低電界および高電界における炭化ケイ素中のキャリア輸送機構と異方性の解明

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炭化ケイ素(SiC)中のキャリア輸送機構を明らかにするため、本年度は、低電界の正孔移動度にフォーカスした研究を行った。様々なドーピング密度を有するSiC(11-20)単結晶上にHallバー構造を作製し、広い温度範囲においてHall効果測定を行うことで、異方性を考慮した正孔移動度の評価に取り組んだ。その結果、c軸方向([0001]方向)の正孔移動度が、c軸垂直方向と比較して10%程度低いことを実験的に明らかにした。また、実験結果に基づき、正孔移動度の温度依存性・不純物密度依存性・輸送方向依存性を包括的に再現する経験式を決定した。これらの結果は、SiCデバイスの特性計算や最適設計に不可欠な指針である。さらに、正孔移動度の異方性の起源に関して、有効質量の異方性に着目した理論的検討を行った。実験的に得られた正孔移動度の異方性と、先行研究により得られている価電子帯頂上での有効質量の異方性が大きく乖離していることを踏まえ、厳密な比較のためには正孔のエネルギー分布を考慮に入れるべきだと着想した。結果として、SiCのバンド構造と正孔のエネルギー分布から計算された平均的な有効質量の異方性により、正孔移動度の異方性が定量的に説明できることを明らかにした。これらの知見および移動度の異方性の起源に関する解析手法は、他の異方性を有する半導体材料におけるキャリア輸送機構のさらなる理解にもつながる、有用な知見である。