室温非欧姆区间的SiOx/Si的霍尔效应
时间：2020-06-27 03:29:00 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：在高电场下会出现离子记忆电阻效应、巨大磁电阻等一系列新颖的现象。它们通常源于材料在高电场下的软晶格性质。本文首次报道了硅在室温非欧姆区间的霍尔效应。实验表明，高电场下SiOx/Si的霍尔系数随外加电场强度变化。我们初步揭示高电场下表面超薄硅氧化物层中的空间电荷效应是引起该现象的主要原因。这对高电场下氧化物/硅基半导体器件的磁电输运测试有一定的指导意义。
Abstract：
Transport experiments under a high electric field show a variety of novel phenomena like the memory resistors effect of ion or the giant magnetoresistance. Often， they originate from the soft lattice properties of materials under high electric fields. Here， we report the first study on Hall effect of silicon in non-ohmic region at room temperature. Experiments show that the hall coefficient of SiOx/Si varies with the strength of the applied electric field. We preliminarily reveal that the space charge effect in the surface ultrathin silicon oxide layer under high electric field is the main cause of this phenomenon. It is a guide to the magnetoelectric transport measurement of oxide/silicon devices under high electric field.
關键词：非欧姆区间;表面超薄氧化层;空间电荷效应;霍尔效应
Key words：
non-ohmic region;surface ultra-thin oxide layer;space charge effect;Hall effect
中图分类号：TM386 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）15-0222-04
0 引言
固体在高电场下的电荷动力学因其重要的研究意义和在磁阻器件、电阻记忆器件等新兴技术领域的潜在应用而备受关注。当材料置于低电场时，载流子在外电场作用下做定向漂移运动，其I-V曲线呈缓慢的线性增长。而当其置于高电场时，材料中注入过量载流子，即出现了净余电荷，其I-V曲线出现偏离线性增长的现象，这种由于空间电荷限制而造成的电流性质称为空间电荷限制电流。在2009年，M. P. Delmo等人报道硅在高电场中的空间电荷效应导致了大的线性磁阻现象[1]。进一步研究表明，在高电场作用下，载流子的动态电离和填充过程引起了强的电-声相互作用，并伴随有虚声子过程和大晶格畸变现象[2-5]。此外，界面（或表面）缺陷对复合速率和非均匀性也有不可忽视的影响[6]。2019年，Xiong He等人在磁场作用下，在Ag/SiO2/p-Si肖特基异质结器件空间电荷区间，区分了界面电荷和体电荷的差异[7]。霍尔效应与磁电阻起源相同。
2011年Caihua Wan等人报道了SiOx/N-Si高电场下霍尔系数变号现象[8]。他们认为在高电场下被注入的空穴从样品的正极区开始漂移并与电子复合，样品中的空穴分布用描述，其中r代表与正极的距离。令，当r 1 两种载流子的霍尔效应 材料在正交电磁场作用下，洛伦兹力二级偏转电流与霍尔电场二级偏转电流的相互竞争会导致霍尔电压大小和符号变化。在半导体材料中存在载流子的漂移和扩散两种电荷输运过程[10]。其霍尔效应原理如图1所示，设（Jh）y、（Je）y分别表示y方向空穴和电子的电流密度，横向电场Ey沿+y方向。稳定时横向电流应为0。空穴电流密度包含两部分：由洛伦兹力引起的空穴电流密度沿+y方向，其值为：;由霍尔电场引起的空穴电流密度沿-y方向，其值为：，故总空穴电流密度可表示为。同理， 总电子电流密度为。稳定时即。所以，两种载流子的霍尔效应系数是： 由式（1）可知半导体的霍尔系数与两种输运载流子的密度及迁移率有关。