CN112798867B - 一种实现组合式量子霍尔电阻样品的基座 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，包括基座承载板(3)，在所述基座承载板中设有用于放置单体量子霍尔电阻的凹槽(5)，在所述凹槽的周围设有用于分别与所述单体量子霍尔电阻的各电压电极连接的电压电极触点、和分别与所述单体量子霍尔电阻的各电流电极连接的电流电极触点，各所述单体量子霍尔电阻的对应的电压电极通过电压电极用导电条连接于外部电压供给源；各所述单体量子霍尔电阻的对应的电流电极通过电流电极用导电条连接于外部电流供给源；所述电压电极用导电条与所述电流电极用导电条彼此平行。根据本发明，能够以简单结构且低成本地实现量子电阻芯片的组合结构，提高样品器件和材料使用效率。

Description

一种实现组合式量子霍尔电阻样品的基座

技术领域

本发明涉及一种实现组合式量子霍尔电阻样品的基座。

背景技术

组合式量子霍尔电阻样品（一般为半导体材料芯片形态）需要封装在测量基座上进行使用和测量，这种基座的电极触点或接插针脚常规为8个，基座使用环境为极低温强磁环境（温度约为1.5K温区，磁场约为0-10T）。如图1所示。

关于组合式量子霍尔电阻样品的设计及制作，目前国内外普遍采用在半导体基材上进行分层刻蚀-掩模-镀膜结构，一般为6层。这样的方案存在如下两方面问题，一是工艺复杂度高，可靠性差，成品率低，外界杂质和污损等干扰会导致整片样品芯片作废；二是该结构一旦做成芯片后，功能和结构不可改变，芯片内部多个量子霍尔电阻基本模块的串联或并联关系固定，基准阻值固定，灵活性差。因此，上述现有的工艺和结构设计对材料消耗大，用途受限。

另一方面，用于承载组合式量子霍尔电阻样品的基座的成本远远低于量子器件材料的成本。如果研发基座能够实现同等或更优的量子计量效果，将比研发量子器件本身更具有技术优势和推广价值。

另外，在产品（例如，低场量子电阻测量仪）、工程应用（例如，比对验证）和科研项目中，有时需要2-4节量子霍尔电阻并联的组合样品，有时需要2-4节串联组合样品。而单节量子霍尔电阻样品（本身需要8个电极）基准阻值单一，结构简单，工艺成熟可靠。因此，希望能够以简单、灵活的方式实现量子霍尔电阻的组合。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种结构通用性强且能够进行串并联结构快速转换的基座，从而能够在实现组合式量子霍尔电阻样品的同时，提高量子器件和材料的利用效率。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段。

（1）一种实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，包括基座承载板，在所述基座承载板中设有用于放置单体量子霍尔电阻的凹槽，

在所述凹槽的周围设有用于分别与所述单体量子霍尔电阻的各电压电极连接的电压电极触点、和分别与所述单体量子霍尔电阻的各电流电极连接的电流电极触点，

各所述单体量子霍尔电阻的对应的电压电极通过电压电极用导电条连接于外部电压供给源；

各所述单体量子霍尔电阻的对应的电流电极通过电流电极用导电条连接于外部电流供给源；

所述电压电极用导电条与所述电流电极用导电条彼此平行。

（2）根据（1）所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述基座承载板包括彼此平行相对的第一平面和第二平面，

所述电压电极用导电条以平行于所述第一平面的方式设于所述第一平面，

所述电流电极用导电条以平行于所述第二平面的方式设于所述第二平面。

（3）根据（1）所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述基座承载板包括彼此平行相对的第一平面和第二平面，

所述电压电极用导电条包括以平行于所述第一平面的方式设于所述第一平面的第一电压电极用导电条、和以平行于所述第二平面的方式设于所述第二平面的第二电压电极用导电条，

所述电流电极用导电条以平行于所述第二平面的方式设于所述第二平面。

（4）根据（3）所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述凹槽（5）为矩形，

所述单体量子霍尔电阻包括第一电压电极、第二电压电极、第三电压电极、第四电压电极、电流输入电极和电流输出电极，并且，所述第一电压电极、所述第三电压电极及所述电流输出电极位于所述矩形的长度方向的一侧，所述第二电压电极、所述第四电压电极及所述电流输入电极位于所述矩形的长度方向的另一侧，

所述第一电压电极用导电条包括：第一分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第一电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第二电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧，

所述第二电压电极用导电条包括：第一分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第三电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第四电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧，

所述电流电极用导电条包括：第一分支条，与各所述单体量子霍尔电阻的所述电流输出电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，与各所述单体量子霍尔电阻的所述电流输入电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧。

（5）根据（1）所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述基座还包括贯穿所述基座承载板的基座支腿，

