Hành vi dấu hiệu bất thường của hệ số Hall trong P-Type 4H-SiC pha tạp nặng Al

Hành vi dấu hiệu bất thường của hệ số Hall trong P-Type 4H-SiC pha tạp nặng Al +

PAM-XIAMEN có thể cung cấp chất nền 4H-SiC loại P và tấm wafer epiticular. Vui lòng liên hệ[email protected]cho các thông số cụ thể.

Chuẩn bị các chất nền loại p pha tạp nặng với điện trở thấp và chất lượng tinh thể cao là một trong những thách thức kỹ thuật quan trọng trong quá trình theo đuổi các bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện kênh N (IGBT) SiC với điện trở thấp hơn. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế dẫn truyền sóng mang bên trong là cơ sở lý thuyết để tối ưu hóa điện trở suất của vật liệu. Tuy nhiên, trong 4H-SiC loại p pha tạp nhôm(Al), một hiện tượng thách thức nhận thức vật lý bán dẫn truyền thống đã được quan sát bằng thực nghiệm: hệ số Hall RH(T) thể hiện giá trị âm ở nhiệt độ thấp. Hành vi bất thường này không chỉ xảy ra ở vùng dẫn nhảy mà thậm chí còn mở rộng đến vùng dẫn mà lẽ ra bị lỗ trống chi phối, trở thành vấn đề cốt lõi cần được giải quyết để hiểu các đặc tính truyền tải điện của nó. Matsuura và cộng sự. đã phân tích một cách có hệ thống nguồn gốc vật lý của hành vi ký hiệu hệ số Hall dị thường trong loại p 4H-SiC.

1. Quan sát thực nghiệm và hiện tượng hệ số Hall của 4H-SiC loại P

Trong lớp epiticular 4H-SiC pha tạp Al nặng, các giá trị âm của RH (T) được quan sát thấy ở nhiệt độ thấp, không chỉ ở vùng dẫn truyền nhảy vọt lân cận gần nhất (NNH) và các vùng dẫn truyền nhảy vọt phạm vi thay đổi (VRH), mà ngay cả trong vùng dẫn dải. Khi tăng nồng độ nhôm C_Al, nhiệt độ đảo dấu Tinv1 của RH(T) tăng lên đáng kể, đạt tới 187K. Ví dụ, khi C_Al=1,8 × 10²⁰cm^-3, RH (T) âm trong khoảng từ 187K đến 119K. Hiện tượng này cũng tồn tại trong các mẫu pha tạp Al-N, chứng tỏ nó không liên quan đến pha tạp nitơ đồng.

Hình 1 Arrhenius của ρ (T) và ∣RH(T)∣ dưới các CA khác nhau, thể hiện sự chuyển đổi cơ chế dẫn và sự đổi dấu của RH(T)

Hình 1 Arrhenius của ρ (T) và ∣RH(T)∣ dưới C khác nhau_Al, thể hiện sự chuyển đổi cơ chế dẫn truyền và sự đổi dấu của RH(T)

2. Mô hình vật lý của hệ số Hall âm trong vùng dẫn điện

Để giải thích giá trị âm của RH (T) trong vùng dẫn, các nhà nghiên cứu đã đề xuất mô hình “Cho phép vi dải”. Dưới sự pha tạp Al nặng, các hàm sóng trạng thái kích thích của các chất nhận nhôm chồng lên nhau mạnh mẽ, tạo thành một loạt các đường vi dải cho phép. Các đường vi dải này có độ cong khác nhau trong mối quan hệ động lượng năng lượng: ở phần dưới của đường vi dải, ∂²E/∂k²>0, dẫn đến RH(T)<0; Ở phần trên của vi dải và dải hóa trị, ∂²E/∂k²<0, dẫn đến RH(T)>0. Các lỗ trống chiếm các vùng năng lượng khác nhau ở nhiệt độ khác nhau, gây ra sự thay đổi dấu RH(T). Ví dụ, trong phạm vi nhiệt độ trung gian, các lỗ trống chủ yếu chiếm phần dưới của vi dải được phép đầu tiên, dẫn đến RH(T) âm.

