CN113484611B - 半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法，对装载被测样片的样品台及其上方悬挂的采样电极棒施加脉冲电压以形成两个电容，测量获得无磁场和施加磁场的两个电容的不同充电时间常数反映的磁阻变化参数，根据迁移率与磁阻效应关系式计算得出迁移率，将样品作为电容器的介质，当电容器上施加脉冲电压后，电容放电时间判断电介质的电阻率大小，同时利用在样品上施加磁场后，产生磁阻效应，增加了放电时间，据磁场施加前后的时间差可以计算出迁移率，特别是适用于测量高迁移率半绝缘半导体材料，实现了无接触式、无需对样品切割便能够实施测量工作，只要把测得的二个时间常数和磁场强度代入，即得到迁移率，测量工况友好易操作。

Description

半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法及仪器

技术领域

本发明属于半绝缘半导体材料参数测量领域，具体是涉及一种在TDCM法的基础上应用磁阻效应以无接触方式测量半导体迁移率的方法及其测量仪器。

背景技术

半绝缘半导体包含了第二代半导体材料(砷化镓GaAs、磷化铟InP等)和第三代半导体材料(碳化硅SiC、氮化镓GaN等)，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、抗辐射能力强和介电常数小等特点，适合于制备高温、高频、大功率的电子器件及性能优异的微波、光电器件，具有广泛的应用前景。

考察半导体材料的性能，电阻率和迁移率是非常重要的依据，是研发及至生产过程中必须测量的重要的基本电学参数。整块(片)半导体晶体材料的电阻率和迁移率分布情况可完整、真实地反映材料的质量。电阻率决定了器件的反向耐压和正向压降，而器件的工作频率是由迁移率决定的。

半导体晶体的载流子(电子、空穴)在电场的作用下，在热运动(显然，分散在各方向的热运动不会引起电流)之外获得附加的定向运动，常称漂移运动。单位场强所对应的漂移速度，称为迁移率μ，单位cm²/v·s(厘米²/伏·秒)。迁移率μ是反映介质中载流子导电能力的重要参数，同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的导电率越高。迁移率对材料的工作性能有直接的影响，不仅关系导电能力的强弱，也决定载流子运动的快慢，高迁移率的晶片才能制造高工作频率的器件。

测量半导体电阻率和迁移率的方法常见的是霍尔效应法和渡越时间法。

中国专利文献CN105158568A公开了一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘方法，采用电荷随时间变化测量(TDCM，Time-Dependent Charge Measurement)方法，脉冲电压发生电路不断地向样品台和探针之间施加低压脉冲，采样电极通过电荷放大器探测样品上的电荷变化，电荷放大器对上述电荷变化信号进行放大，然后发送到数据采集卡，数据采集卡接收采样电路输送的采样信号并进行模数转换，最后发送给工控机，工控机记录下每次的测试结果，最后由测试软件进行所有数据的计算处理，输出分析结果并生成分布图。这种利用电容充放电原理的半导体电阻率测量方法只能测量电阻率，依然无法测量迁移率。

霍尔效应测量方法，主要适用于无机半导体载流子迁移率的测量。在霍尔效应测量方法中，需将晶体切割成小方片，再焊上电极、引线装在样品架上，测量时在垂直薄片方向需加较强的外磁场，还要在电场和磁场转换方向的情况下测量。这种制样方式破坏了产品。同时由于需要将晶体切割成特定形状的样片，并需制备欧姆接触，测量周期长。对于GaAs这些半导体物质利用霍尔法测试其电阻率虽然不便，但仍是可行的，因为在这些物质上制作欧姆接触不存在问题。然而对于SiC这类第三代半导体材料来讲，半导体电阻率均大于10⁵Ω·cm，常见杂质在SiC中的扩散系数极低，在合金化的过程中几乎不可能像Si、GaAs等半导体那样靠合金中的掺杂剂掺入来提高界面的掺杂浓度，这就给欧姆接触的形成带来了很大的困难，使得利用霍尔法测试SiC单晶电阻率变得十分困难。霍尔效应法要求待测半导体材料具有较高的迁移率，如果待测样品迁移率较低，则霍尔效应无法准确测出半导体的这一性质。