所述电压电极用导电条经由所述基座支腿而与外部电压供给源连接，

所述电流电极用导电条经由所述基座支腿而与外部电流供给源连接。

（6）根据（1）~（5）中任一项所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，

所述电压电极触点和所述电流电极触点由设于所述基座承载板的焊盘构成。

（7）根据（1）~（5）中任一项所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，

所述电压电极触点和所述电流电极触点由贯穿所述基座承载板的通孔构成。

发明效果

根据本发明，能够快速转变量子电阻芯片的组合结构，完成功能变换，能够提高样品器件和材料使用效率。

附图说明

图1是现有通用的、型号为TO-8的底座的标准尺寸图。

图2是单节量子霍尔电阻样品的结构及工作状态示意图。

图3是2节量子霍尔电阻并联组合样品的结构示意图。

图4是本发明第一实施方式的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座的示意性透视图。

图5是图4所示基座的俯视图。

图6是图4所示基座的仰视图。

图7是本发明第二实施方式的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座的示意性立体图。

图8是图7所示基座的俯视图。

附图标记说明

N1，N2，N3，N1’，N2’，N3’电压电极；

ND 输入电流电极；NS 输出电流电极；I_DS D-S间工作电流；

A、E 第一电压电极；B、F 第二电压电极；C、G 第三电压电极；

D、H 第四电压电极；K、M输出电流电极；L、N 输入电流电极；

1 第一电压电极用导电条；2电流电极用导电条；3 基座承载板；

4基座支腿电极；5 矩形凹槽；6 电流电极连接片；

7第二电压电极用导电条；P1、P2、P3、P4 电极触点。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

组合式量子霍尔电阻样品核心技术之一是并联组合样品的承载基座设计技术。

组合式量子霍尔电阻样品的材料成本高，工艺复杂，加工成品率低；但单节样品的工艺成熟度高。因此更优的思路是将复杂的工艺转移到基座上，利用基座的机械电子结构实现串联和并联的电路转换。这样拼接完成的整体量子电阻样品与组合样品具有同样的技术指标和功能，突出的优点是利用率高，能够实现多种模式组合样品，多种基准阻值，功能和可靠性均优于传统组合样品。（已通过课题试验验证）

图2为单节量子霍尔电阻样品工作示意图，D，S电极为两端电流电极（工作电流I），1，2，3，1’，2’，3’为电压电极。当样品芯片处于i=2量子平台工作状态时，1’，2’，3’，S极电压一致，D，1，2，3电极电压一致。1-1’之间的量子霍尔电压V=2RHI/i。RH是12906.4035Ω，i=2量子平台基准阻值。（典型的整数量子霍尔效应）

以2节并联组合模式为例，如图3所示，为简化示意，省略样品中间两对电压电极。

在这种材料（如砷化镓超晶格异质结外延片）处于量子化工作状态时，2节并联组合样品电路结构如图3所示。线条分别代表不同电极的并联线。弯曲线是样品到基座的引出线（点焊铝丝或手工焊接白金丝），一般为悬空金属线。

电流从（K，M）到（L，N），经悬空金属线流通到基座电流电极。C，D，K保持同样电压Vc，M，G，H保持同样电压VG。如果不进行并联，两个样品主干支路流过的电流不同，两者电压会有不同。进行图3的并联线路连接后，并联线会强制两者电压保持一致（即K，M，C，G电压一致），因此两个支路的电流也趋于一致。另外一边电极同理。因此上述器件在正常量子态工作状态时，电流被精确分流成1/n（n是并联组合样品节数），电压电极C，E之间测量的量子霍尔电压V=2RHI/ni，（i是量子平台填充因子，一般为2号量子平台），对于2并联组合量子霍尔电阻，V=RHI/2，基准阻值为RH/2。在常用量子霍尔材料上，这个原理的具体实现方式需要采取如图2的六层电路排步模式实现。所有金属导线均在量子材料上镀金属膜。金属线交叉部分需要生长二氧化硅层实现隔离。（上述结论是本领域国际公认的技术内容）

这个模式存在的问题是，电流电极和电压电极短路线不可避免存在交叉，并且目前这种微工艺交叉又不可避免很近（百纳米或微米量级，并且无法加厚），不仅存在各种线路间电磁干扰，也会有绝缘泄漏（对电阻测量影响很大），对高准确度测量（10-8量级）有不可排除的影响。

本发明采用在基座上制作电路结构代替在量子材料上微加工。如图4所示，以并联为例，圆形电极是基座预留电极触点，用于样品接触，样品可采用分体式单节量子霍尔电阻样品就近连接。长条形电极是基座与外界插接电极。

如图4~图6所示，基座承载板3包括彼此平行相对的第一平面和第二平面，电压电极用导电条包括以平行于第一平面的方式设于第一平面的第一电压电极用导电条、和以平行于第二平面的方式设于第二平面的第二电压电极用导电条，电流电极用导电条以平行于第二平面的方式设于第二平面。

基座承载板3上设有矩形凹槽（5），用于放置单体量子霍尔电阻电阻。

单体量子霍尔电阻包括第一电压电极、第二电压电极、第三电压电极、第四电压电极、电流输入电极和电流输出电极，并且，所述第一电压电极、所述第三电压电极及所述电流输出电极位于所述矩形的长度方向的一侧，所述第二电压电极、所述第四电压电极及所述电流输入电极位于所述矩形的长度方向的另一侧。

