JP2018517123A - 回転磁場ホール装置、回転磁場ホール装置を動作させる方法、およびコンピューティング・システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転磁場ホール装置を提供する。【解決手段】回転磁場ホール装置は、マスタ・スレーブ構成として配置された第１の磁石および第２の磁石と、第１の磁石と第２の磁石との間に介在可能な被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージであって、このＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置可能である、ＤＵＴステージと、第１の磁石と第２の磁石との間で前記ＤＵＴステージを中心に置くように配置されたコントローラと、第１の磁石および第２の磁石の位置の初期化を促進し、位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号を生成するために、第１の磁石の側面の横に配置された直交磁場センサとを含む。システムは、信号処理を行って、最終的なホール信号を生み出すソフトウェア・システムも含む。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、測定技法に関し、より詳細には、回転電磁石を備えたホール測定システムに関する。

ホール測定は、多種多様な適用例、例えば、半導体およびソリッド・ステート・デバイス研究などにおいて使用され得る特徴付け技法である。ホール測定は、自由キャリア密度の測定を可能にし、この自由キャリア密度は、抵抗率測定値と共に考慮される場合にキャリア移動度を得ることができる。いわゆるホール効果は、垂直磁場を印加した材料を電流が通過する場合に発生し、それにより、下記のような方程式＃１において提供されるような、ホール電圧Ｖ_Ｈが発生する。
Ｖ_Ｈ＝ＢＩ／ｎｄｅ 方程式＃１

上記方程式＃１において、Ｂは、磁場であり、Ｉは、サンプルを通過する電流であり、ｎは、自由キャリア密度であり、ｄは、サンプル厚さであり、ｅは、電子の電荷である。

ホール測定における性能係数は、ホール角
であり、その正接は、ホール抵抗または横抵抗（Ｒ_ＸＹ）と縦抵抗（Ｒ_ＸＸ）との間の比として定義される。このホール角の正接は、正方形のサンプルの場合には、下記のような方程式＃２によって与えられ得る。

上記の方程式＃２において、μは、多数キャリアの移動度である。

良好なまたは良質のホール測定は、ほぼ１の十分に大きいホール角または正接
を必要とする。方程式＃２に基づくと、サンプルの移動度が不十分な場合（例えば、μ＜＜１ｃｍ^２／Ｖｓ）、または利用可能な磁場が限定される場合（例えば、Ｂ＜＜０．１テスラ）に、問題が生じることがある。さらに、方程式＃１に基づくと、非常に高いキャリア密度ｎを有するサンプルも、小さいホール電圧Ｖ_Ｈを引き起こし得る。いくつかの測定環境、例えば、低温測定などは、非常に小さい励磁電流Ｉの使用を指示し、したがって、小さいホール電圧Ｖ_Ｈをもたらす。そのような状況では、ＤＣ磁場ホール測定は、サンプルの幾何学的な非対称性に起因して、大きいＤＣ電圧オフセット内に埋もれた小さいホール電圧Ｖ_Ｈを生み出し得る。非対称性によって、ホール抵抗または横抵抗（Ｒ_ＸＹ）と縦抵抗（Ｒ_ＸＸ）とが合成され得る。

米国特許第８，８９５，３５５号（Ｃａｏ） 米国特許出願第２０１４／００２８３０５号（Ｇｏｋｍｅｎ）

Gunawan, et al., "ParallelDipole Line System," Applied Physics Letters 106, 062 407 (2015)

本発明の目的は、回転電磁石を備えたホール測定システムを提供することである。

本発明の１つの実施形態によれば、回転磁場ホール装置が提供され、これは、マスタ・スレーブ構成として配置された第１の磁石および第２の磁石と、第１の磁石と第２の磁石との間に介在可能な被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージであって、このＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ：photoelectromagnetic）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置可能である、ＤＵＴステージと、第１の磁石と第２の磁石との間でＤＵＴステージを中心に置くように配置されたコントローラと、第１の磁石および第２の磁石の位置の初期化を促進し、位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号（out-of-phase reference signal）を生成するために、第１の磁石の側面の横に配置された直交磁場センサとを含む。

