CN1885050A - 一种强磁场的霍尔效应测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种强磁场的霍尔效应测试装置。该装置由外延片、电磁铁组、恒流源、极性控制电路、可控稳压源、测量电路、计算机、三相交流电、温控装置连接构成。该测试方法步骤：(1)将外延片做好电极，连接好导线；(2)接通三线交流电源，运行计算机控制程序，根据程序要求，依次输入各参数；(3)可以改变样品环境温度，在新的平衡温度下继续测量相关参数；(4)将测量结果存档或者打印出来，测试结束。

Description

一种强磁场的霍尔效应测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别是一种强磁场的霍尔效应测试装置及其测试方法。

背景技术

霍尔效应测试是半导体材料研究领域中的一个基本的测试方法，其可以测量半导体外延膜的诸多性能，如半导体材料导电类型、电阻率、薄膜电阻、载流子浓度、迁移率等的数值。对于宽禁带半导体材料而言，p型掺杂一直是其被广泛应用所面临的一大难点。由于宽禁带半导体材料的空位等原因，非故意掺杂的宽禁带材料通常呈现n型。所以要获得P型材料必须进行重掺杂，使表观空穴浓度大大超过电子浓度，复合掉空位等原因形成的n型载流子，以宏观上形成空穴载流子为主的p型材料。工艺上还得用退火或低能离子辐射来对p型材料处理，使掺杂杂质活化，降低其活化能，提高空穴浓度。一般而言，p型材料的空穴浓度和n型的电子浓度相比较是非常小的，小两个数量级。通常的霍尔测试设备中通常固体磁铁作为磁场源，其磁感应强度非常弱的，仅有几百到一两高斯。这对于测量高浓度的n型材料是适用的，但对与宽禁带半导体p型材料来说很难得到准确的结果。和强磁场相比，在很弱的磁场下，相同的电流产生的霍尔电压小得很多，由于爱延豪森效应、能斯特效应、里纪——勒杜克效应等能产生侧向电压，此时真正测得的霍尔电压是几个的合成值。这样测得的数值误差相当大的，甚至p型的材料会误测成高阻的n型材料。只有采用高强度的磁场，增大产生的霍尔电压，使由上述几个原因产生的电压变得可以忽略，测量的结果才能准确。此外通常采用人工手动调节电流计算数据，经常产生人为的差错，产生一系列的问题：(1)人工读数和调节电流误差明显，精度难以保证；(2)人工控制极性变换容易出错；(3)人工数据处理可靠性差，效率低下。

发明内容

本发明的目的就是要克服宽禁带半导体霍尔效应测量设备中存在的技术与方法问题，设计出一种强磁场的霍尔效应测试装置及所需的测试软件，以实现自动测量、自动转换极性、自动处理数据，准确方便地进行工作。

本发明设计了一种强磁场的霍尔效应测试装置。该发明的特征在于考虑了外延宽禁带半导体p型材料霍尔测试的困难，采用了高磁场强度的电磁铁组作为磁源，而非采用普通的固体永磁铁，并采用自动控制电路及程序。该设计的特点是：(1)高强度的磁场使得产生的霍尔电压显著增大，从而测量结果精度提高；(2)为获得高强度的磁场而采用三相交流电输入的可控稳压直流源，使磁场强度可调且稳定性好；(3)测量过程中自动化程度高，避免了可能引起误差或错误的人为因数，使测量更为准确便捷。

本发明的强磁场型的霍尔效应测试装置，由外延片、电磁铁组、恒流源、极性控制电路、可控稳压源、测量电路、计算机、三线交流电、温控装置等连接构成。具体的线路连接：计算机的输出控制线分别与极性控制电路、可控稳压源连接；测量电路的输出线与计算机的输入控制线连接；恒流源输出线与极性控制电路输入线连接；外延片的输入输出线分别与极性控制电路的输出输入控制线连接；可控稳压源的输出线与电磁铁组的输入线连接；三线交流电的输出线与可控稳压源的输入线连接；温控装置独立控制。

所述测量电路功能由数据采集卡和模数转换卡完成，它们插入计算机PCI总线接口。数据采集卡可以采用AC6040板，其具有4路双端模拟输入，16路开关量——8路输入及8路输出。模数转换卡可采用ADLINKPCI-7248等的。

