[논문 리뷰] Anisotropic charge carrier mobilities in bulk silicon at high electric fields

Julian Becker, E. Fretwurst외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 26.

Silicon and Solar Cell Technologies참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 p⁺nn⁺ 다이오드에서의 시간-비행 측정을 통해, 다양한 결정 방향에서 전기장과 온도에 따른 실리콘의 전자 및 정공의 새로운 이동도 파rameter를 제시한다. 주요 기여는 옹근 및 포화 운반자 영역 사이의 전이 영역에서의 이방성 전하 운반자 이동도를 정량화한 것으로, -30 °C에서 50 °C 사이에서 전기장 및 결정 방향에 따라 상당한 이동도 변화를 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 결정 실리콘에서 전자 및 정공 이동도가 전기장과 온도에 따라 어떻게 변화하는지 정량화하는 것.
• 오믹 운반과 포화 속도 영역 사이의 전이 영역에서 결정 방향이 전하 운반자 이동도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 반도체 소자 모델링 및 시뮬레이션에 활용하기 위한 실험적으로 유도된 이동도 파rameter를 제공하는 것.
• 기존 이동도 모델을 다수의 결정학적 방향에서 전기장 및 온도 의존성을 포함하여 확장하는 것.

제안 방법

• 전기장가 가해진 상태에서 운반자의 이동을 추적하기 위해 평판형 p⁺nn⁺ 다이오드에서 시간-비행 측정을 실시하였다.
• 이동도에 대한 열적 영향을 평가하기 위해 -30 °C에서 50 °C의 온도 범위에서 측정을 수행하였다.
• 오믹 및 포화 운반 영역 사이의 전이 영역을 탐색하기 위해 전기장 강도를 2×10³ V/cm에서 2×10⁴ V/cm로 변화시켰다.
• 다이오드의 인트리닉 영역를 통과하는 운반자의 시간 지연으로부터 이동도를 추출하였다.
• 측정된 데이터를 분석하여 <100>, <110>, <111> 결정 방향에 대한 방향 의존성 이동도 파rameter를 유도하였다.
• 이동도를 전기장, 온도 및 결정 방향의 함수로 표현하기 위해 결과를 경험적 모델에 적합시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 온도에서 전기장이 증가함에 따라 실리콘 내 전자 및 정공의 이동도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 결정 방향이 고전기장 영역에서 전하 운반자 이동도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 고전기장 하에서 전자 및 정공의 이동도는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 측정된 이동도는 오믹과 포화 운반 영역 사이의 전이 영역에서 기존 이동도 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 실리콘 내 전자 및 정공 이동도는 특히 고전기장 영역에서 결정 방향에 따라 뚜렷한 이방성을 보인다.
• 이동도는 전기장 증가에 따라 감소하며, 이 감소율은 결정 방향에 따라 상당히 다르게 나타난다.
• 2×10⁴ V/cm 및 실온 조건에서 <100> 실리콘 내 전자 이동도는 <111> 방향보다 약 10% 낮다.
• 정공 이동도는 전자 이동도보다 더 뚜렷한 전기장 의존성을 보이며, 특히 <100> 및 <110> 방향에서 두드러진다.
• 이동도의 온도 의존성은 비선형적이며, 특히 0 °C 이하에서 이동도 감소가 두드러진다.
• 유도된 이동도 파rameter는 모든 측정된 방향과 전기장 강도에서 일관된 경향을 보이며, 실험적 접근의 타당성을 입증한다.