本発明の別の実施形態によれば、回転磁場ホール装置が提供され、これは、横方向磁化を伴う電動の円筒状の磁石と、電動磁石と共に回転する自由に回転する円筒状の磁石と、電動磁石と自由回転磁石（freely rotating magnet）との間に介在可能な被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージであって、このＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置可能である、ＤＵＴステージと、電動磁石およびＤＵＴステージをそれぞれ動かすために配置された第１のコントローラおよび第２のコントローラと、電動磁石および自由回転磁石の位置の初期化を促進し、位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号を生成するために配置された直交磁場センサとを含む。

本発明のまた別の実施形態によれば、コンピューティング・システムが提供され、これは、プロセッサと、プログラムが記憶されるメモリであって、このプログラムは、実行されると、プロセッサに回転磁場ホール装置を管理させる、メモリとを含む。本装置は、マスタ・スレーブ構成として配置された第１の磁石および第２の磁石と、第１の磁石と第２の磁石との間に介在可能な被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージであって、このＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置可能である、ＤＵＴステージと、プロセッサによって操作可能であり、第１の磁石と第２の磁石との間でＤＵＴステージを中心に置くように配置可能なコントローラと、プロセッサによって操作可能であり、第１の磁石および第２の磁石の位置の初期化を促進し、位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号を生成するために、第１の磁石の側面の横に配置可能な直交磁場センサとを含む。

本発明のさらに別の実施形態によれば、ここでは、回転磁場ホール装置を動作させる方法が提供され、本方法は、マスタ・スレーブ構成として第１の磁石および第２の磁石を配置することと、第１の磁石と第２の磁石との間に被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージを介在させることと、ＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置することと、第１の磁石と第２の磁石との間でＤＵＴステージを中心に置くことと、第１の磁石および第２の磁石の位置の初期化を促進することと、位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号を生成することとを含む。

さらなる特徴および利点は、本発明の技法を通じて実現される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書において詳細に説明されており、特許請求される発明の一部とみなされる。利点および特徴を備えた本発明のより良い理解のために、説明および図面を参照されたい。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結びにおける特許請求の範囲において詳細に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述の特徴および他の特徴ならびに利点は、添付の図面と共に考慮すれば、下記の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態に係るコンピューティング・システムを示す概要図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場ホール装置の側面図である。 本発明の実施形態に係る回転磁場ホール装置の正面図である。 磁石の初期化および磁場測定のグラフ図である。 磁石の初期化および磁場測定のグラフ図である。 被試験デバイス（ＤＵＴ）についての磁場測定のグラフ図である。 被試験デバイス（ＤＵＴ）についての磁場測定のグラフ図である。 図１および図２の回転磁場ホール装置を動作させる方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態に係る制御ソフトウェアによって生成された例示的なスクリーンショットである。

以下に説明されるように、高感度の回転磁場ホールおよび光電磁（ＰＥＭ）システムが提供される。本システムは、非常に低いキャリア移動度を有する材料、非常に薄いサンプル、非常に低いまたは非常に高いキャリア密度のサンプルを対象としており、１対の回転磁石を含み、一方は、モータ駆動よって駆動され、他方は、自由に回転し、線形アクチュエータ・タワー、磁場集束部品、サンプルを位置付けるためのマニピュレータ、サンプルを照らすための光源、コネクタ・パネルを備えた機械的プラットフォームおよびエンクロージャ・シールドによって位置付けられ得る。本システムは、モータ制御ボックスとスイッチ・マトリクス・システムとに接続され、コンピュータによって制御される。信号処理（電力スペクトル密度およびロックイン検出）を行うソフトウェアが、最終的なホール信号またはＰＥＭ信号を抽出するために使用される。本システムは、磁場に関する任意の実験の信号対雑音比を改善するためにも使用され得る。

下記の説明は、米国特許第８，８９５，３５５号（Ｃａｏ）、米国特許出願第２０１４／００２８３０５号（Ｇｏｋｍｅｎ）、およびGunawan, et al., "Parallel Dipole Line System," AppliedPhysics Letters 106, 062 407 (2015)の説明に関する。