极性控制电路功能由电磁继电器组和运算放大器及数模转换卡来实现。计算机发出的指令经数模转换卡变成模拟信号，经过运算放大器来取动相应电磁继电器，实现外延片上输入输出线及各自电流方向的变化。

可控稳压源由三相整流模块(六个可控硅)、整流模块驱动器、比较器等构成。控制信号进入比较器，与取样电流相比较，比较器给整流驱动模块反馈移相信号，来改变可控硅相位，从而达到对直流电压的调节与保持稳定。

温控装置由杜瓦瓶、电阻丝、热电偶、冷却管道、控制器等构成。

恒流源由由小型稳压电源构成。

电磁铁组由大功率电磁铁及冷却循环系统构成。

片状样品的霍尔电势测量中，片状样品上有四个接触电极ABCD，如图2。控制程序运行时，通过极性控制电路，首先让CD电极通以电流，由极性控制电路和可控稳压源，变换电流和磁场的极性，分别对应于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四组值，测出AB电极之间的电势差(V_AB)₁、(V_AB)₂、(V_AB)₃、(V_AB)₄，然后自动让AB电极通以电流，分别对应于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四组值，测出CD探针之间的电势差(V_CD)₁、(V_CD)₂、(V_CD)₃、(V_CD)₄，每次改变极性时，自动延时500毫秒，以使电流和磁场稳定，测量过程中每一步骤衔接紧凑，有利于减少电流流过样品时产生较大的热量，由V_AB、V_CD可计算出相应的霍尔系数R_HA、R_HB，如果两者相差超过±10％，就认为样品是不均匀的。采用四组数据计算的霍尔系数能有效地消除或减弱爱延豪森效应、能斯特效应、里纪——勒杜克效应等带来的误差，提高了测量精度。

本发明的工作原理及电路工作原理如下：外延片做好欧姆接触电极，安置于样品架，根据需要可放入杜瓦瓶保持温度恒定，样品架或杜瓦瓶置于两磁极间，调节好所需的温度，接通三线交流电源打开冷却循环水并打开计算机，在pc计算机上运行该装置的控制程序，测量开始：初始化，选择合适的电流量程，输入测试样品的标号膜厚参数，输入重复测量的次数，计算机自动控制和测量，再改变样品周围的温度，重复上述过程，测量结束后，程序进行各参数的计算，完成测试。

本发明强磁场的霍尔效应测试装置测量过程如下：

(1)外延片做好电极，连接好导线，放置在样品架上，然后把样品架连同样品一起放在杜瓦瓶中，通入液氮或液氦到杜瓦瓶，用放置在样品室中的适用于低温的热电偶来测量样品的环境温度，调节到适当温度，如只需室温测量，把杜瓦瓶放置在两个磁极之间，并使磁力线垂直于外延片的两个平面，如只需室温测量，则直接把样品架放置于两磁极之间；

(2)通三线交流电源，运行计算机控制程序，根据程序要求，依次输入各参数，确认无误后，点击测量按键，程序自动测量并计算出外延片的导电类型、体或膜的载流子浓度、电阻率、迁移率、薄膜电阻等的数值；

(3)可以改变样品环境温度，在新的平衡温度下继续测量相关参数；

(4)将测量结果存档或者打印出来，测试结束。

这样的设计具有如下优点：(1)可以对宽禁带半导体p型材料的霍尔参数准确方便测量；(2)利用杜瓦瓶、液氮或液氦、加热电阻丝、热电偶能实现从10K到400K的温度连续变化，扩展了测量范围；(3)利用三相交流电经可控稳压变换成直流电，既产生了较高的直流电压，又保证了直流电压的稳定，而且可以由计算机控制电压的变化。

附图说明

下列附图给出了本发明强磁场型的霍尔效应测试装置原理及测试流程图，本文中说明和介绍都是基于以下图纸进行解释的。

图1是本发明的强磁场型的霍尔效应测试装置结构示意图。

图2是范德堡法的电极示意图。

图3是该装置的测试流程框图。

具体实施方式：

由图1可以看出，本发明的一种强磁场的霍尔效应测试装置，由外延片1、电磁铁组2、恒流源3、极性控制电路4、可控稳压源5、测量电路6、计算机7、三相交流电8、温控装置9等连接构成。具体的线路连接：计算机7的输出控制线分别与极性控制电路4、可控稳压源5连接；测量电路6的输出线与计算机7的输入控制线连接；恒流源3输出线与极性控制电路4输入线连接；外延片1的输入输出线分别与极性控制电路4的输出输入控制线连接；可控稳压源5的输出线与电磁铁组2的输入线连接；三相交流电8的输出线与可控稳压源5的输入线连接；温控装置9独立控制。

