專利名稱：一種強磁場的霍爾效應測試裝置及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測試技術領域，特別是一種強磁場的霍爾效應測試裝置及其測試方法。
背景技術：
霍爾效應測試是半導體材料研究領域中的一個基本的測試方法，其可以測量半導體外延膜的諸多性能，如半導體材料導電類型、電阻率、薄膜電阻、載流子濃度、遷移率等的數值。對于寬禁帶半導體材料而言，p型摻雜一直是其被廣泛應用所面臨的一大難點。由于寬禁帶半導體材料的空位等原因，非故意摻雜的寬禁帶材料通常呈現n型。所以要獲得P型材料必須進行重摻雜，使表觀空穴濃度大大超過電子濃度，復合掉空位等原因形成的n型載流子，以宏觀上形成空穴載流子為主的p型材料。工藝上還得用退火或低能離子輻射來對p型材料處理，使摻雜雜質活化，降低其活化能，提高空穴濃度。一般而言，p型材料的空穴濃度和n型的電子濃度相比較是非常小的，小兩個數量級。通常的霍爾測試設備中通常固體磁鐵作為磁場源，其磁感應強度非常弱的，僅有幾百到一兩高斯。這對于測量高濃度的n型材料是適用的，但對與寬禁帶半導體p型材料來說很難得到準確的結果。和強磁場相比，在很弱的磁場下，相同的電流產生的霍爾電壓小得很多，由于愛延豪森效應、能斯特效應、里紀——勒杜克效應等能產生側向電壓，此時真正測得的霍爾電壓是幾個的合成值。這樣測得的數值誤差相當大的，甚至p型的材料會誤測成高阻的n型材料。只有采用高強度的磁場，增大產生的霍爾電壓，使由上述幾個原因產生的電壓變得可以忽略，測量的結果才能準確。此外通常采用人工手動調節(jié)電流計算數據，經常產生人為的差錯，產生一系列的問題(1)人工讀數和調節(jié)電流誤差明顯，精度難以保證；(2)人工控制極性變換容易出錯；(3)人工數據處理可靠性差，效率低下。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是要克服寬禁帶半導體霍爾效應測量設備中存在的技術與方法問題，設計出一種強磁場的霍爾效應測試裝置及所需的測試軟件，以實現自動測量、自動轉換極性、自動處理數據，準確方便地進行工作。
本發(fā)明設計了一種強磁場的霍爾效應測試裝置。該發(fā)明的特征在于考慮了外延寬禁帶半導體p型材料霍爾測試的困難，采用了高磁場強度的電磁鐵組作為磁源，而非采用普通的固體永磁鐵，并采用自動控制電路及程序。該設計的特點是(1)高強度的磁場使得產生的霍爾電壓顯著增大，從而測量結果精度提高；(2)為獲得高強度的磁場而采用三相交流電輸入的可控穩(wěn)壓直流源，使磁場強度可調且穩(wěn)定性好；(3)測量過程中自動化程度高，避免了可能引起誤差或錯誤的人為因數，使測量更為準確便捷。
本發(fā)明的強磁場型的霍爾效應測試裝置，由外延片、電磁鐵組、恒流源、極性控制電路、可控穩(wěn)壓源、測量電路、計算機、三線交流電、溫控裝置等連接構成。具體的線路連接計算機的輸出控制線分別與極性控制電路、可控穩(wěn)壓源連接；測量電路的輸出線與計算機的輸入控制線連接；恒流源輸出線與極性控制電路輸入線連接；外延片的輸入輸出線分別與極性控制電路的輸出輸入控制線連接；可控穩(wěn)壓源的輸出線與電磁鐵組的輸入線連接；三線交流電的輸出線與可控穩(wěn)壓源的輸入線連接；溫控裝置獨立控制。
所述測量電路功能由數據采集卡和模數轉換卡完成，它們插入計算機PCI總線接口。數據采集卡可以采用AC6040板，其具有4路雙端模擬輸入，16路開關量——8路輸入及8路輸出。模數轉換卡可采用ADLINKPCI-7248等的。
極性控制電路功能由電磁繼電器組和運算放大器及數模轉換卡來實現。計算機發(fā)出的指令經數模轉換卡變成模擬信號，經過運算放大器來取動相應電磁繼電器，實現外延片上輸入輸出線及各自電流方向的變化。
可控穩(wěn)壓源由三相整流模塊(六個可控硅)、整流模塊驅動器、比較器等構成?？刂菩盘栠M入比較器，與取樣電流相比較，比較器給整流驅動模塊反饋移相信號，來改變可控硅相位，從而達到對直流電壓的調節(jié)與保持穩(wěn)定。
溫控裝置由杜瓦瓶、電阻絲、熱電偶、冷卻管道、控制器等構成。
恒流源由由小型穩(wěn)壓電源構成。
電磁鐵組由大功率電磁鐵及冷卻循環(huán)系統(tǒng)構成。
