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学术知识

液氮低温恒温器HCT│在半导体材料中霍尔系数变温测试的应用

半导体材料是现代工业中不可或缺的核心元素、它们具备独特的物理特性、能够在一定条件下调控电子的流动、从而展现出介于导体和绝缘体之间的导电性能。

在现代工业中、半导体材料发挥着举足轻重的作用。它们不仅是制造集成电路、微处理器、存储器等电子元件的基础材料、还广泛应用于通信、能源、医疗等多个领域。随着科技的不断发展、半导体材料在智能制造、物联网、新能源汽车等新兴领域中也展现出了巨大的潜力。它们的高性能、低功耗和可靠性使得现代电子设备更加高效、便捷和智能化、推动了整个工业体系的进步与发展。

半导体材料的主要测试参数有霍尔系数、载流子浓度、载流子迁移率和电阻率等[1]:

霍尔系数是半导体材料在磁场中电流行为的重要表征。通过测试霍尔系数、我们可以确定半导体材料中的载流子类型(电子或空穴)、进而分析材料的导电机制。霍尔系数的准确测量有助于我们深入理解材料的电学特性、为器件设计提供理论支持。

载流子浓度反映了半导体材料中参与导电的粒子数量。通过测试载流子浓度、我们可以评估材料的导电能力、并据此优化器件的电流承载能力和功耗。载流子浓度的变化还可能影响材料的能带结构和电学性能、因此对其进行测试有助于我们全面了解材料的性能特点。

载流子迁移率表示了载流子在电场作用下的移动速度。高迁移率意味着材料中的载流子能够更快地响应外部电场的变化、从而提高器件的响应速度和性能。因此、测试载流子迁移率对于优化半导体器件的动态性能具有重要意义。

电阻率是衡量半导体材料导电性能的基本参数。通过测试电阻率、我们可以评估材料的导电能力、为器件的功率损耗、散热设计等提供重要参考。电阻率的大小还受到温度、掺杂浓度等因素的影响、因此对其进行测试有助于我们了解材料在不同条件下的性能变化。

综上所述、测试半导体材料的霍尔系数、载流子浓度、载流子迁移率和电阻率等参数、对于全面理解材料的电学性能、优化器件设计以及提高器件性能具有重要意义。

然而、温度对半导体材料的霍尔系数、载流子浓度、迁移率和电阻率有显著影响。温度升高时、半导体内部原子振动加剧、导致载流子(电子或空穴)的激发数量增加、使载流子浓度增大。然而、同时原子振动也会增加载流子运动时的碰撞频率、降低其迁移率。霍尔系数则与载流子类型和浓度直接相关、因此也受温度影响。此外、载流子浓度的增加和迁移率的降低共同影响电阻率、通常导致电阻率随温度升高而降低。这些变化共同反映了温度对半导体材料电学性能的重要影响。

LakeShore M91是一款高性能的霍尔测试设备、广泛应用于半导体材料和器件的电学特性研究。该设备通过霍尔效应测量材料的电导率、载流子浓度和迁移率等参数、为材料的电学性能评估提供了重要的依据。而液氮低温恒温器HCT-1S是能够提供很好的温度梯度和高稳定性的温度场、待测样品放入其中、并通过定制化设计真空腔室、样品台、然后放入M91的磁铁中、并通过探针和线缆连接、从而实现在低温/变温下的霍尔效应测试、获得在不同温度下的霍尔系数、载流子浓度、载流子迁移率、电导率/电阻率等参数。具体方案可参考图1。

 

 

 

M91与液氮低温恒温器HCT-1S的联用方案

图1 M91与HCT-1S的联用方案

 

半导体材料中的IVB族过渡金属二硫化物(TMDs)是常用来研究的二维材料。其中、硫化锆ZrS2具有层状结构、适中的带隙和优异的物理特性、在光电探测器、场效应晶体管等器件中展现出巨大的应用潜力。Yan等人[2]通过化学气相沉积法(CVD)、本研究实现了在c面蓝宝石基底上外延生长高质量的大面积均匀ZrS2薄膜、观察到ZrS2与蓝宝石基底之间的超晶胞匹配关系、外延关系为外延关系