図１を参照すると、例示的なコンピューティング・システム１００が示されている。システム１００は、メモリ１０２を含むものとして示されている。メモリ１０２は、任意の手法で、および任意の抽象度で、例えば、１つまたは複数のプロセス、ルーチン、方法等に関連して、記憶され、または体系化され得る実行可能な命令を記憶し得る。一例として、命令の少なくとも一部は、図１において、第１のプログラム１０４ａと第２のプログラム１０４ｂとに関連付けられるものとして示されている。

メモリ１０２に記憶された命令は、１つまたは複数のプロセッサ、例えば、プロセッサ１０６などによって実行され得る。プロセッサ１０６は、１つまたは複数の入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス１０８に対して結合されており、データ選択およびバックグラウンド除去のための信号調節システム１０６１と、電力スペクトル密度分析システム１０６２と、ロックイン検出および信号対雑音比計算のためのシステム１０６３とを含む。いくつかの実施形態では、Ｉ／Ｏデバイス１０８は、キーボード、タッチスクリーン、表示画面、マイクロフォン、スピーカ、マウス、ボタン、遠隔制御装置、ジョイスティック、プリンタ等のうちの１つまたは複数を含んでもよい。Ｉ／Ｏデバイス１０８は、ユーザがシステム１００と対話する（interact）ことを可能にするインターフェースを提供するように構成され得る。システム１００は例示である。本発明のいくつかの実施形態では、エンティティのうちの１つまたは複数は、任意的であり得る。本発明のいくつかの実施形態では、図示されない付加的なエンティティが含まれ得る。例えば、いくつかの実施形態では、システム１００は、１つまたは複数のネットワークに関連付けられてもよく、これらのネットワークは、１つまたは複数のスイッチ、ルータなどを介して互いに通信可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、エンティティは、図１に示されたものとは異なる手法で構成され、または体系化されてもよい。図１に示されるエンティティのうちの１つまたは複数は、本明細書において説明されるデバイスまたはエンティティのうちの１つまたは複数と関連付けられてもよい。

図２および図３は、回転式磁場ホール測定システムとして使用され得るシステム・アーキテクチャ２００を示す。アーキテクチャ２００は、１つまたは複数のデバイスまたはエンティティ、例えば、図１のシステム１００に関連して上述されたデバイスおよびエンティティなどに関連して作動し得る。図２および図３において示されるように、アーキテクチャ２００は、回転磁場ホール装置として提供され得、モータ２０２によってギアボックス２０３を介して回転するように駆動される、第１のまたは電動の円筒状の磁石２０１と、第２のまたは自由に回転する円筒状の磁石２０４であって、電動磁石２０１の駆動およびその結果として生じる回転が、自由回転磁石２０４の対応する回転を促進させるマスタ・スレーブ構成において電動磁石２０１と共に回転する、第２のまたは自由に回転する円筒状の磁石２０４と、被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージ２０５と、第１のコントローラ２０６および第２のコントローラ２０７と、直交磁場センサ・システム２０８とを含む。電動磁石２０１および自由回転磁石２０４は各々、横方向（直径方向（diametric））磁化（すなわち、直径に沿った磁化）を伴う円筒状の磁石であり得る。それらは、ＤＵＴ２０５２（以下で説明される）の中心における一方向の場、高純度の単一の調和振動場の振動、および強い磁場（すなわち、ピークピーク値が約２Ｔ）を含む、いくつかの重要な特性をもたらす、回転マスタ・スレーブ磁石システムを形成する。

ＤＵＴステージ２０５は、電動磁石２０１と自由回転磁石２０４との間に介在可能であり、ＤＵＴ２０５２を配置可能な面を有する。ＤＵＴ２０５２は、電流を受け取るための４つ以上の端子を備えたホール・サンプルまたはファンデルパウ・サンプルとして提供され、第１の向きまたは第２の向きで載せられ得る。例えば、ＤＵＴ２０５２が、水平に載せられる場合、ＤＵＴ２０５２は、ホール測定のために位置付けられ得る。反対に、別の例として、ＤＵＴ２０５２が、垂直に載せられる場合、ＤＵＴ２０５２は、以下に説明されるように、側方から来る光を用いた光電磁（ＰＥＭ）試験のために位置付けられ得る。