片狀樣品的霍爾電勢測量中，片狀樣品上有四個接觸電極ABCD，如圖2?？刂瞥绦蜻\行時，通過極性控制電路，首先讓CD電極通以電流，由極性控制電路和可控穩(wěn)壓源，變換電流和磁場的極性，分別對應于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四組值，測出AB電極之間的電勢差(VAB)1、(VAB)2、(VAB)3、(VAB)4，然后自動讓AB電極通以電流，分別對應于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四組值，測出CD探針之間的電勢差(VCD)1、(VCD)2、(VCD)3、(VCD)4，每次改變極性時，自動延時500毫秒，以使電流和磁場穩(wěn)定，測量過程中每一步驟銜接緊湊，有利于減少電流流過樣品時產生較大的熱量，由VAB、VCD可計算出相應的霍爾系數RHA、RHB，如果兩者相差超過±10％，就認為樣品是不均勻的。采用四組數據計算的霍爾系數能有效地消除或減弱愛延豪森效應、能斯特效應、里紀——勒杜克效應等帶來的誤差，提高了測量精度。
本發(fā)明的工作原理及電路工作原理如下外延片做好歐姆接觸電極，安置于樣品架，根據需要可放入杜瓦瓶保持溫度恒定，樣品架或杜瓦瓶置于兩磁極間，調節(jié)好所需的溫度，接通三線交流電源打開冷卻循環(huán)水并打開計算機，在pc計算機上運行該裝置的控制程序，測量開始初始化，選擇合適的電流量程，輸入測試樣品的標號膜厚參數，輸入重復測量的次數，計算機自動控制和測量，再改變樣品周圍的溫度，重復上述過程，測量結束后，程序進行各參數的計算，完成測試。
本發(fā)明強磁場的霍爾效應測試裝置測量過程如下(1)外延片做好電極，連接好導線，放置在樣品架上，然后把樣品架連同樣品一起放在杜瓦瓶中，通入液氮或液氦到杜瓦瓶，用放置在樣品室中的適用于低溫的熱電偶來測量樣品的環(huán)境溫度，調節(jié)到適當溫度，如只需室溫測量，把杜瓦瓶放置在兩個磁極之間，并使磁力線垂直于外延片的兩個平面，如只需室溫測量，則直接把樣品架放置于兩磁極之間；(2)通三線交流電源，運行計算機控制程序，根據程序要求，依次輸入各參數，確認無誤后，點擊測量按鍵，程序自動測量并計算出外延片的導電類型、體或膜的載流子濃度、電阻率、遷移率、薄膜電阻等的數值；(3)可以改變樣品環(huán)境溫度，在新的平衡溫度下繼續(xù)測量相關參數；(4)將測量結果存檔或者打印出來，測試結束。
這樣的設計具有如下優(yōu)點(1)可以對寬禁帶半導體p型材料的霍爾參數準確方便測量；(2)利用杜瓦瓶、液氮或液氦、加熱電阻絲、熱電偶能實現從10K到400K的溫度連續(xù)變化，擴展了測量范圍；(3)利用三相交流電經可控穩(wěn)壓變換成直流電，既產生了較高的直流電壓，又保證了直流電壓的穩(wěn)定，而且可以由計算機控制電壓的變化。


下列附圖給出了本發(fā)明強磁場型的霍爾效應測試裝置原理及測試流程圖，本文中說明和介紹都是基于以下圖紙進行解釋的。
圖1是本發(fā)明的強磁場型的霍爾效應測試裝置結構示意圖。
圖2是范德堡法的電極示意圖。
圖3是該裝置的測試流程框圖。
具體實施例方式由圖1可以看出，本發(fā)明的一種強磁場的霍爾效應測試裝置，由外延片1、電磁鐵組2、恒流源3、極性控制電路4、可控穩(wěn)壓源5、測量電路6、計算機7、三相交流電8、溫控裝置9等連接構成。具體的線路連接計算機7的輸出控制線分別與極性控制電路4、可控穩(wěn)壓源5連接；測量電路6的輸出線與計算機7的輸入控制線連接；恒流源3輸出線與極性控制電路4輸入線連接；外延片1的輸入輸出線分別與極性控制電路4的輸出輸入控制線連接；可控穩(wěn)壓源5的輸出線與電磁鐵組2的輸入線連接；三相交流電8的輸出線與可控穩(wěn)壓源5的輸入線連接；溫控裝置9獨立控制。
由圖2可以看出，實際上這就是范得堡法的應用。
由圖3可以看出，程序開始，初始化，調節(jié)樣品環(huán)境溫度，選擇適當量程的電流表，輸入樣品的編號、膜厚以及測量次數等相關信息，調節(jié)磁場強度，測量就自動進行，接著變溫，在新的溫度條件下開始新的測量，測量完畢后，自動進行數據處理，打印出來或者存檔，測試結束。
本發(fā)明的具體實施過程如下(1)電磁鐵要求能產生20000高斯，必須有循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可委托專業(yè)廠家制造。
(2)所用電路板可布完線委托專業(yè)廠家加工。
(3)所需的控制程序可用高級語言編寫。
(4)所用的溫控裝置可以購買成品。
所用的數據采集卡可以采用AC6040板，其具有4路雙端模擬輸入，16路開關量——8路輸入及8路輸出。模數轉換卡可采用ADLINK PCI-7248等的均可。都能在市場上購買到。
權利要求
