted in rectifiers for their forward and facile patterning, their adjustable molecular structure, lightweight, and flexibility, with the focus on integrating them in circuits which requires developing new ways to control the interference between semiconductors and metals as in the case of Schottky diodes.
The effect of interface modification with nanoparticles (NP) of a Metal/Semiconductor (MS) Schottky device will be discussed through parameters analysis such as Schottky Barrier Height (SBH) and ideality factor. Nanoparticles will be deposited on the surface of a semiconductor using controlled spin coating, followed by thermal evaporation for metal deposition to form the Schottky diode. Electrical characterization will be mainly carried out through current-voltage (I-V) characteristics. The modified surface of semiconductor with nanoparticles will be characterized to study the dependence of the conductivity behaviour of the metal/Nanoparticles/semiconductor device on the topography of the deposited nanoparticles on the semiconductor.
The effect of nanoparticles on the conductivity is studied using the current-voltage output curve characteristics both in the forward (positive voltage) and reverse (negative voltage) biases, and a diode model is used for fitting the data, hence information about Schottky Barrier Height (SBH) and ideality factor could be estimated in addition to the series resistance (Rs) and Shunt resistance (Rsh). Moreover, the effect of illumination on current-voltage characteristic have been carried out with samples tested in dark and light to study the effect of light induced current (Photocurrent).
A self-developed contact angle measurement method, was used to prove that the surface of the semiconductor was modified upon deposition of nanoparticles. Prior to process of the diode preparation, the surface of the semiconductor has been chemically etched to use a clean surface of all impurities and defects. Additionally, I put into service Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to identify the deposited nanoparticles placed on the surface of the semiconductor.
N-type Silicon (Si) was used as the semiconductor while Silver (Ag) and Gold (Au) were used as metals. ZnO and Gold nanoparticles were used as the embedded layers at the interface to modify the semiconductor Schottky diode. The following samples were used to complete and conclude this type of research, Ag/Si, Au/Si, Ag/ZnO(NP)/Si and Ag/Au(NP)/Si, Au/ZnO(NP)/Si and Au/Au(NP)/Si.
Contact angle measurement showed that the surface has been modified after the NP insertion by turning from hydrophobic to hydrophilic behaviour or even the inverse. FTIR showed the appearance of Gold and ZnO nanoparticles on the modified Silicon substrate.
The extracted SBH from I-V curves showed an acceptable range of 0.2V-0.8V for all devices. The highest was for the etched Ag/Si device. Ideality factor for Schottky diodes was found to be 1 for all devices. Rs and Rsh showed an increase upon nanoparticles insertion in the Schottky device.
I-V characteristics were used to study light effect on Schottky devices with nanoparticles and it shows a decrease of barrier height with a significant decrease in shunt and series resistance.
الكهرو ضوئيات وتحسينها الى أفضل حد ممكن، يعتمد بشكل كبير على دقة تحديد الخصائص الالكترونية لأجهزتها. ففي العقد الأخير، أصبحت دراسة الجيل الجديد من الالكترونيات تأخذ بعين الاعتبار المكونات العضوية والجزيئات على مقياس النانو، واضافتها الى المقومات الالكترونية نظراً لسهولة أساليب تصميمها المباشرة، وتركيبها القابل للتعديل، وكتلتها الخفيفة ومرونتها، مع التركيز على دمجها في دارات تتطلب تطوير أساليب جديدة في التحكم بالسطح البيني للشبه موصلات والفلزات في حالة الصمام الثنائي )ديود( الشوتكي.
في هذه الدراسة قامت الباحثة بمناقشة أثر تعديل السطح البيني بجزيئات النانو لديود الشوتكي المكون من الفلز وشبه موصل، وذلك من خلال تحليل معامل ارتفاع حاجز الشوتكي، وعامل المثالية، عن طريق إضافة جزيئات النانو على سطح شبه الموصل باستخدام طريقة الطلاء الدوراني، متبوعاً بالتسامي الحراري للفلز لتشكيل ديود الشوتكي، ووصفت الخصائص الالكترونية من خلال عمل قياسات التيار-الجهد، وتحديد خصائص سطح شبه الموصل المعدّل بوجود جزيئات النانو، وذلك لدراسة مدى اعتماد التوصيل الكهربائي للأجهزة المكونة من (الفلز- جزيئات النانو- شبه الموصل) على تضاريس جزيئات النانو التي تغطي سطح شبه الموصل.
لدراسة أثر جزيئات النانو على التوصيل تم وصف منحنى التيار والجهد في حالتي تزويد الدارة بالجهد الموجب (أمامي) والجهد السالب (الخلفي)، واستخدام نموذج الصمام الثنائي (الديود) لتركيب البيانات واستخراج المعاملات مثل ارتفاع حاجز شوتكي، والمعامل المثالي، والمقاومة على التوالي والمقاومة المجزئة للتيار الكهربائي. كما وتم عمل قياس تيار-جهد بوجود اضاءة من اجل تفسير التيار الحثي.
من ناحية أخرى، تم تطوير آلية لقياس زاوية الاتصال لإثبات التعديل على السطح عند وضع جزيئات النانو عليه، مع العلم أن سطح شبه الموصل تم معالجته من خلال محلول كيميائي للتخلص من الشوائب والعيوب. وذلك بالاستعانة بالتحليل الطيفي (فورييه) FTIR، لتحديد وتأكيد نوعية جزيئات النانو الموجودة على سطح شبه الموصل.
علاوة على ذلك، قامت الباحثة باستخدام شبه الموصل السيليكون، نوع n، واعتماد الفلزات من نوع الذهب والفضة، أما جزئيات النانو المعتمدة في الدراسة كانت أكسيد الزينك والذهب ليتم تضمينها على شكل طبقات على السطح البيني لديود الشوتكي.
العينات التالية المستخدمة لاستكمال هذه الدراسة والخروج منها بالاستنتاجات هي:
Ag/Si, Au/Si, Ag/ZnO(NP)/Si, Ag/Au(NP)/Si, Au/ZnO(NP)/Si, Au/Au(NP)/Si.
أظهرت الدراسة أن قياس زاوية الاتصال أكد حدوث تعديلات على السطح نتيجة المواد الكيميائية واضافة جزيئات النانو، حيث تحول السطح من كاره للماء الى سطح محب للماء، كما وأظهرت نتائج التحليل الطيفي (فورييه) ظهور جزيئات الذهب وأكسيد الزينك على سطح السيليكون المعدّل كيميائياً، بالإضافة إلى أن قيم حاجز ديود الشوتكي المستخلصة كانت ضمن نطاق مقبول من 0.2 – 0.8 فولت لكل الأجهزة المصنعة، وأعلاها كانت للديود Ag/Si، الخالي من جزيئات النانو. وكذلك كانت قيمة معامل المثالية لكل الأجهزة المصنعة تساوي 1، بينما أظهرت إضافة جزئيات النانو على ديود الشوتكي زيادة في المقاومة على التوالي والمقاومة المجزئة للتيار. على أن قياسات التيار والجهد في حالة وجود الإضاءة على الديود أظهرت تناقصاً في قيمة ارتفاع حاجز شوتكي وانخفاضاً ملحوظاً في المقاومة على التوالي ومقاومة تجزئة التيار.