CN1971295A - 一种测定磁性半导体载流子迁移率的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种磁性半导体载流子迁移率的测定方法，主要解决磁性半导体材料中由于异常霍尔效应的存在，测定非磁性半导体载流子浓度和迁移率普遍使用的霍尔效应测量迁移率方法对其不再适用。据查文献资料，目前没有可靠测量磁性半导体载流子迁移率的方法。本发明提出将电化学C－V方法和范德堡方法(不需加磁场)相结合，用电化学C－V方法测定磁性半导体载流子浓度，用范德堡方法测定电阻率，然后根据载流子浓度、电阻率与载流子迁移率之间的关系，确定磁性半导体的载流子迁移率。本方法不涉及霍尔测量，避开了异常霍尔效应的影响，具有不需要特制设备、操作方便及测量准确等特点。

Description

一种测定磁性半导体载流子迁移率的新方法

技术领域：

本发明属于一种半导体材料参数的测量方法，主要涉及磁性半导体载流子迁移率的测定。

技术背景：

自20世纪90年代中期III-V族化合物基稀磁半导体GaMnAs、InMnAs被成功制备以来，由于该半导体和非稀磁半导体可以形成多种质量很好的异质结，使得制备各种基于电子自旋而工作的电子器件成为可能，因此，稀磁半导体在电子信息和材料科学领域受到了广泛关注。在量子计算，信息的存贮、传输和处理方面具有诱人的应用前景。电特性的测试是半导体材料研究工作中的一个重要环节，载流子迁移率是实际应用中要考虑的重要电参数之一，其准确的测定有着重要的实际意义。

对非磁半导体，霍尔效应测量是测定载流子浓度和迁移率使用最普遍的方法，用霍尔效应测量可方便地测定载流子浓度P，结合电阻率ρ的测定，可由下式确定载流子迁移率μ。

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{\mathrm{\ρqp}}---\left(1\right)$

式中，q是电子电量。

但是，对于磁性半导体，事情并非如此简单。由于异常霍尔效应的存在，单纯用霍尔效应测量方法不能直接准确测定磁性半导体中的载流子浓度及其迁移率。Sh.U.Yuldashev等人通过霍尔测量研究了用GaAs注Mn后快速热处理方法制备的稀磁半导体的载流子浓度和迁移率，测量结果表明，室温条件下载流子(空穴)的霍尔迁移率达780cm²/V.S，比理想的本征GaAs晶体中空穴的迁移率的理论值(400cm²/V.S)高出近一倍，他们将这一现象归因于样品中出现的MnAs金属化合物粒子的高电导。然而，大量的事实证明MnAs相对有效电导率的影响不足以解释780cm²/V.S的高表观载流子迁移率。实际上MnAs金属化合物“埋”在含有Mn替位受主的GaAs半导体中，二者界面处形成肖特基势垒，MnAs相被一层近绝缘的载流子耗尽层包围，表现为电导率很低的相，这将导致体系有效电导率减小而不是增加，故含MnAs相的GaAs体系表现的高表观载流子迁移率不能用MnAs相高导电率对体系有效的影响来解释。本发明认为，在磁性半导体中，由于自旋向上和自旋向下的载流子遭受散射的情况不同引起异常霍尔效应，是导致磁性半导体表观霍尔迁移率增高的根本原因。

迄今，磁性半导体中载流子浓度和迁移率的测量仍是一个未解决的问题，本发明提出了一种测定磁性半导体载流子迁移率的新方法。

发明内容：

在非磁性半导体中，霍尔电阻率可表示为

                              ρ_xy＝R₀B    (2)

式中，R₀和B分别是正常霍尔系数和磁感应强度。

磁性半导体中，霍尔电阻率包含了异常霍尔效应的贡献，霍尔电阻率可表示为

                              ρ_xy＝R₀B+R_aM    (3)

