Rev. Phys. Appl. (Paris) 17, 133-143 (1982)
DOI: 10.1051/rphysap:01982001703013300

Analyse des propriétés de transport électrique dans le silicium sur isolant - Utilisation du pouvoir thermoélectrique

G. Ghibaudo et G. Kamarinos

Laboratoire de Physique des Composants à Semiconducteurs, ENSER, 23, rue des Martyrs, 38031 Grenoble Cedex, France

Abstract
The use of the thermoelectric power (TEP) for the study of the transport properties of inhomogeneous semiconductors is proposed. Particularly, in this work, the Silicon On Sapphire (SOS) of N type is considered as a reference and as a test material; indeed the SOS films are inhomogeneous in the direction of their epitaxial growth. In a first time a theoretical study of the electrical conductivity, the Hall effect and the TEP of such samples is presented ; the variations of the mobilities and the densities of free carriers with temperature in the different parts of the inhomogeneous samples are taken into account. A numerical theoretical model concerning semiconductors which can be considered as two (different) layers materials is established Using the above theoretical model a detailed comparison between the Hall effect and the TEP is performed. We show that the measurements of TEP are much more sensitive to transport inhomogeneities than Hall effect measurements. In the case of SOS, the study of the sensitivity of the TEP (S) and the electrical conductivity (σ) vs. the variations of the transport parameters, show that the combined measurements of σ and S can be sufficient for a satisfactory and efficient characterization of this material the main problem of which is, precisely, its epitaxial inhomogeneity. Experimental results performed on phosphorus doped SOS films are presented and analysed. The thickness of the films is about 0.7 μm; they are studied between 77 K and 360 K. The analysis of (σ, T) and (S, T) characteristics leads to the transport parameters as well as to the law of their variations. We deduce that the SOS samples are very satisfactorily represented by the main N type part and a degenerate, N+ type, thin layer ; the thickness of the N+ type transition (Si-Al2O3) layer is estimated on the order of 150 Å. The transition layer is either a overdoped and highly disturbed region or a strongly accumulated layer.

Résumé
L'utilisation du pouvoir thermoélectrique (PTE) pour l'étude des propriétés de transport des semiconducteurs inhomogènes est proposée lors de ce travail. Plus particulièrement le Silicium sur Saphir (SSI) de type N (couche mince de silicium, inhomogène dans le sens de sa croissance épitaxiale) sert de matériau de référence et de test. Une étude théorique d'abord, de la conductivité électrique, de l'effet Hall et du PTE de tels échantillons est présentée; les variations des mobilités et des densités de porteurs avec la température dans les différentes parties de l'échantillon inhomogène sont prises en considération. Un modèle théorique numérique pour des matériaux pouvant être considérés comme étant constitués de deux couches à propriétés différentes (matériaux bicouches) est ensuite établi. A l'aide de ce modèle théorique une comparaison détaillée entre l'effet Hall et le PTE relativement à leur pertinence pour l'étude d'un matériau bicouche est effectuée. Nous montrons ainsi que les mesures du PTE sont beaucoup plus sensibles aux inhomogénéités que les mesures d'effet Hall. Dans le cas du SSI l'étude de la sensibilité du PTE (S ) et de la conductivité électrique (σ) en fonction des variations des paramètres globaux de transport montre que les mesures conjuguées de σ et de S peuvent s'avérer suffisantes pour une caractérisation efficace et satisfaisante du matériau dont un des principaux problèmes est son inhomogénéité épitaxiale. Des mesures effectuées sur des échantillons de SSI dopés au phosphore sont ensuite présentées et analysées. Ces échantillons d'une épaisseur de 0,7 μm, sont étudiés dans une gamme de température de 77 K à 360 K. A partir des variations de leur conductivité électrique et de leur PTE nous déduisons leurs paramètres de transport (densités et mobilités des porteurs ainsi que leurs variations). Les échantillons étudiés correspondent bien au modèle théorique bicouche que nous avons élaboré. Ils présentent une structure N-N+. La couche dégénérée N+, d'une épaisseur déduite de 150 Å, constitue la région de transition entre le substrat isolant et la partie principale monocristalline du film. Elle pourrait être soit une région surdopée soit une couche d'accumulation forte.

PACS
7220J - Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators.
7220M - Galvanomagnetic and other magnetotransport effects semiconductors/insulators.
7220P - Thermoelectric effects semiconductors/insulators.
7340Q - Electrical properties of metal insulator semiconductor structures.

Key words
carrier mobility -- elemental semiconductors -- Hall effect -- sapphire -- semiconductor insulator boundaries -- silicon -- thermoelectric effects in semiconductors and insulators -- Si on sapphire -- carrier density -- electrical transport properties -- thermoelectric power -- inhomogeneous semiconductors -- transition layer