所述第一电压电极用导电条包括：第一分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第一电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第二电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧。

所述第二电压电极用导电条包括：第一分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第三电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第四电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧。

所述电流电极用导电条包括：第一分支条，与各所述单体量子霍尔电阻的所述电流输出电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，与各所述单体量子霍尔电阻的所述电流输入电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧。

基座还包括贯穿所述基座承载板的基座支腿电极4。电压电极用导电条经由基座支腿电极4而与外部电压供给源连接。电流电极用导电条经由基座支腿电极4而与外部电流供给源连接。

该模式能最大化减少了悬空线使用比例和交叉结构，并且不限于并联连接方式，同样适用于串联合混联线路。基座厚度为毫米量级。该设计优点之一是同电压的电极点和线路可以设计在基座的同层同侧，另外一组电压电极点和线路可以在基座的另一面，绝缘隔离度最大化；有点之二是有效避免了交叉干扰，优化信号测量。

作为基座材料，一般选择适合加工且电阻率高等的电气性能优异的材料。

第二实施方式

图7~图8示出了本发明的第二实施方式，第二实施方式与第一实施方式相比，省略了基座电极圆孔和接触电极平台（图5方块凸台结构）。特点是，圆形电极“焊盘”采取通孔结构，用于插接跳线盘。这些通孔可以针对具体串并联混联结构随时加工或预置。

上述跳线可使用自由短路线结构灵活实现。本文所示图片均为4个平行样品槽，实物和本专利所申请保护的范围可不限于4个平行槽结构。可以有槽，也可以不留槽。

通过本发明，提供了一种可实现拼接式的组合量子霍尔电阻基座设计方法，可实现多种模式的组合式量子霍尔电阻样品功能。

该方法综合利用单节样品工艺成熟可靠的优势，不仅实现了组合式量子霍尔电阻样品的实际功能，而且可以利用原有单节样品快速实现多种功能转换（串联，并联，混联），测量效果和准确度优于常规组合样品（提高信噪比，抗泄漏，抗干扰等设计）。

而且，本专利所使用的材料和实现方法，相对常规集成加工方法和芯片微加工模式，成本极低，效果一致或更优。单节样品和基座都可以标准化生产，因此该发明可以衍化批量生产的工艺潜力。

再者，设计具有高可靠性。经实验检测，能够提高样品器件和材料使用效率提高100%以上，能够提高样品底座在低温测试环境中可靠性50%以上。

Claims (7)

1.一种实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，包括基座承载板(3)，在所述基座承载板中设有用于放置单体量子霍尔电阻的凹槽(5)，

在所述凹槽的周围设有用于分别与所述单体量子霍尔电阻的各电压电极连接的电压电极触点、和分别与所述单体量子霍尔电阻的各电流电极连接的电流电极触点，

各所述单体量子霍尔电阻的对应的电压电极通过电压电极用导电条连接于外部电压供给源；

各所述单体量子霍尔电阻的对应的电流电极通过电流电极用导电条连接于外部电流供给源；

所述电压电极用导电条与所述电流电极用导电条彼此平行。

2.根据权利要求1所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述基座承载板包括彼此平行相对的第一平面和第二平面，

所述电压电极用导电条以平行于所述第一平面的方式设于所述第一平面，

所述电流电极用导电条以平行于所述第二平面的方式设于所述第二平面。

3.根据权利要求1所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述基座承载板包括彼此平行相对的第一平面和第二平面，

所述电压电极用导电条包括以平行于所述第一平面的方式设于所述第一平面的第一电压电极用导电条、和以平行于所述第二平面的方式设于所述第二平面的第二电压电极用导电条，

所述电流电极用导电条以平行于所述第二平面的方式设于所述第二平面。

4.根据权利要求3所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述凹槽(5)为矩形，

所述单体量子霍尔电阻包括第一电压电极、第二电压电极、第三电压电极、第四电压电极、电流输入电极和电流输出电极，并且，所述第一电压电极、所述第三电压电极及所述电流输出电极位于所述矩形的长度方向的一侧，所述第二电压电极、所述第四电压电极及所述电流输入电极位于所述矩形的长度方向的另一侧，

所述第一电压电极用导电条包括：第一分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第一电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第二电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧，

所述第二电压电极用导电条包括：第一分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第三电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，分别与各所述单体量子霍尔电阻的所述第四电压电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧，

所述电流电极用导电条包括：第一分支条，与各所述单体量子霍尔电阻的所述电流输出电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述一侧；和第二分支条，与各所述单体量子霍尔电阻的所述电流输入电极连接且位于所述矩形的长度方向的所述另一侧。

5.根据权利要求1所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，所述基座还包括贯穿所述基座承载板的基座支腿，

所述电压电极用导电条经由所述基座支腿而与外部电压供给源连接，

所述电流电极用导电条经由所述基座支腿而与外部电流供给源连接。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，

所述电压电极触点和所述电流电极触点由设于所述基座承载板的焊盘构成。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的实现组合式量子霍尔电阻样品的基座，其特征在于，

所述电压电极触点和所述电流电极触点由贯穿所述基座承载板的通孔构成。

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