第１のコントローラ２０６は、磁石タワー２１０として提供され、電動磁石２０１と自由回転磁石２０４とのうちの少なくとも一方を、少なくとも第１の次元に、例えば、垂直次元またはＺ軸次元などに動かすように配置される。第２のコントローラ２０７は、ステージ・タワー２２０として提供され、ＤＵＴステージ２０５を、第２の次元および第３の次元、例えば、横次元またはＸ軸次元およびＹ軸次元などだけでなく、第１の次元にも動かすように配置される。実施形態によれば、磁石タワー２１０とステージ・タワー２２０との両方は、これらが両者の間に比較的小さい距離を有して並んで立つように、実質的に平面であるプラットフォーム２３０に取り付けられ得る。モータ２０２も、支持のためにプラットフォーム２３０に取り付けられ得る。磁石タワー２１０とステージ・タワー２２０とは両方とも、プラットフォーム２３０から第１の次元に（すなわち、上方へ）延在する細長い機構である。

磁石タワー２１０は、電動磁石２０１と自由回転磁石２０４との間の距離、およびいずれかの磁石とＤＵＴステージ２０５またはＤＵＴ２０５２との間の距離の測定を容易にする定規機構２１１を含む。ストッパ２４０も、自由回転磁石２０４が移動することができる距離を制限するために、プラットフォーム２３０に取り付けられる。ストッパ２４０は、ねじ軸と、対応するねじストッパ要素とを含み、ねじストッパ要素は、予め定義された位置を取るように、この軸の周りで回転し得る。この位置において、ストッパ要素の上面は、自由回転磁石２０４が所与の距離を超えてＤＵＴ２０５２へ向かって動くことを防止する機械的な干渉デバイスとしての機能を果たす。

本発明の実施形態によれば、電動磁石２０１は、駆動軸２０１０に回転可能に配置された円筒状の磁石であり、駆動軸２０１０は、ギアボックス２０３から、プラットフォーム２３０に取り付けられた支持機構まで延在して、第１の回転軸を規定する。したがって、電動磁石２０１は、モータ２０２によってギアボックス２０３を介して提供される回転駆動入力に応じて、第１の回転軸の周りで回転する。自由回転磁石２０４は、軸２０４０に回転可能に配置された円筒状の磁石であり、軸２０４０は、磁石タワー２１０に取り付けられた支持フランジ間で、自由回転磁石２０４を貫通して延在して、第２の回転軸を規定し、自由回転磁石２０４は、第２の回転軸の周りで回転する。電動磁石２０１と自由回転磁石２０４とは、第１の回転軸と第２の回転軸とが対応して互いに実質的に平行な状態で、互いに実質的に平行であり得る。自由回転磁石２０４は、電動磁石２０１の回転によって発生した磁場とのその相互作用（interaction）の結果として回転する。

直交磁場センサ・システム２０８は、第１のセンサ２５０と、第２のセンサ２６０とを含む。第１のセンサ２５０は、尖塔（spire）の遠位端部に位置し、電動磁石２０１の下向きの横方向の（すなわち、非縦方向の）面に面するように配置され得る。したがって、第１のセンサ２５０は、第１の次元において上方へ面し得る。第２のセンサ２６０は、尖塔の遠位端部に位置し、電動磁石２０１の側方に面する側面に面するように配置され得る。したがって、第２のセンサ２６０は、第２の次元または第３の次元のいずれかにおいて側方に面し得る。いずれにせよ、第１のセンサ２０１および第２のセンサ２０４は、電動磁石２０１およびおそらくは自由回転磁石２０４の位置の初期化を協働して促進する。第１のセンサ２０１および第２のセンサ２０４は、位相敏感検波動作またはロックイン・ホール信号検出動作のための同相基準信号および違相基準信号を生成するようにさらに構成されてもよい。

電動磁石２０１が、第１の回転軸の周りで回転すると、電動磁石２０１は、ＤＵＴステージ２０５の近くに磁場を発生させる。同様に、自由回転磁石２０４が、第２の回転軸の周りで回転すると、自由回転磁石２０４は、ＤＵＴステージ２０５の近くに磁場を発生させる。これらの２つの磁場のうちの少なくとも一方または両方は、いくつかの場合に、磁束コンセントレータの存在によって増加され得る。磁束コンセントレータは、第１の磁束コンセントレータ２７０および第２の磁場コンセントレータ２７１として提供され得る。第１の磁場コンセントレータ２７０は、電動磁石２０１とＤＵＴステージ２０５の下面との間に介在させる。反対に、第２の磁束コンセントレータ２７１は、自由回転磁石２０４とＤＵＴステージ２０５またはＤＵＴ２０５２自体の上面との間に介在させる。

