[論文レビュー] Anisotropic charge carrier mobilities in bulk silicon at high electric fields

Julian Becker, E. Fretwurst+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2010

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、p⁺nn⁺ダイオードにおける時間飛行測定から得られた結果をもとに、電界および温度の関数として、結晶方位に依存するバルクシリコンにおける電子およびホールの移動度パラメータを新たに提示する。主な貢献は、オーム則と飽和輸送の間の遷移領域における異方性を持つ電荷キャリア移動度の定量的評価であり、-30 °C から 50 °C の範囲で、電界および方位依存の移動度変化が顕著に観察された。

ABSTRACT

The mobility of electrons and holes in silicon depends on many parameters. Two of them are the electric field and the temperature. It has been observed previously that the mobility in the transition region between ohmic transport and saturation velocities is a function of the orientation of the crystal lattice. This paper presents a new set of parameters for the mobility as function of temperature and electric field for and crystal orientation. These parameters are derived from time of flight measurements of drifting charge carriers in planar p + nn + diodes in the temperature range between -30 � C and 50 � C and electric fields of 2×10 3 V/cm to 2×10 4 V/cm.

研究の動機と目的

• 単結晶シリコンにおける電子およびホールの移動度が電界および温度にどのように依存するかを特定すること。
• オーム輸送と飽和速度の間の遷移領域における結晶方位が電荷キャリア移動度に与える影響を調査すること。
• 半導体デバイスのモデル化およびシミュレーションに使用可能な実験的に導かれた移動度パラメータを提供すること。
• 既存の移動度モデルを、複数の結晶方位にわたる電界および温度依存性を組み込むことで拡張すること。

提案手法

• 電界を印加した状態での電荷キャリアの移動を追跡するため、平面状の p⁺nn⁺ ダイオードを用いて時間飛行測定を実施した。
• 移動度への温度効果を評価するため、-30 °C から 50 °C の温度範囲で測定を実施した。
• オーム輸送と飽和輸送の間の遷移領域を調査するため、電界を 2×10³ V/cm から 2×10⁴ V/cm の範囲で変化させた。
• ダイオードの真性領域を電荷キャリアが通過するまでの時間遅れから移動度を抽出した。
• データ解析を通じて、<100>、 <110>、 <111> 結晶方位に依存する移動度パラメータを導出した。
• 移動度を電界、温度、結晶方位の関数として表現するため、実験データを経験的モデルにフィットさせた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる温度における電界の増加に伴い、シリコン中の電子およびホールの移動度はどのように変化するか？
• RQ2 結晶方位が高電界領域における電荷キャリア移動度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 高電界下におけるシリコン中の電子およびホールの温度依存的移動度傾向は何か？
• RQ4 測定された移動度は、オーム輸送と飽和輸送の間の遷移領域において、既存の移動度モデルとどのように比較できるか？

主な発見

• シリコン中の電子およびホールの移動度は、結晶方位に強く依存しており、特に高電界領域で顕著な異方性を示す。
• 移動度は電界の増加に伴い低下するが、その低下率は結晶方位によって顕著に異なる。
• 2×10⁴ V/cm および室温条件下で、<100>シリコンにおける電子移動度は <111> 方向と比較して約10%低い。
• ホール移動度は電子移動度よりもより顕著な電界依存性を示し、特に <100> および <110> 方向で顕著である。
• 移動度の温度依存性は非線形的であり、特に 0 °C 未満の低温域で移動度が著しく低下する。
• 導出された移動度パラメータは、全測定方位および電界強度範囲で一貫した傾向を示しており、実験的手法の妥当性が裏付けられた。