当材料处于低电场（即迁移率可视为常数）时，RH与温度的关系如下：本征半导体，主要是价带中的热激活电子到导带上，有多少电子热激发到导带上，价带中就留下多少空穴，所以n=p，即RH<0。随着温度的升高，np增加，RH的绝对值减小。P型半导体，导带中电子数很少，所以RH>0;当温度升高后，本征激发的载流子随之产生，n逐渐增加，若，则RH=0;温度继续升高，，导致RH<0。由此可见，P型半导体在随温度的变化过程中，霍尔系数会出现变号情况。N型半导体，电子密度总是大于空穴密度，所以RH<0。在N-Si中，随着掺杂浓度的增加，有可能出现，但，所以N-Si中的霍尔系数不可能变号。 2 实验 2.1 样品制备 本实验选取由KMT公司提供的单面抛光硅片作为研究对象。硅片规格：N-Si（电阻率为ρ>1000Ω·cm）和P-Si （电阻率为ρ>1000Ω·cm），取向为（001），厚度為500μm。本实验中分为两类样品进行测试：A系列，在HF酸中浸泡两小时去除表面氧化层的硅片（具体操作流程同B系列样品制备流程前3步）;B系列，去除氧化层后采用射频磁控溅射沉积不同厚度的SiOx层及有自然氧化层的硅片。 B系列样品的具体制备流程如下： ①裁取合适大小硅片，用酒精超声3min，去除表面灰尘等污渍; ②将清洁好的硅片放入浓度不少于40%的HF酸中浸泡两小时，以达到去除表面自然氧化层的目的; ③取出已去除表面自然氧化层的硅片，再次用酒精超声3min，以确保硅片清洁; ④采用射频磁控溅射镀膜的方式，在本底真空为2×10-4Pa的真空腔内沉积不同厚度的SiO2层。 样品制备完成后，采用参考文献[2]的方式对A B系列样品进行压电极及退火。 2.2 实验配置 本实验中采用传统的四端法进行霍尔测试。样品尺寸为10mm×3mm，两条形电极之间间距为8mm，如图2所示。1、2端电极施加电流，3、4端电极测量霍尔电压。由于霍尔效应测试时不可避免的存在四种副效应，所以在确定的磁场和电场下实际测出的电压为UH、UO、UE、UN、UR，测量时调换电磁场方向取平均值可以大大减少这些副效应所导致的误差影响。 2.3 实验测试 采用Keithley 4200以及EMP-7电磁铁对样品进行及霍尔测试。本实验中，曲线测试采用的是二端法直流模式，选用的是相对功率高的模块4210-SMU，其最大电压为210V，最大电流为100mA;霍尔测试，调用三个模块，即4210-SMU输入电流值，另外两个模块测量霍尔电压值。实验中最大输入电流值为±400μA。 3 结果和讨论 如图3（a），通过A系列样品的I-V曲线可知铟电极与N-Si形成了欧姆接触，与P-Si是肖特基接触。室温下，P-Si的载流子迁移率为480cm2/Vs，接触区的电输运机制主要是多数载流子的热电子发射。对于金属-低掺杂浓度的半导体（P-Si）接触而言，接触电阻为，其中，k是玻尔兹曼常数，q是电子电荷量，A*是有效里查逊常数，？椎ns是势垒高度，T是温度。所以相同退火条件下铟电极不易与P-Si之间形成欧姆接触。图3（b）为样品在I=120μA时归一化的霍尔系数与磁场关系图（其中），随着磁场的增大霍尔系数单调下降。当磁场增大时，在洛伦兹力的作用下偏转的电子数目增加，依据公式（I）可知霍尔系数降低。插图给出了不同磁场下N-Si样品的RH-I数据。磁场越大，霍尔系数的波动性越小;在测量电流范围，样品的霍尔系数稳定。200-500K之间，N-Si的载流子密度可视为定常值[10]，故焦耳热对霍尔系数的影响可忽略。据此可以得出结论，A系列样品在高外场下的霍尔效应不随外加电场强度变化。 B系列样品中的P-Si电输运测试如图4所示。图4（a）所示的是不同厚度SiOx/Si样品在双对数坐标下的I-V曲线，并进行了归一化处理以作比对。与3（a）不同的是，该类样品在所测量电流范围内偏离了线性，这是由于SiOx中出现净余电场，进入了空间电荷限制电流区间。不同厚度的表面氧化层中的空间电荷分布不同，故显著影响样品的I-V曲线。空间电荷分布必然对样品的磁电输运有影响。图4（b）（c）（d）展示了不同氧化层厚度样品的RH-I曲线。图中散点是实验数值，曲线是拟合曲线。实验数值拟合方程是，其中，磁场的单位是T，电流的单位是mA，实验中三种厚度样品的k依次是0.005，0.003， 0.005。即表面有氧化层的样品的霍尔系数随外加电流呈e指数衰减。即氧化层中的空间电荷分布对高电场下的霍尔测试有影响，SiOx/Si样品的霍尔系数是外加电场强度函数。通过对比这三个样品的RH-I曲线，可以看出随表面SiOx厚度的增加，样品的RH值在递减。所沉积的氧化层存在杂质，厚度增加杂质也增多，在相同的测试范围输运载流子数目增多，所以RH减小。 图5是B系列样品中的N-Si电输运测试。其I-V曲线表明在所测试范围内样品进入了非欧姆区间。正如前文论述，N-Si样品的霍尔系数不随外电场变化，这在低电场强度条件下是严格成立的。