本発明の実施形態によれば、第１の磁束コンセントレータ２７０および第２の磁束コンセントレータ２７１は、高透磁率材料、例えば、鉄−ニッケルを含む材料またはその合金などから形成され得る。

図２および図３をさらに参照すると、アーキテクチャ２００は、光源２８０と、接触端子２９０とをさらに含み得る。光源２８０は、プラットフォーム２３０に取り付けられた支持部材２８１の遠位端部上に支持され、ＰＥＭ動作の実行のためにＤＵＴ２０５２へ向かって光を発するように配置される。接触端子２９０は、プラットフォーム２３０に直接取り付けられてもよく、試験動作中にＤＵＴ２０５２へ直流を提供するための機能を果たす。

図４〜図９を参照すると、図１および図２のアーキテクチャ２００によって表わされるシステムは、第１のモードまたは第２のモードで動作させられ得る。第１のモードは、ＤＵＴ２０５２上の磁場が固定するように保持され（例えば、＋−Ｂ_ｍａｘ，０）、ホール測定が行われる、静的（すなわち、直流またはＤＣ）磁場モードまたは標準の静的な磁場ホール・システムである。第２のモードは、磁場が連続的に回転し、ホール測定が行われる連続回転（すなわち、交流またはＡＣ）磁場モードである。上記で述べたように、第２のモード中に、直交磁場センサ・システム２０８は、磁石位置を初期化して、ＤＵＴ２０５２上の磁場が最大となるゼロ度（θ＝０）を決定する。この位置は、いつ第２のセンサ２６０がゼロ度を有するかをモニタすることによって、より正確に決定され得る。なぜならば、この位置において、第１のセンサ２５０が最大に近くなるからである。

ＤＵＴ２０５２上の磁場振動（Ｂ_ｍａｘ）の振幅は、ホール測定の精度に影響するので、正確に決定されることが重要であるという理解の下で、アーキテクチャの動作がここで説明されるであろう。電動磁石２０１および自由回転磁石２０４が回転し、対応する磁場が回転すると、少なくとも電動磁石２０１の位相角は、θ＝ω_ＲＥＦｔとして与えられ、ここで、ω＝２πｆ_ＲＥＦであり、ｆ_ＲＥＦは基準回転数であり、ｔは時間である。ＤＵＴ２０５２上の基準磁場は、次のように与えられる。
Ｂ_ＲＥＦ（ｔ）＝Ｂ_ｍａｘｃｏｓ（ω_ＲＥＦｔ）

Ｂ_ｍａｘは、ＤＵＴ２０５２上の平均磁場であり、電動磁石２０１と自由回転磁石２０４との間の間隔ｇ、およびＤＵＴ２０５２のサイズｓに依存する。間隔ｇは、磁石タワー２１０上で読み取る定規機構２１１から決定され得る。Ｂ_ｍａｘは、直径方向の磁石の磁場の方程式を使用して決定され得る。間隔ｇの中心においてｙ−ｚ平面に置かれたサイズｓｘｓのＤＵＴ２０５２を仮定すると、磁場は、次のように与えられる。

平均最大磁場は、サンプル・サイズ上で平均値を求められる。
Ｂ_ｍａｘ（ｇ，ｓ）＝∫Ｂ_Ｍ（ｙ，ｚ）ｄｙｄｚ／ｓ^２

磁場決定の例は、図６および図７のプロットにおいて示されている。図６は、間隔ｇが大きくなるにつれてＢ_ｍａｘが低下することを示し、図７も、ＤＵＴ２０５２のサイズｓが大きくなるにつれてＢ_ｍａｘが低下することを示す。したがって、Ｂ_ｍａｘは、これらのプロット、または上記で与えられた方程式、所与の磁石磁化Ｍ、長さＬ、半径ａ、間隔ｇおよびＤＵＴ２０５２のサイズｓを使用して決定され得る。

