Al 高濃度ドープ P 型 4H-SiC におけるホール係数の異常な符号挙動

Al 高濃度ドープ P 型 4H-SiC+ におけるホール係数の異常な符号挙動

PAM-XIAMEN は P 型 4H-SiC 基板とエピタキシャルウェーハを供給できます。ご連絡ください[email protected]特定のパラメータの場合。

低抵抗で高結晶品質の高濃度ドープ p 型基板を準備することは、より低いオン抵抗の SiC N チャネル絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) を追求するプロセスにおける重要な技術的課題の 1 つです。内部キャリア伝導メカニズムを深く理解することは、材料の抵抗率を最適化するための理論的基礎となります。しかし、アルミニウム(Al)を高濃度にドープしたp型4H-SiCでは、ホール係数RH(T)が低温で負の値を示すという、従来の半導体物理学の認識に挑戦する現象が実験的に観察されました。この異常な動作はジャンプ伝導領域で発生するだけでなく、正孔が支配的であるはずの伝導領域にまで及び、その電気伝達特性を理解するために対処しなければならない中心的な問題となっています。松浦ら。は、p 型 4H-SiC における異常なホール係数の符号挙動の物理的起源を体系的に分析しました。

1. P型4H-SiCのホール係数の実験観察と現象

高濃度のAlをドープした4H-SiCエピタキシャル層では、最近傍ホッピング伝導（NNH）領域や可変範囲ホッピング伝導（VRH）領域だけでなく、バンド伝導領域でも、低温で負のRH（T）値が観察されました。アルミニウム濃度Cの増加に伴い_アル、RH (T) の符号反転温度 Tinv1 は大幅に増加し、最大 187K に達します。例えばCの場合_アル=1.8×10²⁰cm^-3, RH (T) は 187K と 119K の間で負になります。この現象は、Al-N 共ドープサンプルにも存在し、窒素共ドーピングとは関係がないことを示しています。

図 1 異なる CAI の下での ρ (T) と ∣RH(T)∣ のアレニウス。伝導機構の遷移と RH(T) の符号変化を示す

図 1 異なる C における ρ (T) と ∣RH(T)∣ のアレニウス_アル、伝導機構の遷移と RH(T) の符号変化を示します。

2. 導電領域における負のホール係数の物理モデル

伝導領域の RH (T) の負の値を説明するために、研究者は「Allow Microstrip」モデルを提案しました。 Al を高濃度にドーピングすると、アルミニウムアクセプタの励起状態の波動関数が強く重なり合い、一連の許容されたマイクロストリップラインが形成されます。これらのマイクロストリップラインは、エネルギー運動量の関係において異なる曲率を持っています。マイクロストリップラインの下部では、∂²E/∂k²>0、RH(T)<0 となります。マイクロストリップの上部と価電子帯では、∂²E/∂k²<0、RH(T)>0 となります。正孔は異なる温度で異なるエネルギー領域を占有し、RH(T) 符号の変化を引き起こします。たとえば、中間の温度範囲では、ホールは主に最初に許可されたマイクロストリップの下部を占め、その結果 RH(T) が負になります。

図2 Alドープ4H-SiCの価電子帯近傍の状態密度の模式図

図2 Alドープ4H-SiCの価電子帯付近の状態密度の模式図。理論モデルによって提案された、価電子帯トップ (EV) 付近のアルミニウムを高濃度にドープした p 型 4H-SiC の状態密度 N(E) 分布。このモデルは、アルミニウムアクセプタの励起状態によって形成される許容可能なマイクロストリップを導入し、それを 3 つの領域に分割します。領域 (I) は、正のホール係数を持つ価電子帯です。領域 (II) は、最初に許可されたマイクロストリップの下部であり、負のホール係数を持ちます。領域 (III) は、最初に許可されたマイクロストリップの上部で、正のホール係数を持ちます。

3. P型SiCのジャンプ伝導領域における負のホール係数のメカニズム

NNH 伝導領域では、研究者はフェルミディラック分布に基づくモデルを提案しました。ホール係数 R_HNNH(T) は次のように表現できます。

ホール係数 RHNNH(T)

ここで f(E_あ) はアルミニウムのアクセプタ準位 E での電子占有の確率です。_あ。 f (E_あ)<0.5、R_HNNH(T)<0、フェルミ準位がEより低い場合_あ、ホール係数は負です。このモデルは、低温での NNH 伝導における RH(T) の負の現象をうまく説明しており、実験データと一致しています。

図 3 さまざまな方法とドーピング濃度で調製された高濃度ドープ p 型 4H SiC サンプルの抵抗率 ρ (T) (丸) とホール係数 RH (T) (赤い四角) のアレニウス

4. マルチ機構並列通電とホール係数表現

実際の測定では、伝導機構、NNH機構、VRH機構が混在する場合があります。総抵抗率 ρ (T) とホール係数 RH(T) は、各機構からの寄与の加重和として表すことができます。

低温では、ジャンプ伝導が支配的であり、R_HNNH<0 の場合、合計 RH(T) は負の値を示します。

図4 NNH導通におけるキャリアホッピングとホール電圧形成の模式図

「Allow Microstrip」モデルとフェルミ準位位置に基づくジャンプ伝導モデルを導入することにより、研究者らは、Al を高濃度にドープした p 型 4H SiC のバンド伝導およびジャンプ伝導領域における負のホール係数の異常現象を説明することに成功しました。これらのモデルは、SiC の電気伝達メカニズムの理解を深めるだけでなく、高出力デバイスでの応用を最適化するための理論的基礎も提供します。

研究用または産業用アプリケーションで 4H-SiC ウェーハが必要な場合は、次のアドレスまで電子メールでお問い合わせください。[email protected] と [email protected].

参考文献：

松浦洋、日高篤、治慎、衛藤和也、石田祐司、吉田晋 (2023)高濃度 Al ドープ 4H-SiC のバンド伝導領域における負のホール係数。応用物理学ジャーナル、134(11)。
松浦洋、竹下篤、日高篤、治哲、衛藤和也、三谷哲、… & 奥村博司 (2020)高濃度に Al ドープされた p 型 4H-SiC の最近傍ホッピング伝導におけるホール係数の符号。応用物理学雑誌、59(5)、051004。