图3（a）表面无氧化层的N-Si样品的I-V曲线表明施加的电流未能使样品进入空间电流限制区间，属于低电场情况，故其霍尔系数恒定不变（如图3（b）插图所示）。图5（b）中SiOx/N-Si样品的霍尔系数急剧下降，且RH与I吻合图4中SiOx/P-Si样品中的关系，其中k=0.02。表明无论是N-Si还是P-Si，在高电场下的霍尔测试中表面氧化物层的空间电荷分布影响不可忽略。 4 结论 本文对半导体硅开展了高电场下霍尔测量。结果表明，在完全去除表面氧化层的P-Si和N-Si中，其霍尔系数不随外加电场强度而改变。若表面存在自然氧化层，SiOx/P-Si的霍尔系数随外加电流呈e指数衰减。完全去除表面氧化层后，在P-Si表面沉积一定厚度的SiO2（0～100nm），发现其霍尔系数随外加电流的变化趋势与存在自然氧化层的P-Si样品变化趋势一致。表面超薄的SiOx层厚度变化对高电场下的非线性I-V曲线有明显影响。说明SiOx层非欧姆区间的空间电荷效应是高电场下SiOx/P-Si霍尔测试出现异常的主要原因。在有SiO2层的N-Si中也观察到了一致现象。超薄氧化物/硅基结构中的氧化物层的空间电荷效应对该体系的磁电输运特性有调制作用。 参考文献： [1]Michael P. Delmo，Shinpei Yamamoto，Shinya Kasai，et al. Large positive magnetoresistive effect in silicon induced by the space-charge effect[J]. NATURE，2009，457：1112-1115. [2]Y. Liu，H. Wang，X. Jin，et al. The space charge limited current and huge linear magnetoresistance in silicon[J]. Scientific Reports，2018，8：775. [3]Zhang， X. G. & Pantelides， S. T. Theory of Space Charge Limited Currents[J]. Physical Review Letters， 2012，108：266602. [4]Basile， A. F. & Fraboni， B. Numerical modeling of current-voltage characteristics to extract transport properties of organic semiconductors[J]. Journal of Applied Physics，2014，116：194507. [5]Patterson， D. J. & Bailey， B. C. Solid-State Physics （Springer Berlin Heidelberg， New York， 2005）. [6]Jiaojiao Chen，Hong-Guang Piao，Zhaochu Luo，et al. Enhanced linear magnetoresistance of germanium at room temperature due to surface imperfection[J]. APPLIED PHYSICS LETTERS，2015，106：173503. [7]Xiong He，Bin He， Han Yu，et al. Separating interface magnetoresistance from bulk magnetoresistance in silicon-based Schottky heterojunctions device[J]. Journal of Applied Physics，2019，125：224502. [8]Caihua Wan，Xiaozhong Zhang，Xili Gao，et al. Geometrical enhancement of low-field magnetoresistance in silicon [J]. NATURE，2011，477：304-307. [9]Michael P. Delmo，Eiji Shikoh，Teruya Shinjo，et al. Bipolar-driven large linear magnetoresistance in silicon at low magnetic fields[J]. PHYSICAL REVIEW B，2013，87：245301. [10]劉恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2017：325-326，107，73. 作者简介：张咪（1995-），女，山西吕梁人，硕士，研究方向为低维材料电输运。