1.一種強磁場的霍爾效應測試裝置，由外延片、電磁鐵組、恒流源、極性控制電路、可控穩(wěn)壓源、測量電路、計算機、三相交流電、溫控裝置連接構成，具體的線路連接計算機的輸出控制線分別與極性控制電路、可控穩(wěn)壓源輸入控制線連接；測量電路的輸出線與計算機的輸入控制線連接；恒流源輸出線與極性控制電路輸入線連接；外延片的輸入輸出線分別與極性控制電路的輸出輸入控制線連接；可控穩(wěn)壓源的輸出線與電磁鐵組的輸入線連接；三線交流電的輸出線與可控穩(wěn)壓源的輸入線連接；溫控裝置獨立控制。
2.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，測量電路由數據采集卡和模數轉換卡完成，插入計算機PCI總線接口，數據采集卡可以采用AC6040板，其具有4路雙端模擬輸入，16路開關量——8路輸入及8路輸出，模數轉換卡可采用PCI-7248的。
3.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，極性控制電路由電磁繼電器組和運算放大器及數模轉換卡來實現。
4.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，可控穩(wěn)壓源由三相整流模塊、整流模塊驅動器、比較器構成。
5.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，溫控裝置由杜瓦瓶、電阻絲、熱電偶、冷卻管道、控制器構成。
6.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，恒流源由小型穩(wěn)壓電源構成。
7.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，電磁鐵組由大功率電磁鐵及冷卻循環(huán)系統(tǒng)構成。
8.如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，測量過程控制程序運行時，通過極性控制電路，首先讓CD電極通以電流，由極性控制電路和可控穩(wěn)壓源，變換電流和磁場的極性，分別對應于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四組值，測出AB電極之間的電勢差(VAB)1、(VAB)2、(VAB)3、(VAB)4，然后自動讓AB電極通以電流，分別對應于(+I+B)、(-I+B)、(-I-B)、(+I-B)四組值，測CD探針之間的電勢(VCD)1、(VCD)2、(VCD)3、(VCD)4，每次改變極性時，自動延時500毫秒，以使電流和磁場穩(wěn)定，測量過程中每一步驟銜接緊湊，有利于減少電流流過樣品時產生較大的熱量，由VAB、VCD可計算出相應的霍爾系數RHA、RHB，如果兩者相差超過±10％，就認為樣品是不均勻的，采用四組數據計算的霍爾系數能有效地消除或減弱愛延豪森效應、能斯特效應、里紀——勒杜克效應等帶來的誤差，提高了測量精度。
9如權利要求1所述的強磁場的霍爾效應測試裝置，其特征在于，測試步驟如下(1)將外延片做好電極，連接好導線，放置在樣品架上，然后把樣品架連同樣品一起放在杜瓦瓶中，通入液氮或液氦到杜瓦瓶，用放置在樣品室中的適用于低溫的熱電偶來測量樣品的環(huán)境溫度，調節(jié)到適當溫度，如只需室溫測量，把杜瓦瓶放置在兩個磁極之間，并使磁力線垂直于外延片的兩個平面，如只需室溫測量，則直接把樣品架放置于兩磁極之間；(2)接通三線交流電源，運行計算機控制程序，根據程序要求，依次輸入各參數，確認無誤后，點擊測量按鍵，程序自動測量并計算出外延片的導電類型、體或膜的載流子濃度、電阻率、遷移率、薄膜電阻的數值；(3)可以改變樣品環(huán)境溫度，在新的平衡溫度下繼續(xù)測量相關參數；(4)將測量結果存檔或者打印出來，測試結束。
全文摘要
本發(fā)明設計了一種強磁場的霍爾效應測試裝置。該裝置由外延片、電磁鐵組、恒流源、極性控制電路、可控穩(wěn)壓源、測量電路、計算機、三相交流電、溫控裝置連接構成。該測試方法步驟(1)將外延片做好電極，連接好導線；(2)接通三線交流電源，運行計算機控制程序，根據程序要求，依次輸入各參數；(3)可以改變樣品環(huán)境溫度，在新的平衡溫度下繼續(xù)測量相關參數；(4)將測量結果存檔或者打印出來，測試結束。
文檔編號G01R33/00GK1885050SQ20051001198
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權日2005年6月23日
發(fā)明者張攀峰, 吳潔君, 胡衛(wèi)國, 劉祥林 申請人:中國科學院半導體研究所