由图2可以看出，实际上这就是范得堡法的应用。

由图3可以看出，程序开始，初始化，调节样品环境温度，选择适当量程的电流表，输入样品的编号、膜厚以及测量次数等相关信息，调节磁场强度，测量就自动进行，接着变温，在新的温度条件下开始新的测量，测量完毕后，自动进行数据处理，打印出来或者存档，测试结束。

本发明的具体实施过程如下：

(1)电磁铁要求能产生20000高斯，必须有循环冷却系统，可委托专业厂家制造。

(2)所用电路板可布完线委托专业厂家加工。

(3)所需的控制程序可用高级语言编写。

(4)所用的温控装置可以购买成品。

所用的数据采集卡可以采用AC6040板，其具有4路双端模拟输入，16路开关量——8路输入及8路输出。模数转换卡可采用ADLINK PCI-7248等的均可。都能在市场上购买到。

Claims (9)

1.一种强磁场的霍尔效应测试装置，由外延片、电磁铁组、恒流源、极性控制电路、可控稳压源、测量电路、计算机、三相交流电、温控装置连接构成，具体的线路连接：计算机的输出控制线分别与极性控制电路、可控稳压源输入控制线连接；测量电路的输出线与计算机的输入控制线连接；恒流源输出线与极性控制电路输入线连接；外延片的输入输出线分别与极性控制电路的输出输入控制线连接；可控稳压源的输出线与电磁铁组的输入线连接；三线交流电的输出线与可控稳压源的输入线连接；温控装置独立控制。

2.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，测量电路由数据采集卡和模数转换卡完成，插入计算机PCI总线接口，数据采集卡可以采用AC6040板，其具有4路双端模拟输入，16路开关量——8路输入及8路输出，模数转换卡可采用PCI-7248的。

3.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，极性控制电路由电磁继电器组和运算放大器及数模转换卡来实现。

4.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，可控稳压源由三相整流模块、整流模块驱动器、比较器构成。

5.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，温控装置由杜瓦瓶、电阻丝、热电偶、冷却管道、控制器构成。

6.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，恒流源由小型稳压电源构成。

7.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，电磁铁组由大功率电磁铁及冷却循环系统构成。

8.如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，测量过程：控制程序运行时，通过极性控制电路，首先让CD电极通以电流，由极性控制电路和可控稳压源，变换电流和磁场的极性，分别对应于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四组值，测出AB电极之间的电势差(V_AB)₁、(V_AB)₂、(V_AB)₃、(V_AB)₄，然后自动让AB电极通以电流，分别对应于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四组值，测CD探针之间的电势(V_CD)₁、(V_CD)₂、(V_CD)₃、(V_CD)₄，每次改变极性时，自动延时500毫秒，以使电流和磁场稳定，测量过程中每一步骤衔接紧凑，有利于减少电流流过样品时产生较大的热量，由V_AB、V_CD可计算出相应的霍尔系数R_HA、R_HB，如果两者相差超过±10％，就认为样品是不均匀的，采用四组数据计算的霍尔系数能有效地消除或减弱爱延豪森效应、能斯特效应、里纪——勒杜克效应等带来的误差，提高了测量精度。

9如权利要求1所述的强磁场的霍尔效应测试装置，其特征在于，测试步骤如下：

(1)将外延片做好电极，连接好导线，放置在样品架上，然后把样品架连同样品一起放在杜瓦瓶中，通入液氮或液氦到杜瓦瓶，用放置在样品室中的适用于低温的热电偶来测量样品的环境温度，调节到适当温度，如只需室温测量，把杜瓦瓶放置在两个磁极之间，并使磁力线垂直于外延片的两个平面，如只需室温测量，则直接把样品架放置于两磁极之间；

(2)接通三线交流电源，运行计算机控制程序，根据程序要求，依次输入各参数，确认无误后，点击测量按键，程序自动测量并计算出外延片的导电类型、体或膜的载流子浓度、电阻率、迁移率、薄膜电阻的数值；

(3)可以改变样品环境温度，在新的平衡温度下继续测量相关参数；

(4)将测量结果存档或者打印出来，测试结束。

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