测量载流子迁移率的常见方法还有渡越时间(TOF)法，如中国专利文献CN207571260U公开了一种测量载流子迁移率的渡越时间法，激光器发出的光源一部分透过玻璃板照射在样品室里的样品上，在样品内部产生光生载流子，由稳压电源作用下产生电流，激光器的另一部分光被玻璃板反射到光电二极管上作为外触发光源，在试样内部产生的电流信号由示波器显示。渡越时间法测试中半导体需要具有良好的吸光能力，如果待测样品带隙较宽，仪器配备的激发光将无法有效测试。渡越时间法只能测量有机材料的低迁移率，而半绝缘半导体的迁移率属于高迁移率，采用普通的低迁移率测量方法，显然无法实现半绝缘半导体全晶片的高迁移率测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种非破坏性的、无接触式、无需切割样片的半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法及仪器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法，对装载被测样片的样品台及其上方悬挂的采样电极棒施加脉冲电压，样品及电极棒之间形成两个电容，测量无磁场和施加磁场时，电极棒端面和对应样片表面形成的电容的充电时间常数τ(0)和τ(B)，这两个时间的差异是与迁移率相关的磁阻引起的，根据迁移率与磁阻效应关系式可计算得出迁移率。

进一步地，所述电极棒端面与被测样品上表面构成电容两极，是以空气作为介质形成空气电容(Ca)；所述被测样品在电极棒端面下方的对应上下表面之间构成电容两极，且以样品自身为介质形成样品电容(Cs)。

进一步地，所述磁场由永久磁铁单体或组合体产生。

进一步地，所述采样电极棒的端面与被测样片的表面之间的距离为30-60μm。

还有，本发明采用的技术方案为：一种半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量仪器，包括样品台，所述样品台的上方设置探头，探头作垂直方向的直线式升降运动，探头装配有采样电极棒；所述样品台左侧设置可移动磁铁，磁铁接近采样电极棒之时，给被测样片施加磁场，处于加磁测量环境；当磁铁远离探头时，样片处于零磁场测量环境。所述采样电极棒的端面和被测样片形成电容的两极。

进一步地，所述采样电极棒与被测样片之间构成两个电容，采样电极棒悬在样片上方，以空气作为介质形成空气电容(Ca)；所述被测样片的对称表面之间构成电容两极，且以样品自身为介质形成样品电容(Cs)。

进一步地，所述磁铁为永久磁铁单体或组合体。

进一步地，所述磁铁设有能容纳采样电极棒的槽口。

进一步地，所述采样电极棒插置于圆形的筒体中并自筒体穿出微露于外，筒体起屏蔽电磁场的作用。

实施本发明技术方案，通过在样品上方的探头无接触测量高阻单晶的迁移率，将样品作为电容器的介质，当电容器上施加脉冲电压后，电容放电时间判断电介质的电阻率大小，同时利用在样品上施加磁场后，产生磁阻效应，增加了放电时间，据磁场施加前后的时间差可以计算出迁移率，特别是适用于测量高迁移率半绝缘半导体材料，实现了无接触式、无需对样品切割便能够实施测量工作，只要把测得的二个时间常数和磁场强度代入，即得到迁移率，测量工况友好易操作。

附图说明

图1为半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量仪器的结构图。

图2为探头的结构示意图。

图3为钕磁铁的结构示意图。

图4为半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量仪器工作状态的结构图。

图5电容充放电原理图。

图6为施加阶跃电压后观察到的电荷瞬变图。

图7为半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法的电路原理图。将测量等效电路接入电荷放大器和脉冲发生器，电荷放大器的输出电压U(t)正比于随时间变化的电荷Q(t)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图3所示，半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量仪器，主要由样品台1、探头2、钕磁铁3和方波发生仪器(图中未示出)组成。支架总成4安装有水平移动模组5和垂直移动模组6，水平移动模组和垂直移动模组为现有技术，均含有一驱动部件。水平移动模组5驱动钕磁铁3作水平方向的直线式往复动作，探头2悬挂于垂直移动模组6的驱动部件处，垂直移动模组6驱动探头2作垂直方向的直线式升降动作。

样品台用于放置待测量的半绝缘半导体晶片，样品台1的正上方设置垂直移动模组6和探头2，样品台1与垂直移动模组6之间设置水平移动模组5。水平移动模组5的驱动部件安装钕磁铁3，钕磁铁3的侧面开设槽口3.1，用于容纳采样电极棒2.2。钕磁铁在样品台的上方，便于操作者观察磁场加载情况，也不会挤占样品台下面安装有吸附泵及电机驱动器的空间。

样品台1安装于测试座9上，样品台由黄铜加工成较厚的圆盘，样品台上表面(与样片底面紧密接触)是样品电容C_s的一极，脉冲电压就是加在样品台和采样电极棒之间的。铜质样品台的比热容比较大，起到稳定样品温度的作用。

