سلوك الإشارة غير الطبيعي لمعامل القاعة في Al Heavily Doped P-Type 4H-SiC +

PAM-XIAMEN قادرة على توفير ركائز P-type 4H-SiC والرقائق الفوقي. يرجى الاتصال[email protected]لمعلمات محددة.

يعد تحضير ركائز من النوع p مخدرة بشدة بمقاومة منخفضة وجودة بلورية عالية أحد التحديات التقنية الرئيسية في عملية متابعة ترانزستورات البوابة ثنائية القطب المعزولة بقناة SiC N (IGBTs) ذات المقاومة المنخفضة. إن الفهم العميق لآلية توصيل الموجة الحاملة الداخلية هو الأساس النظري لتحسين مقاومة المواد. ومع ذلك، في حالة 4H-SiC المشبعة بالألمنيوم بكثافة (Al)، لوحظت تجريبيًا ظاهرة تتحدى الإدراك التقليدي لفيزياء أشباه الموصلات: يُظهر معامل هول RH(T) قيمًا سلبية عند درجات حرارة منخفضة. لا يحدث هذا السلوك غير الطبيعي في منطقة التوصيل القفزي فحسب، بل يمتد أيضًا إلى منطقة التوصيل التي يجب أن تهيمن عليها الثقوب، لتصبح مشكلة أساسية يجب معالجتها لفهم خصائص النقل الكهربائي الخاصة بها. ماتسورا وآخرون. قام بتحليل منهجي للأصل المادي لسلوك علامة معامل القاعة الشاذة في النوع p 4H-SiC.

1. الملاحظة التجريبية وظواهر معامل القاعة للنوع P 4H-SiC

في الطبقة الفوقي 4H-SiC المخدرة بـ Al الثقيلة، لوحظت قيم سلبية لـ RH (T) عند درجات حرارة منخفضة، ليس فقط في أقرب مناطق توصيل التنقل (NNH) ومناطق التوصيل المتغير المدى (VRH)، ولكن حتى في منطقة توصيل النطاق. مع زيادة تركيز الالمنيوم C_شركة، ترتفع درجة حرارة انعكاس الإشارة Tinv1 لـ RH (T) بشكل ملحوظ، حيث تصل إلى 187 كلفن. على سبيل المثال، عندما ج_شركة=1.8 × 10²⁰سم^-3، RH (T) سالب بين 187K و119K. هذه الظاهرة موجودة أيضًا في العينات المشوبة بـ Al-N، مما يشير إلى أنها لا علاقة لها بالتشويب بالنيتروجين.

الشكل 1: أرهينيوس من ρ (T) و∣RH(T)∣ تحت C مختلفة_شركة، توضح انتقال آلية التوصيل وتغيير علامة RH(T)

2. النموذج الفيزيائي لمعامل القاعة السالب في المناطق الموصلة

لشرح القيمة السلبية لـ RH (T) في منطقة التوصيل، اقترح الباحثون نموذج "السماح بـ Microstrip". في ظل المنشطات الثقيلة، تتداخل وظائف موجة الحالة المثارة لمستقبلات الألومنيوم بقوة، وتشكل سلسلة من خطوط الشرائح الدقيقة المسموح بها. تحتوي خطوط الأشرطة الدقيقة هذه على انحناءات مختلفة في علاقة زخم الطاقة: في الجزء السفلي من خط الأشرطة الدقيقة، ∂²ه/∂ك²>0، مما يؤدي إلى RH(T)<0؛ في الجزء العلوي من الشريط الصغير ونطاق التكافؤ، ∂²ه/∂ك²<0، مما يؤدي إلى RH(T)>0. تشغل الثقوب مناطق طاقة مختلفة عند درجات حرارة مختلفة، مما يسبب تغيرات في إشارة RH(T). على سبيل المثال، في نطاق درجة الحرارة المتوسطة، تشغل الثقوب بشكل أساسي الجزء السفلي من الشريحة الدقيقة الأولى المسموح بها، مما يؤدي إلى RH(T) سلبي.