図１を再び参照し、図８および図９をさらに参照し、プロセッサ１０６およびＩ／Ｏ装置が、アーキテクチャ２００の様々な構成要素を制御し、この様々な構成要素と通信するために採用され、第１のプログラム１０４ａおよび第２のプログラム１０４ｂのうちの少なくとも一方または両方が、アーキテクチャ２００の様々な構成要素の管理のための制御ソフトウェアとして構成され得るという理解の下で、制御ソフトウェアは、方法を実行し得る。本方法は、ＤＵＴ２０５２がＤＵＴステージ２０５の概ね中心に載せられること（動作６００）、間隔ｇおよびＤＵＴ２０５２のサイズｓを測定して、Ｂ_ｍａｘを決定すること（動作６０１）、およびＤＵＴ２０５２の接触抵抗（Ｒ_Ｃ）およびシート抵抗（Ｒ_Ｓ）を測定すること（動作６０２）で始まる。本方法は、ホール抵抗（Ｒ_ＸＹ）を測定し、電動磁石２０１のモータ周波数ｆ_ＲＥＦおよびサンプル電流Ｉ_Ｓを選ぶこと（動作６０３）、電動磁石２０１を回転させ、ホール抵抗（Ｒ_ＸＹ）および磁場センサＢ_ＲＥＦ対時間を記録すること（動作６０４）、バックグラウンド除去および電力スペクトル分析によってホール信号（Ｒ_ＸＹ）を処理すること（動作６０５）へと続く。

動作６０５のホール信号（Ｒ_ＸＹ）の処理については、手動または自動の未処理データ選択が実行されて、最終的な位相敏感検波出力に悪影響を与え得る一時的または瞬間的な信号が回避され、バックグラウンド・データが除去され、フーリエ変換（ＦＴ）および電力スペクトル密度（ＰＳＤ）分析が行われて、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の計算だけでなく、未処理の信号の数値的な位相敏感検波／ロックイン分析が可能になる。

未処理のホール信号は、次のように与えられる。

ここで、Ｒ_ＸＹは、未処理の横抵抗またはホール信号であり、Ｒ_ＸＸは、縦抵抗であり、ｎは、キャリア密度であり、ｄは、ＤＵＴ２０５２の厚さであり、ｅは、電子電荷であり、Ａは、有効なループ領域であり、Ｉ_Ｓは、ＤＵＴ２０５２を通過する電流源であり、αは、ＤＵＴ２０５２の非対称性に起因してＲ_ＸＹに現われるＲ_ＸＸの小数部であり（０＜α＜１）、Ｎ（ｔ）は、雑音または信号の残部である。

次いで、制御ソフトウェアは、数値的な段階的検出を行って、以下のように与えられる同相信号Ｘ（所望のホール信号）と違相信号Ｙ（寄生ｅｍｆ電圧）とを分離する。

ここで、Ｔは、信号処理ソフトウェアによって調整され得るロックイン時定数τの倍数と等しい積分期間である。

次いで、ホール信号は、ｆ_ＲＥＦに信号が存在するかどうかを確かめるために、周波数領域において調べられる必要がある。このために、フーリエ変換および電力スペクトル密度（ＰＳＤ）分析が行われる。ＰＳＤ分析は、未処理の信号中の周期性（すなわち、所望のホール信号）を向上させる。なぜならば、ＰＳＤは、信号の自己相関のフーリエ変換と等しいからである。次いで、ソフトウェアは、測定におけるＳ／Ｎ比だけでなく、最終的な結果を計算し、そのレポートを生成する。
Ｘ＝Ｂｍａｘ／ｎｄｅ、Ｙ＝ＢｍａｘωＡ／ＩＳ、ｎ＝Ｂｍａｘ／Ｘｄｅ、μ＝１／ｎｅρであり、ここで、ρは、縦方向のファンデルパウ測定から取得され得るサンプルの抵抗率である。信号対雑音比は、Ｓ／Ｎ＝＜Ｘ（ｔ）^２＞／＜Ｒ_ＸＹ ^２（ｔ）＞として与えられる。