Hình 2. Sơ đồ mật độ các trạng thái gần dải hóa trị của 4H-SiC pha tạp Al

Hình 2 Sơ đồ về mật độ các trạng thái gần dải hóa trị của 4H-SiC pha tạp Al. Mật độ phân bố trạng thái N(E) của 4H-SiC pha tạp nhôm nặng gần đỉnh dải hóa trị (EV) do mô hình lý thuyết đề xuất. Mô hình này giới thiệu một microstrip cho phép được hình thành bởi các trạng thái kích thích của chất nhận nhôm và chia nó thành ba vùng: vùng (I) là dải hóa trị có hệ số Hall dương; Vùng (II) là phần dưới của microstrip được phép đầu tiên, có hệ số Hall âm; Vùng (III) là phần trên của microstrip được phép đầu tiên, có hệ số Hall dương.

3. Cơ chế của Hệ số Hall âm SiC loại P trong Vùng dẫn bước nhảy

Trong vùng dẫn NNH, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một mô hình dựa trên phân bố Fermi Dirac. Hệ số Hall R_HNNH(T) có thể được biểu diễn dưới dạng:

Hệ số Hall RHNNH(T)

Trong đó f(E_Một) là xác suất chiếm chỗ của điện tử trên chất nhận nhôm mức E_Một. Khi f (E_Một)<0,5, R_HNNH(T)<0, Khi mức Fermi thấp hơn E_Một, hệ số Hall âm. Mô hình này giải thích thành công hiện tượng tiêu cực của RH(T) trong dẫn truyền NNH ở nhiệt độ thấp và phù hợp với dữ liệu thực nghiệm.

Hình 3 Arrhenius của điện trở suất ρ (T) (hình tròn) và hệ số Hall RH (T) (hình vuông màu đỏ) của các mẫu SiC 4H loại p pha tạp nặng được điều chế bằng các phương pháp và nồng độ pha tạp khác nhau

4. Dẫn song song đa cơ chế và biểu thức hệ số Hall

Trong các phép đo thực tế, cơ chế dẫn truyền, NNH và VRH có thể cùng tồn tại. Tổng điện trở suất ρ (T) và hệ số Hall RH(T) có thể được biểu thị bằng tổng đóng góp có trọng số từ mỗi cơ chế:

Ở nhiệt độ thấp, nếu sự dẫn truyền nhảy chiếm ưu thế và R_HNNH<0, tổng RH(T) hiển thị giá trị âm.

Hình 4 Sơ đồ nhảy sóng mang và hình thành điện áp Hall trong dẫn truyền NNH

Bằng việc giới thiệu mô hình “Cho phép Microstrip” và mô hình dẫn nhảy dựa trên vị trí mức Fermi, các nhà nghiên cứu đã giải thích thành công hiện tượng dị thường hệ số Hall âm trong vùng dẫn dải và vùng dẫn nhảy trong SiC loại p 4H pha tạp Al nặng. Những mô hình này không chỉ giúp hiểu sâu hơn về cơ chế truyền tải điện SiC mà còn cung cấp cơ sở lý thuyết để tối ưu hóa ứng dụng của nó trong các thiết bị công suất cao.

Cho dù bạn cần wafer 4H-SiC cho nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].

Tài liệu tham khảo:

Matsuura, H., Hidaka, A., Ji, S., Eto, K., Ishida, Y., & Yoshida, S. (2023). Hệ số Hall âm trong vùng dẫn dải trong 4H-SiC pha tạp Al nhiều. Tạp chí Vật lý ứng dụng, 134(11).
Matsuura, H., Takeshita, A., Hidaka, A., Ji, S., Eto, K., Mitani, T., … & Okumura, H. (2020). Dấu hiệu của hệ số Hall trong sự dẫn truyền nhảy vọt lân cận gần nhất trong 4H-SiC loại p pha tạp Al nặng. Tạp chí Vật lý Ứng dụng Nhật Bản, 59(5), 051004.