如图2所示、外延生长的ZrS2薄膜表现出n型半导体特性、变温测试结果显示、光学声子是室温及以上温度下的主要散射机制、而低温下迁移率的增加主要由于声子散射的减少。ZrS2薄膜在不同温度下的迁移率变化情况、低温下迁移率显著增加、表明低温条件下载流子散射减少。载流子浓度随温度变化的趋势、温度降低对载流子浓度的影响较小、表明ZrS2薄膜在宽温区内具有稳定的载流子浓度。电导率随温度的变化情况、低温下电导率显著提高、进一步验证了低温测试的优势。

ZrS2样品在M91和液氮恒温器HCT-1S联用设备中的测试结果 

图2 ZrS2样品在M91和HCT-1S联用设备中的测试结果

第四代半导体是半导体材料领域的重要进展、代表着新一代半导体技术的发展方向。与传统的半导体材料相比、第四代半导体具有更加优异的性能和特点。第四代半导体主要包括超宽禁带(UWBG)半导体材料和超窄禁带(UNBG)半导体材料两大体系。超宽禁带半导体材料、如金刚石、β相氧化镓(Ga2O3)和氮化铝(AlN)等、具有禁带宽度大、热导率高、化学稳定性好等特点、能够在极端条件下稳定运行、因此广泛应用于高功率电子器件、光电器件等领域。超窄禁带半导体材料、如锑化物半导体(GaSb、InSb)、则因其易激发、迁移率高等特性、在探测器、激光器等器件中展现出卓越的性能。

其中、β-Ga2O3具有超宽禁带(~4.9 eV)、高击穿电场(~8 MV/cm)、良好的化学和热稳定性等优点、是下一代高功率器件和太阳盲紫外探测器的有力候选材料。Qian等人[3]通过低压化学气相沉积(LPCVD)方法在蓝宝石衬底上生长β-Ga2O3薄膜、并进行氢等离子体处理。不同温度下的霍尔系数和载流子迁移率变化情况、揭示了氢掺杂对薄膜电学性能的显著影响。如图3(a)所示,载流子浓度随着温度的增加而几乎不变。图3揭示了半导体的迁移率通常受到多种散射机制的限制、包括离子化杂质或缺陷、晶格振动(声子)以及霍尔迁移率和离子化杂质散射。根据图3(b)、在100-250 K的温度范围内、与温度无关的散射是一个主要机制、而在室温下、其他机制可能起着更重要的作用。图3(c)显示、随着温度的升高、样品的电阻率略有增加、这可能是由于载流子浓度的变化导致的。

 

β-Ga2O3样品在M91和液氮低温恒温器HCT联用设备中的测试结果 

图3  β-Ga2O3样品在M91和HCT-1S联用设备中的测试结果

 

为实现低温霍尔效应的测试、武汉光谷薄膜可提供全套解决方案、通过液氮低温恒温器和霍尔测试仪进行匹配、对HCT-1S的样品台、样品腔等部分进行定制化设计、以配合常温霍尔设备的测试光路、从而实现78-800K范围内的变温霍尔效应测试。

液氮低温恒温器(HCT-1S)是能够提供很好的温度梯度和高稳定性的温度场、具有78--800K的宽温度范围、0.05K的高精度控温、10-4hPa的高真空度等特性、并可以为客户设计定制化样品台、匹配客户检测设备、可实现在低温下或变温下电学、磁学、电磁学、光学、光电学、热力学、力学、声学等性能测试。

 

 

[1] Kasap S. Hall effect in semiconductors[J]. Electron. Booklet, 2001, 1(1).

[2] Tian Y, Cheng Y, Huang J, et al. Epitaxial growth of large area ZrS2 2D semiconductor films on sapphire for optoelectronics[J]. Nano Research, 2022, 15(7): 6628-6635.

[3] Jiang Q, Meng J, Shi Y, et al. Electrical and optical properties of hydrogen plasma treated β-Ga2O3 thin films[J]. Journal of Semiconductors, 2022, 43(9): 092802.

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