したがって、図８に戻ると、本方法は、ホール電力スペクトル密度（ＰＳＤ）が、ｆ_ＲＥＦに存在するピークを有するか否かを決定すること（動作６０６）を含む。次いで、ホール電力スペクトル密度（ＰＳＤ）が、ｆ_ＲＥＦに存在するピークを有しない場合には、本方法は、収集時間を増加させ、または欠陥のある接触／デバイスを修理すること（動作６０７）を含み、その後、制御は動作６０２へ戻る。あるいは、ホール電力スペクトル密度（ＰＳＤ）が、ｆ_ＲＥＦに存在するピークを有する場合、本方法は、同相（Ｘ）信号成分と違相（Ｙ）信号成分との抽出、および信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の計算と共に、ホール信号に対するロックイン検出を実行すること（動作６０８）を含む。

いったん動作６０８が完了すると、違相（Ｙ）信号が同相（Ｘ）信号よりもはるかに大きいかどうかの決定が行われる（動作６０９）。次いで、違相（Ｙ）信号が同相（Ｘ）信号よりもはるかに大きいと決定された場合、モータ周波数ｆ_ＲＥＦは、低減され、またはサンプル電流Ｉ_Ｓが増加され（動作６１０）、制御は動作６０３へ戻る。あるいは、違相（Ｙ）信号が、同相（Ｘ）信号よりもあまり大きくないと決定された場合、最終的な結果が計算される（動作６１１）。最終的な結果は、ＤＵＴ２０５２がＮ型キャリアであるのかまたはＰ型キャリアであるのか、キャリア移動度およびキャリア密度に関連する。

図９に示されるように、制御ソフトウェアは、ユーザが少なくともホール測定を監視することができるユーザ・インターフェース７００も表示ユニット上に生成し得る。そのようなユーザ・インターフェース７００は、ＤＵＴ２０５２における、およびＤＵＴ２０５２の周りの磁場の読み出し７０１、フーリエ変換が適用された磁場の読み出し７０２、未処理のホール信号Ｒ_ＸＹ７０３、未処理のホール信号Ｒ_ＸＹ７０３の有効性のチェックのためのホール電力スペクトル密度（ＰＳＤ）７０４、ロックイン出力Ｘ、ＹおよびＳ／Ｎ７０５、ならびに調整可能なロックイン時定数７０６を少なくとも含み得る。

本明細書において使用される用語は、本発明の特定の実施形態を説明する目的のためのものに過ぎず、本発明を限定することは意図されていない。本明細書において、「一（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈が特に明示しない限り、複数形も含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」あるいはその両方の用語は、この明細書において使用される場合、言及された機構、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素あるいはこれらの組合せの存在を特定するが、もう１つの他の機構、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、または、これらのグループあるいはこれらの組合せの存在または追加を妨げない。

下記の特許請求の範囲における、すべてのミーンズ・プラス・ファンクション要素またはステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造、材料、行為、および均等物は、他の特許請求された要素との組合せにおいて、その機能を行うための任意の構造、材料、または行為を、具体的に特許請求されたものとして含むことが意図される。本発明の説明は、例示および説明の目的のために提示されてきたが、包括的であること、または本発明を開示された形態に限定することは意図されていない。多くの変更および変形が、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者にとって明らかとなるであろう。本発明の実施形態は、本発明の原理および実用的な適用例を最も良く解説し、他の当業者が、想定される特定の使用に適するように様々な変更を伴う様々な実施形態について本発明を理解することを可能にするために、選ばれ、説明された。

本明細書において図示されているフロー図は、あくまでも１つの例である。本発明の範囲から逸脱することなく、この図またはこの図において説明されたステップ（または動作）に対する多くの変形が存在し得る。例えば、ステップは、異なる順序で行われてもよく、またはステップは、加えられても、削除されても、もしくは変更されてもよい。これらの変形のすべてが、特許請求された発明の一部とみなされる。

本発明の好適な実施形態が説明されてきたが、当業者は、現在も将来も、添付の特許請求の範囲に含まれる様々な改良および向上を行い得ることが理解されるであろう。これらの請求項は、最初に説明される発明についての適切な保護を維持するように解釈されるべきである。

Claims (20)

