CN100495017C - 半导体材料的高温霍尔测量装置 - Google Patents
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Abstract
半导体材料的高温霍尔测量方法，在抽真空条件下进行加温测量半导体材料的参数。测量装置，包括磁场装置、测量控制电路、样品台、真空装置、加热电阻、样品台构成，设有密封容器，将样品台置于密封容器内、密封容器连接抽真空装置，在密封容器内的样品台设有加热电阻并与容器外的温控装置连接，且密封容器置于外加电磁铁的磁场内；样品台上设有电极探针，密封容器盖上设有用于通过电极探针向样品施加电流并测量从样品输出信号的电极引出孔，本发明装置可以在77K到773K温度范围内直接测量出或计算得到半导体样品的一些重要参数。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种可用于宽带隙半导体材料的霍尔(Hall)测量方法及测试装置，其测试温度范围从77K到773K。
二、背景技术
现有技术CN01145435.0，测量霍尔效应的装置，包括：将样品设置在其上的样品座；配置有样品座的样品容器；永磁体支架，在该支架中彼此面对地设立一对永磁体，永磁体支架与样品容器可接可拆地连接到样品容器，使得样品定位于一对永磁体之间；和霍尔电压测量装置，用于向样品施加电流并测量从样品输出的霍尔电压。
现有的用于半导体Hall测量的装置基本上是针对窄带隙如硅基和GaAs基半导体而设计的，其测试温度一般从液氮到室温，最多也不超过473K，这是因为这些窄带隙半导体的工作结温一般在573K以下。但是近十年来，III族氮化物，氧化锌以及碳化硅等宽带隙半导体材料得到了迅速发展，由于它们的工作结温往往超过873K以及高的电子迁移率等优越的物理性质，使它们在高温、高频、高功率的电子器件方面具有重要的应用价值，也由此使得这些材料在高温下的电阻率、迁移率等电学性质受到了相当的关注。因此，适合于研究这些宽带隙半导体在高温下的霍尔效应测量装置已成为必要。
因为在高温下需要解决引线和电极间接触的稳定性、引线和电极的氧化等问题，所以无法简单地通过改装以前用于窄带隙半导体Hall测量的装置来满足在高温下的Hall测量。
三、发明内容
本发明目的是：为了能够对宽带隙半导体材料进行高温下的Hall效应测试，本发明基于范德堡法测试原理，设计了可在77K-773K温度范围内同时进行电导和Hall效应测试的方法和装置，尤其是提供样品在真空条件下进行测量的方法，并可以进行自动测量。
本发明的技术方案是：半导体材料的高温霍尔测量方法，将置有样品的样品台密封在密封容器内、密封容器连接抽真空装置，在密封容器内样品台设有与温控装置连接的电加热炉，且密封容器置于外加电磁铁的磁场内。在抽真空条件下进行加温测量半导体材料的参数。
本发明采用电导霍尔联合测量模式，即在每个温度下同时采集电导和Hall效应两种数据，测霍耳时控制电磁铁磁场的大小，由正转负的过程中，为避免电流冲击过大，引入零磁场作为过渡，这期间正好可以测电导，与传统的Hall装置相比较大大提高了测量效率。所述外加电磁铁的磁场，通过改变电磁铁线圈的电流，使磁场大小在0～3600高斯范围内连续可调。
半导体材料的高温霍尔测量装置，包括磁场装置、测量控制电路、样品台、加热炉、真空装置、加热电阻、密封容器构成，样品台置于密封容器内、密封容器连接抽真空装置，在密封容器内的样品台设有加热电阻并与容器外的温控装置连接，且密封容器置于外加电磁铁的磁场内。样品台上设有电极探针。密封容器盖上设有用于通过电极探针向样品施加电流并测量从样品输出信号的引出导线孔。
本发明的控制电路部分：包括保证测试精度恒流源、单片机和通讯电路，上位机通过RS232、485等电路对单片机发出指令后，连接到样品台上电极探针。提供给样品以测试电流，并将被测试样品输出信号引出，采集的数据经A/D转换后送单片机或上位机。控制电路还包括对电磁铁电流的控制，使外加磁场有变化的范围。
本发明装置中，在样品台上设有传导铁芯、加热电阻既可以加在样品台上，也可以将加热电阻绕制在传导铁芯上、传导铁芯再与样品台接触。
