Unormal tegnadfærd af Hall-koefficient i Al stærkt dopet P-Type 4H-SiC

Unormal tegnadfærd af Hall-koefficient i Al-stærkt dopet P-type 4H-SiC +

PAM-XIAMEN er i stand til at levere P-type 4H-SiC-substrater og epitaksiale wafere. Kontakt venligst[email protected]for specifikke parametre.

Forberedelse af stærkt dopede p-type substrater med lav modstand og høj krystalkvalitet er en af de vigtigste tekniske udfordringer i processen med at forfølge SiC N-kanal isolerede gate bipolære transistorer (IGBT'er) med lavere modstand. En dyb forståelse af den interne bærerledningsmekanisme er det teoretiske grundlag for optimering af materialeresistivitet. I kraftigt aluminium(Al)-doteret p-type 4H-SiC blev et fænomen, der udfordrede traditionel halvlederfysikkendelse, observeret eksperimentelt: Hall-koefficienten RH(T) udviser negative værdier ved lave temperaturer. Denne unormale adfærd forekommer ikke kun i springledningsområdet, men strækker sig endda til ledningsområdet, der burde være domineret af huller, og bliver et kerneproblem, der skal løses for at forstå dets elektriske transportegenskaber. Matsuura et al. analyserede systematisk den fysiske oprindelse af den unormale Hall-koefficienttegnadfærd i p-type 4H-SiC.

1. Eksperimentel observation og fænomener af Hall-koefficient af P-type 4H-SiC

I det 4H-SiC-epitaksiale lag doteret med tungt Al blev negative værdier af RH (T) observeret ved lave temperaturer, ikke kun i de nærmeste nabo-hoppelednings- (NNH) og variabelt område-hoppelednings- (VRH)-regioner, men selv i båndledningsområdet. Med stigningen af aluminiumkoncentrationen C_Al, stiger fortegnsvendingstemperaturen Tinv1 af RH (T) betydeligt og når op til 187K. For eksempel, når C_Al=1,8 × 10²⁰cm^-3, RH (T) er negativ mellem 187K og 119K. Dette fænomen eksisterer også i Al-N co-doterede prøver, hvilket indikerer, at det ikke er relateret til nitrogen-co-doping.

Fig. 1 Arrhenius af ρ (T) og ∣RH(T)∣ under forskellige CAl, der viser overgangen af ledningsmekanisme og fortegnsændringen af RH(T)

Fig. 1 Arrhenius af ρ (T) og ∣RH(T)∣ under forskellige C_Al, der viser overgangen af ledningsmekanismen og fortegnsændringen af RH(T)

2. Fysisk model for negativ hallkoefficient i ledende regioner

For at forklare den negative værdi af RH (T) i ledningsregionen foreslog forskere "Tillad Microstrip" -modellen. Under kraftig Al-doping overlapper de exciterede tilstandsbølgefunktioner af aluminiumacceptorer kraftigt og danner en række tilladte mikrostrip-linjer. Disse mikrostriplinjer har forskellige krumninger i energimomentumforholdet: i den nederste del af mikrostriplinjen, ∂²E/∂k²>0, hvilket resulterer i RH(T)<0; I den øvre del af mikrostrimlen og valensbåndet, ∂²E/∂k²<0, hvilket resulterer i RH(T)>0. Huller optager forskellige energiområder ved forskellige temperaturer, hvilket forårsager ændringer i RH(T)-tegn. For eksempel, i det mellemliggende temperaturområde, optager huller hovedsageligt den nederste del af den første tilladte mikrostrip, hvilket resulterer i en negativ RH(T).

Fig. 2 Skematisk diagram af tætheden af tilstande nær valensbåndet af Al-doteret 4H-SiC

Fig. 2 Skematisk diagram af tætheden af tilstande nær valensbåndet af Al-doteret 4H-SiC. Tætheden af tilstande N(E)-fordelingen af stærkt aluminiumdoteret p-type 4H-SiC nær valensbåndstoppen (EV) foreslået af den teoretiske model. Denne model introducerer en tilladt mikrostrip dannet af aluminiumacceptor-exciterede tilstande og opdeler den i tre områder: region (I) er valensbåndet med en positiv Hall-koefficient; Region (II) er den nederste del af den første tilladte mikrostrip med en negativ Hall-koefficient; Region (III) er den øverste del af den første tilladte mikrostrip med en positiv Hall-koefficient.

3. Mekanisme af P-type SiC negativ Hall-koefficient i springledningsregion

I NNH-ledningsregionen har forskere foreslået en model baseret på Fermi Dirac-fordelingen. Hall-koefficienten R_HNNH(T) kan udtrykkes som:

Hallkoefficient RHNNH(T)

Hvor f(E_EN) er sandsynligheden for elektronoptagelse på aluminiumsacceptorniveauet E_EN. Når f (E_EN)<0,5, R_HNNH(T)<0， Når Fermi-niveauet er lavere end E_EN, Hall-koefficienten er negativ. Denne model forklarer med succes det negative fænomen RH(T) i NNH-ledning ved lave temperaturer og er i overensstemmelse med eksperimentelle data.

Fig. 3 Arrhenius af resistivitet ρ (T) (cirkel) og Hall-koefficient RH (T) (rød firkant) af stærkt dopede p-type 4H SiC-prøver fremstillet ved forskellige metoder og dopingkoncentrationer

4. Multi Mechanism Parallel Conduction og Hall Coefficient Expression

I faktiske målinger kan lednings-, NNH- og VRH-mekanismer eksistere side om side. Den samlede resistivitet ρ (T) og Hall-koefficient RH(T) kan udtrykkes som den vægtede sum af bidrag fra hver mekanisme:

Ved lave temperaturer, hvis springledning dominerer og R_HNNH<0, den totale RH(T) viser en negativ værdi.

Fig. 4 Skematisk diagram af bærebølgehop og Hall-spændingsdannelse i NNH-ledning

Ved at introducere "Allow Microstrip"-modellen og springledningsmodellen baseret på Fermi-niveauposition, har forskere med succes forklaret det unormale fænomen med negative Hall-koefficienter i båndlednings- og springledningsregionerne i stærkt Al-doteret p-type 4H SiC. Disse modeller uddyber ikke kun forståelsen af SiC elektriske transportmekanismer, men giver også teoretisk grundlag for at optimere dens anvendelse i højeffektenheder.

Uanset om du har brug for 4H-SiC wafer til forskning eller til industrielle anvendelser, så kontakt os venligst e-mail på[email protected] og [email protected].

Referencer:

Matsuura, H., Hidaka, A., Ji, S., Eto, K., Ishida, Y., & Yoshida, S. (2023). Negativ Hall-koefficient i båndledningsområdet i stærkt Al-doteret 4H-SiC. Journal of Applied Physics, 134(11).
Matsuura, H., Takeshita, A., Hidaka, A., Ji, S., Eto, K., Mitani, T., … & Okumura, H. (2020). Tegn på Hall-koefficient i nærmeste-nabo-hoppeledning i stærkt Al-doteret p-type 4H-SiC. Japanese Journal of Applied Physics, 59(5), 051004.