如图2所示，探头2由筒体2.1、采样电极棒2.2、绝缘体2.3和轴套2.4构成。筒体的内部呈空腔结构，轴套用于保护采样电极棒，起到遮光、屏蔽的作用，轴套直径为9mm。筒体2.1的内部设置电荷发生器2.7，筒体2.1的底面伸出轴套2.4，轴套2.4内部装配绝缘体2.3，在绝缘体2.3中轴安装黄铜采样电极棒2.2。采样电极棒2.2的接线端位于筒体2.1的内部，采样电极棒2.2的极性端露出轴套2.4之外，露出长度小于1mm，采样电极棒2.2通过输入导线2.5与电荷发生器2.7电连接，电荷发生器2.7的输出导线2.6引出筒体2.1之外。采样电极棒的材料为黄铜，其直径为1-2mm。

半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法用于测量高迁移率半绝缘半导体，采用半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量仪器实现测量过程如下：

1、样品台1放置待测量的半绝缘半导体晶片8(样品)。

2、垂直移动模组和水平移动模组就位。垂直移动模组动作先到位，垂直移动模组6推动探头2及其采样电极棒2.2下降，当采样电极棒2.2距离样品8平面为50μm时则就位。接着，水平移动模组分二次就位，第一次磁铁原地不动，远离探头，如图1所示状态，被测样片处于磁场为0状态；第二次水平移动模组5推动钕磁铁3前进，当槽口3.1包围(容纳)采样电极棒2.2时则就位，如图4所示状态。此时，钕磁铁的磁力线穿过下面的待测量样品。采样电极棒端面与样品表面的距离在测量时视充电曲线占总曲线的比例进行调整，一般充电曲线需占曲线整体的50％左右。

3、样品台(铜盘)和采样电极棒得电。采用方波发生仪器给样品台和采样电极棒施加脉冲电压，脉冲电压幅值选用5-8V，电压大小和频率需随样片电阻率而变，最终取决于充电曲线的可读(数)性。

如图5所示，脉冲电压作用于两个电容：空气电容Ca和样品电容C_s。空气电容Ca由采样电极棒极性端与样片的上表面区域形成的电容，以空气为介质。样品电容C_s由样片本身形成的电容，样品有上下两个表面作为电容的两极，样品自身视为介质，样品自身的电阻Rs是样片对应探头端面下面园柱体内的等效电阻。

脉冲电压对两个串联电容充电，样品电容充入的电荷会通过样品自身的电阻放电，样品电容承载的电压不断下降，而此时脉冲电压幅值不变，因此空气电容上的电压不断上升，它们以相同的时间常数同步完成放电和充电，因此测量Ca上的充电时间等于测量Cs的放电时间。

样品台和采样电极棒获得脉冲电压后形成电容充放电测量等效电路，磁场施加到样品后样品电导率减少，磁阻增加(磁阻效应)，通过磁阻的变化(充电时间的变化)可以测量迁移率。假设样品电容Cs和空气电容Ca都是放光了电，在t＝0的时刻给回路加上脉冲电压U，给电容器瞬间充电，电量Q(0)＝CU。样品信号是在方波电压施加到样品台和采样电极棒后，对C₀和样品电容Cs串联电容充电后产生。方波加到两个电容后，施加在样品电容C_s上面的电压，会通过样品电阻R_S放电，由于整个回路电压恒定，空气电容Ca上电压升高(继续充电)，就会继续有电荷转移到Ca上，最后，样品电容Cs上的电荷完全放光，空气电容Ca充满，电量Q(∞)＝CaU。样品电阻越小，样品电容Cs上的电荷放得越快，空气电容Ca充电也越快。通过观察空气电容Ca上的充电曲线就可以计算出样品的电阻率。空气电容Ca充电过程是通过电荷放大器放大后显示的。

如图6所示，利用图中所示的电荷Q(t)的指数时间关系可以测量弛豫时间常数τ和电荷Q(0)、Q(∞)。用这几个量和介电常数ε可以根据下式1计算电阻率ρ。

ρ＝τQ(0)/ε₀εQ(∞) (1)

电子迁移率μ的无接触测量依赖于磁导(磁阻的倒数)效应。传统Drude理论推断，没有磁场时的电导率σ(0)在施加一个有限磁场B后按下式变化，如(等式2)所示。

σ(B)＝σ(0)[1+(μB)²]^-1 (2)

未施加磁场0和施加磁场B的电荷转移瞬变状态如图6所示，分别得到时间常数τ(0)和τ(B)。按照等式2，决定了样片电导率σ与B的二次方相关，转换成电阻率如等式3如示。