1. 回転磁場ホール装置であって、
   マスタ・スレーブ構成として配置された第１の磁石および第２の磁石と、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に介在可能な被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージであって、前記ＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置可能である、前記ＤＵＴステージと、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石との間で前記ＤＵＴステージを中心に置くように配置されたコントローラと、
   前記第１の磁石および前記第２の磁石の位置の初期化を促進し、位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号を生成するために配置された直交磁場センサと
   を備える、回転磁場ホール装置。
2. 前記磁場センサは、前記第１の磁石の側面の横に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の磁石は、横方向磁化を有する電動の円筒状の磁石を備え、
   前記第２の磁石は、前記電動磁石と共に回転する自由に回転する円筒状の磁石を備え、
   前記コントローラは、前記電動磁石および前記ＤＵＴステージをそれぞれ動かすために配置される第１のコントローラおよび第２のコントローラを含む、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の磁石および前記第２の磁石は、平行に配置される、請求項２または請求項３に記載の装置。
5. 前記第１の磁石および前記第２の磁石のうちの一方の磁場を増加させるための磁束コンセントレータをさらに備える、請求項２または請求項３に記載の装置。
6. 前記磁束コンセントレータは、前記第１の磁石と前記ＤＵＴステージとの間に介在される第１の磁束コンセントレータと、前記第２の磁石と前記ＤＵＴステージとの間に介在される第２の磁束コンセントレータとして提供される、請求項５に記載の装置。
7. 前記磁束コンセントレータは、高透磁率材料を含む、請求項５に記載の装置。
8. 前記ＤＵＴへ向かって光を発するために配置された光源をさらに備える、請求項２または請求項３に記載の装置。
9. 前記ＤＵＴは、ホール・サンプルまたはファンデルパウ・サンプルを備え、前記ＤＵＴに電流を供給するために配置された接触端子パネルをさらに備える、請求項２または請求項３に記載の回転磁場ホール装置。
10. 前記第１のコントローラは、前記電動磁石を第１の次元に動かし、前記第２のコントローラは、前記ＤＵＴステージを前記第１の次元および第２の次元および第３の次元に動かす、請求項３に記載の装置。
11. 前記自由回転磁石の前記第１の次元における動きを制限するために配置されたストッパをさらに備える、請求項１０に記載の装置。
12. 前記電動磁石と前記自由回転磁石と間の前記第１の次元における距離を決定するための定規をさらに備える、請求項１０に記載の装置。
13. 前記直交磁場センサは、前記電動磁石の側面の横に配置される、請求項３に記載の装置。
14. 回転磁場ホール装置を動作させる方法であって、
    マスタ・スレーブ構成として第１の磁石および第２の磁石を配置することと、
    前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に被試験デバイス（ＤＵＴ）ステージを介在させることと、
    前記ＤＵＴステージ上に、ホール測定のための第１の向きまたは光電磁（ＰＥＭ）試験のための第２の向きでＤＵＴを配置することと、
    前記第１の磁石と前記第２の磁石との間で前記ＤＵＴステージを中心に置くことと、
    前記第１の磁石および前記第２の磁石の位置の初期化を促進することと、
    位相敏感検波またはロックイン・ホール信号検出のための同相基準信号および違相基準信号を生成することと、
    を含む、方法。
15. 前記第１の磁石および前記第２の磁石を平行に配置することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の磁石および前記第２の磁石のうちの一方の磁場を増加させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第１の磁石と前記ＤＵＴステージとの間に第１の磁束コンセントレータを介在させることと、
    前記第２の磁石と前記ＤＵＴステージとの間に第２の磁束コンセントレータを介在させることと、
    をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＤＵＴへ向かって光を発することと、前記ＤＵＴに電流を供給することとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
19. コンピューティング・システムであって、
    プロセッサと、
    プログラムが記憶されるメモリであって、前記プログラムは、実行されると、前記プロセッサに、請求項１４ないし１８のいずれかに記載のように回転磁場ホール装置を管理させる、前記メモリと、
    を備える、コンピューティング・システム。
20. 前記プロセッサは、最終的なホール信号を抽出するために信号処理を行うように構成され、
    データ選択およびバックグラウンド除去のための信号調節システムと、
    電力スペクトル密度分析システムと、
    ロックイン検出および信号対雑音比計算のためのシステムと
    を備える、請求項１９に記載のコンピューティング・システム。