式中，R₀和M分别是异常霍尔系数和磁化强度。如果仍按非磁性半导体处理，即由测得的霍尔电阻率ρ_xy按ρ_xy＝R₀B得出霍尔系数R，显然R将大于实际的R₀。这种情况下，根据P＝1/(qR)确定的P将小于实际的载流子浓度，由ρ＝1/qPμ确定的μ必然大于实际的载流子迁移率。要通过霍尔电阻测量来确定实际的载流子浓度并结合用范德堡方法对电阻率的测量确定载流子迁移率，必须将正常霍尔效应和异常霍尔效应对ρ_xy的贡献分离开来。由于低温下纵向电阻的磁阻效应和有些磁性半导体磁化强度M在温度高于铁磁居里温度T_c时的强顺磁效应，将R₀和R_a的贡献分开是很困难的。我们自1999年开始，对多种稀磁半导体的电特性及其测试方法进行了较系统的试验研究。电化学C-V方法是测定半导体晶体中载流子浓度及其纵深分布的有效手段，这种方法是通过测量耗尽区静电荷浓度确定载流子浓度，不受样品磁特性的影响，因此对稀磁半导体同样适用。为此我们提出了将电化学C-V方法和范德堡方法(不需加磁场)相结合，测定磁性半导体的载流子迁移率的新方法(HECV方法)。该方法的核心是用电化学C-V方法测定载流子浓度，用范德堡方法测定电阻率，然后根据式(1)确定磁性半导体的载流子迁移率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本方法不象霍尔效应方法那样涉及霍尔测量数据，从而避开了异常霍尔效应的影响，不受样品本身磁性的限制。

(2)本方法结合的是现在被广泛应用的两种成熟的测量技术(见P3①与②，不需特制新设备，测试成本低，操作简单方便、可靠性高。

(3)主要应用于磁性半导体载流子迁移率的测量。

附图说明：

图1所示为测定磁性半导体的载流子迁移率方法简图

①为用范德堡方法测量电阻率的试验装置。首先在接触点1和2之间加电流源I₁₂，测量4和3之间的电压V₃₄；然后在1和4之间加电流源I₁₄，测量2和3之间的电压V₂₃。；电阻率即可按下式计算：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\πt}}{21n2}[\frac{V_{43}}{I_{12}}+\frac{V_{23}}{I_{14}}]\mathrm{FQ}---\left(4\right)$

式中，t是样品激活层的厚度，Q和F分别是对称因子和校正因子。

②为Bio-Rad PN4300PC电化学C-V仪的测试示意图。是利用半导体材料与电解液接触形成的Schottky势垒代替传统的C-V测试的金属-半导体接触，用电解液作为腐蚀液和一个电极，被测试的晶片背面为另一个电极。并对被测样品加以正向偏压(p型)或反向偏压(n型并加以光照)进行表面腐蚀，利用耗尽层的C-V关系计算出半导体材料不同深度处的载流子浓度。

③为微机及外围电路，将①采集到的电阻率和②采集到的载流子浓度传给微型计算机，通过相应的数据采集及处理软件，计算得到磁性半导体的载流子迁移率。

图2为利用HECV方法和霍尔效应方法对MnAs：G稀磁半导体样品方块载流子浓度和霍尔迁移率测量结果的比较(结果合理性分析见下面部分)。

具体实施方式：

本发明可用于磁性半导体载流子迁移率的测定，首先，用电化学C-V方法，如采用Accent PN4300型C-V测量仪等，测定载流子的浓度P，然后，用范德堡方法，如采用美国伯乐公司产的HL5500 Hall测量系统等测出电阻率ρ，最后，通过计算机及其相应的软件采集得到载流子的浓度P和电阻率ρ的值，并根据式(1)可计算得到电子迁移率μ，显示并打印出实验结果。

从图2得到的实验结果可以看出，HECV方法测出的载流子浓度明显大于用霍尔效应方法测定的载流子浓度，而HECV方法测出的霍尔迁移率明显小于用霍尔效应方法测定的霍尔迁移率。样品Mn5750、Mn57502、和Mn5750j中的Mn主要分布在表面至表面下0.4μm厚的范围。因此，由图2中方块载流子浓度可知，样品中平均电离杂质浓度应在数倍10¹⁹cm^-3，对应这一电离杂质浓度，GaAs的室温空穴迁移率应在60cm²/V.S以下([美]Robert F.Pierret著，黄如、王漪等译，半导体器件基础，电子工业出版社，2004年版)。这样，图2中用HECV方法测出的载流子(空穴)迁移率大小处在很合理的范围。因此HECV的方法可以很方便可靠的测定磁性半导体中载流子的霍尔迁移率。

Claims (2)

1.本发明属于一种半导体材料参数的测量方法，主要涉及磁性半导体载流子迁移率的测定。其特征就是将电化学C-V方法和范德堡方法(不需加磁场)相结合，可测定磁性半导体载流子迁移率。

2.根据权利要求1所述的半导体载流子迁移率的测定方法，其特征在于用电化学C-V方法测定载流子浓度，用范德堡方法测定电阻率，然后根据载流子浓度、电阻率与载流子迁移率之间的关系，通过微型计算机及其相应的软件进行采集与处理，得到磁性半导体的载流子迁移率。