الشكل 2: رسم تخطيطي لكثافة الحالات القريبة من نطاق التكافؤ لـ Al doped 4H-SiC. كثافة توزيع الحالات N (E) للألمنيوم الثقيل من النوع p 4H-SiC بالقرب من قمة نطاق التكافؤ (EV) الذي يقترحه النموذج النظري. يقدم هذا النموذج شريطًا صغيرًا مسموحًا به يتكون من حالات متحمسة لمستقبل الألومنيوم ويقسمه إلى ثلاث مناطق: المنطقة (I) هي نطاق التكافؤ مع معامل هول الإيجابي؛ المنطقة (II) هي الجزء السفلي من الشريط الصغير المسموح به الأول، مع معامل Hall سلبي؛ المنطقة (III) هي الجزء العلوي من أول شريط صغير مسموح به، مع معامل هول موجب.

3. آلية معامل القاعة السالبة من نوع SiC من النوع P في منطقة التوصيل السريع

في منطقة التوصيل NNH، اقترح الباحثون نموذجًا يعتمد على توزيع فيرمي ديراك. معامل القاعة R_هننه(T) يمكن التعبير عنها على النحو التالي:

حيث و(إ_أ) هو احتمال شغل الإلكترون على مستوى متقبل الألومنيوم E_أ. عندما ف (إ_أ)<0.5، ر_هننه(T)<0، عندما يكون مستوى فيرمي أقل من E_أ، معامل هول سلبي. يشرح هذا النموذج بنجاح الظاهرة السلبية لـ RH (T) في توصيل NNH عند درجات حرارة منخفضة ويتوافق مع البيانات التجريبية.

الشكل. 3 أرهينيوس للمقاومة ρ (T) (دائرة) ومعامل هول RH (T) (المربع الأحمر) لعينات SiC من النوع p 4H شديدة التنشيط المحضرة بطرق مختلفة وتركيزات المنشطات

4. التوصيل المتوازي متعدد الآليات وتعبير معامل القاعة

في القياسات الفعلية، قد تتعايش آليات التوصيل وNNH وVRH. يمكن التعبير عن المقاومة الإجمالية ρ (T) ومعامل هول RH(T) كمجموع مرجح للمساهمات من كل آلية:

في درجات الحرارة المنخفضة، إذا سيطر التوصيل القفزي و R_هننه<0، يُظهر إجمالي RH(T) قيمة سلبية.

الشكل 4: رسم تخطيطي لقفز الموجة الحاملة وتكوين جهد القاعة في توصيل NNH

من خلال تقديم نموذج "السماح Microstrip" ونموذج توصيل القفز استنادًا إلى موضع مستوى Fermi، نجح الباحثون في شرح الظاهرة الشاذة لمعاملات Hall السلبية في مناطق توصيل النطاق والتوصيل القفزي في Al doped p-type 4H SiC بشكل كبير. لا تعمل هذه النماذج على تعميق فهم آلية النقل الكهربائي لـ SiC فحسب، بل توفر أيضًا أساسًا نظريًا لتحسين تطبيقها في الأجهزة عالية الطاقة.

سواء كنت بحاجة إلى رقاقة 4H-SiC للبحث أو للتطبيقات الصناعية، يرجى الاتصال بنا عبر البريد الإلكتروني على[email protected] و [email protected].

 

مراجع:

1. ماتسورا، إتش، هيداكا، إيه، جي، إس، إيتو، كيه، إيشيدا، واي، ويوشيدا، إس (2023). معامل القاعة السالب في منطقة توصيل النطاق في Al-doped بشدة 4H-SiC. مجلة الفيزياء التطبيقية، 134(11).
2. ماتسورا، إتش، تاكيشيتا، إيه، هيداكا، إيه، جي، إس، إيتو، كيه، ميتاني، تي، … وأوكومورا، إتش (2020). علامة معامل هول في توصيل التنقل لأقرب جار في نوع Al-doped p-type 4H-SiC بشكل كبير. المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية، 59(5)، 051004.