本发明的效果：本发明装置可以在77K到773K温度范围内，通过自行开发的电路控制与数据采集系统以及友好的软件操作界面，可以直接测量出或计算得到半导体样品的电导率、Hall系数、载流子浓度和Hall迁移率。另外，本装置采用了电导霍尔联合测量模式，可同时对电导和Hall效应进行测试。可测量的电阻率范围为10-3～1012Ohm·cm；载流子迁移率范围为1～107cm2/V·s；载流子浓度范围为103～1019cm-3。
四、附图说明
图1是本发明结构框图
图2(包括图2a、图2b)是本发明控制电路部分实施框图
图2a是本发明磁场和电流方向控制部分实施图，
图2b是本发明信号采集与数据处理部分实施图
图3是本发明电路图
图4(包括图4a、图4b)分别是本发明样品台的俯视图和侧视截面示意图
图5是本发明加热电阻结构示意图，图6是测量装置结构示意图
图4中金属台1、探针2、电极引线孔3、陶瓷定位压片4、陶瓷绝缘片5、图5-6中电阻丝6、陶瓷圆筒7、端盖7-1、铁芯8、密封片9、密封圈10、抽真空管11。
五、具体实施方式
如图1所示，样品台有真空、外加磁场和加热炉提供其测试的条件，并由常规的电路进行控制。
如图2-3所示，本发明控制电路由上位机控制单片机电路，电路图中包括单片机IC1、89C51和通讯电路IC9、MAX202，上位机通过RS232芯片对单片机发出指令后，相应引脚连接到样品台上电极探针。提供给样品以测试电流，从ISO、1S1、U1、U2等引脚输出，并将被测试样品输出信号引出，采集的数据经A/D转换后送单片机或上位机。控制电路还包括对电磁铁电流的控制，使外加磁场有变化的范围。
半导体材料的高温霍尔测量装置中，样品台包括金属台(不锈钢)1、金属台上陶瓷定位压片4、陶瓷绝缘片5用于固定样品，电极引线孔3、，输入输出的引脚连接四根探针2。输入输出的引脚通过电极引线孔3连接到外部。包括外加磁场可以通过电磁线圈绕制在圆筒外，控制线圈中的电流来控制磁场的强度。
图4-6：密封片9、10、加热炉采用电阻丝绕在陶瓷圆筒7上加热，样品台通过一根铁芯(传导铁芯)8传热；将样品台置于金属圆筒(端部盖通过密封片9、10构成的密封容器)内，筒上设有抽真空管11使密封容器连接抽真空装置，在密封容器(金属圆筒12)内的样品台设有加热电阻并与容器外的温控装置连接。样品台上设有电极探针。测量装置主要包括以下几个部件：
1.磁场部分：采用一个外加电磁线圈施加磁场。通过改变线圈的电流，使磁场大小在0～3600高斯范围内连续可调；
2.样品台部分：主要由四根探针和陶瓷定位压片以及不锈钢台面组成；
3.加热炉：采用电阻丝加热，和样品台通过一根铁芯传热；
4.密封部分：采用金属圆筒和高温密封片实现对样品台和加热炉的密封；
5.抽真空部分：用于密封金属圆筒的抽真空，以防止金属电极和探针在高温下的氧化；
6.控制电路部分：主要通过单片机来实现相应过程的电路操作；
7.恒流源部分：提供所需的恒定电流，保证测试精度；
8.显示器：用于测试数据的显示窗口；
软件部分：采用VB设计，其主要功能包括数据采集、画图、数据保存、本发明装置的改进还包括，用金属探针代替引线，将金属探针做成具有弹性的部件，然后经过高温热处理，使其在高温下具有良好的弹性且不会变形，以保证与测试样品上的电极在升温和降温过程中保持良好的接触且不会损坏电极；2.采用高温陶瓷压片固定样品和辅助定位探针，避免了使用易在高温下挥发的胶状物质固定样品，这样不会造成对金属电极的污染；3.采用耐高温的密封片(如复合石墨等材料)与机械加工工艺相结合的方式解决高温部分的密封问题，达到能够在测试时抽真空的目的；4.采用具有良好韧性的高温陶瓷片来对探针进行固定以及和测试台间的绝缘。
Claims (3)
1、半导体材料的高温霍尔测量装置，包括磁场装置、测量控制电路、样品台、真空装置、加热电阻，其特征是设有密封容器，将样品台置于密封容器内，密封容器连接抽真空装置，在密封容器内的样品台设有加热电阻并与容器外的温控装置连接，且密封容器置于外加电磁铁的磁场内；样品台上设有电极探针，密封容器盖上设有用于通过电极探针向样品施加电流并测量从样品输出信号的电极引出孔(3)。
2、由权利要求1所述的半导体材料的高温霍尔测量装置，其特征是在样品台上设有传导铁芯，加热电阻设在样品台上或绕制在传导铁芯上，传导铁芯再与样品台接触。
3、由权利要求1所述的半导体材料的高温霍尔测量装置，其特征是样品台包括金属台(1)、金属台上设有四根电极探针和陶瓷定位压片，样品台为不锈钢台面。
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