ρ(B)＝ρ(0)[1+(μB)²] (3)

通过等式1和3，可得到迁移率与磁强B、τ(B)、τ(0)的关系式(等式4)，从而计算出迁移率：

μ＝B^-1([τ(B)/τ(0)]-1)^1/2 (4)

4、最后，方波发生仪器断电，水平移动模组和垂直移动模组复位动作，完成测量工作。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量仪器，包括样品台，其特征在于：所述样品台的上方设置探头，探头作垂直方向的直线式升降运动，探头装配有采样电极棒；

所述样品台与采样电极棒之间设置有可给被测样片施加磁场的磁铁，当处于加磁测量环境时，磁铁施加磁场给被测样片，当处于零磁测量环境时，磁铁远离被测样片；

所述采样电极棒的端面和被测样片形成电容的两极；

所述探头由筒体、采样电极棒、绝缘体和轴套构成；

筒体的内部呈空腔结构，轴套用于保护采样电极棒，起到遮光、屏蔽的作用，轴套直径为9mm；

筒体的内部设置电荷发生器，筒体的底面伸出轴套，轴套内部装配绝缘体，在绝缘体中轴安装黄铜采样电极棒；

采样电极棒的接线端位于筒体的内部，采样电极棒的极性端露出轴套之外，露出长度小于1mm，采样电极棒通过输入导线与电荷发生器电连接，电荷发生器的输出导线引出筒体之外；

采样电极棒的材料为黄铜，其直径为1-2mm；

所述采样电极棒与被测样片之间构成两个电容，采样电极棒悬在样片上方，以空气作为介质形成空气电容Ca；

所述被测样片的对称表面之间构成电容两极，且以样品自身为介质形成样品电容Cs；

所述磁铁为永久磁铁单体或组合体；

所述磁铁设有能容纳采样电极棒的槽口；

所述采样电极棒插置于圆形的筒体中并自筒体穿出于外，筒体起屏蔽磁场的作用；

通过测量仪器对半绝缘半导体迁移率磁阻效应进行测量方法，包括以下步骤：

样品台放置待测量的半绝缘半导体晶片；

垂直移动模组和水平移动模组就位，垂直移动模组动作先到位，垂直移动模组推动探头及其采样电极棒下降，当采样电极棒距离样品平面为50μm时则就位，接着，水平移动模组分二次就位，第一次磁铁原地不动，远离探头，被测样片处于磁场为0状态；第二次水平移动模组推动钕磁铁前进，当槽口包围采样电极棒时则就位，此时，钕磁铁的磁力线穿过下面的待测量样品；采样电极棒端面与样品表面的距离在测量时视充电曲线占总曲线的比例进行调整，充电曲线占曲线整体的50％左右；

样品台和采样电极棒得电，采用方波发生仪器给样品台和采样电极棒施加脉冲电压，脉冲电压幅值选用5-8V，电压大小和频率需随样片电阻率而变，最终取决于充电曲线的可读性；

脉冲电压作用于两个电容：空气电容Ca和样品电容Cs，空气电容Ca由采样电极棒极性端与样片的上表面区域形成的电容，以空气为介质，样品电容Cs由样片本身形成的电容，样品有上下两个表面作为电容的两极，样品自身视为介质，样品自身的电阻Rs是样片对应探头端面下面园柱体内的等效电阻；

脉冲电压对两个串联电容充电，样品电容充入的电荷会通过样品自身的电阻放电，样品电容承载的电压不断下降，而此时脉冲电压幅值不变，因此空气电容上的电压不断上升，以相同的时间常数同步完成放电和充电，因此测量Ca上的充电时间等于测量Cs的放电时间；

样品台和采样电极棒获得脉冲电压后形成电容充放电测量等效电路，磁场施加到样品后样品电导率减少，磁阻增加，通过磁阻的变化测量迁移率；根据迁移率与磁阻效应关系式计算得出迁移率，其中，所述迁移率表示为：

μ＝B^-1([τ(B)/τ(0)]-1)^1/2

ρ(B)＝ρ(0)[1+(μB)²]

σ(B)＝σ(0)[1+(μB)²]^-1

ρ＝τQ(0)/ε₀εQ(∞)

式中，τ为弛豫时间常数，ε为介电常数，Q为电荷，0为未施加磁场，B为施加磁场，σ为样片电导率，μ为迁移率，ρ为电阻率，Q(∞)表示空气电容Ca充满后的电量；

方波发生仪器断电，水平移动模组和垂直移动模组复位动作，完成测量工作。