光电子微纳制造工艺平台应用培训讲义(2008下学期) --霍尔效应测试仪Lake Shore 7704A
一、 霍尔效应
霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。
霍尔效应是研究半导体性质的一种基本方法，并广泛用于常规测量。随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度 。
二、仪器介绍
霍尔效应测试仪作为测定半导体材料的电磁特性的仪器可以得到材料的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数等数据，是掌握半导体材料特性所必需的设备。霍尔效应测定设备一般是由静电流源，显示Van De
r Pauw法则端子转换器，低温(77K)测定系统以及磁场强度集成在一起。Lake shore霍尔效应测试仪是拥有所有测定霍尔效应所需装置的系统，性能稳定、功能强大，在全球高校及半导体业界拥有广泛的用户和知名度。Lake Shore的霍尔效应测试系统可控制温度和磁场强度来产生正确、可靠的霍尔效应和电子传输测量结果，是一种先进的用于分析材料电传特性的系统。
可测试膜层材料：
半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶和多晶；单载流子和多载流子。
特斯拉效应
Most compound semiconductor materials, including pHEMTS, SiGe, SiC, InAs, InGaAs, InP, AlGaAs,HgCdTe, and ferrites; low resistance materials including metals, transparent oxides,
dilute magnetic semiconductors, and TMR materials; and high resistance materials, including semi-insulating GaAs and GaN, CdTe, and photodetectors.
应用: 测量分析载流子分布，以评估多层材料特性，并测量多载流子的具体性能。
通过测量活动载流子的密度来检查掺杂效力。
检查诸如：CVD和MBE的半导体生长系统的纯度。
控制半导体生产中的质量。
组成：
磁铁(可达6K高斯)、高斯计、精密电流源、精密电压、电流计、控制器、软件系统
美国LakeShore霍尔效应系统
三、使用Lake Shore 7704 测量半导体样品的测试步骤
（范德堡法）
Hall system, 4 in EM, 642 MPS, Low Voltage - Wide resistance - Auto Switching - High Sensitivity
A.制样
1．把样片切成一个小正方形
2．在正方形样片的四个角上镀上铟电极，如下图：
注意  1.样品的不规则几何形状和材料的不均匀状将造成电阻率的不均匀从而影响霍尔效应参数的测量计算，为了得到精确的测量结果，一定要保证
样品的长宽比为1，即样片切成正方形.因此，不建议用手工解理制备Si
片及蓝宝石基等样品.
2.镀电极用的烙铁温度一般设在350左右，如果是InP衬底的样片，注
意烙铁温度不要超过250.
3.烧结铟电极时要小心，不能有脱焊，极间距离要均匀，否则也不能进行
测试。
B．开机测试
1. 4个水龙头全部打开（向上）
2. 屋外的走廊处，最左边打开380V 电源
3. 打开控制柜最下面的磁铁电源380V
4. 打开控制柜最上面的总开关220V (控制中间2台)
5. 打开电脑，并把制好的样片用设备里的样片夹固定，样片夹的4根脚与电极接触良好后，再放入设备测量。注意取放样品时要小心别碰探头和磁铁。
6. 点击short to HMS，打开测量软件
7. 首先点击new Sample设置测量参数，Sample Type――Vande Pauw 法，设置膜厚和样片长度后SAVE AS命名保存
8. 进行单点测试样品为高阻还是低阻。点击软件菜单工具条右边的Resistance，DC Current默认为1mA, 对于高阻，电流要更小100μA或10μA或更小的量级，如果测量阻值大于100K， Resistance Range 要选择High。 然后依次测量不同的电极组合（1-2，1-3，1-4，2-3，2-4，3-4）之间的电阻，如果阻值均在一个量级，方可继续测试，否则要检查电极和样片的问题。
9. 点击Measurment －Add IV curve measurement―Add default contact 四个接触点两两之间，参照8手动check中确定的测试条件(高阻或低阻，测试电流范
围)进行Starting Current,Ending Current以及Resistance Range 的设置，另外要选择合适的步长，保证大于10个测量点(单对电极11个测试点基本足够了)。
10. 点击Measurment－Add Varible Field measurement选择第一个Linear Sweep，设置磁场强度和测量点个数，Maximum field, Minimum field, Field Step 均为6 KG(即0.6特斯拉)，然后完成Current以及Resistance Range 的设置，最后点击next ，选第一个hall-residence――Finish ＝SAVE
11. 点击Start――No――Browse选择第7步中保存的Sample文件名――Start 开始进行自动测试。
12.设备完成IV curve measurement后，要观察I-V线性关系,Correlation值要在0.99以上，以保证Varible Field measurement结果的准确性。
C．完成测量关机
1．测量结束后，保存或输出数据，取出样片并归位
2．关闭电脑
3．关掉控制柜最上面的总开关220V
4．关掉控制柜最下面的磁铁电源380V
5．屋外的走廊处，最左边切断380V 电源
6．4个水龙头全部关闭（向上）
四、常见问题
1．霍尔效应测试仪可以测试那些薄膜材料？
A：半导体、金属、超导体；薄膜和块状材料；单晶和多晶；单载流子和多载流子。所有半导体材料包Si,ZnO,SiGe,SiC,GaAs,InGaAs,InP,GaN(N型&P型均可测量) Ge、CdTe、HgCdTe, 和磁控电阻器。GMR薄膜等等
2. 霍尔效应测试仪对所测薄膜材料所生长的衬底有何要求？
衬底必须是绝缘材料，或半绝缘材料。
3．霍尔效应测试仪可以测试那些参数？
A：体载流子浓度(Bulk Carrier Concentration)、表面载流子浓度(Sheet Carrier Concentration)、迁移率(Mobility)、电阻率(Resistivity)、霍尔系数(Hall Coefficient)、磁致电阻(Magnetoresistance)、电阻的纵横比率(Vertical/Horizontal ratio of resistance)等
4.电极的形状对测试数据的影响:
霍尔效应是研究半导体性质的一种基本方法，并广泛用于常规测量。1958年van der pauw(vdp)提出在任意形状薄片样品上测霍尔效应和电阻率的方法.因其制样简便，得到广泛的应用，现已基本上取代了经典的条形样品。根据Vdp法对样品的基本要求制做样品，对电极的大小及其配置可能带来的影响加以分析，说明了只有在合理地制做样品的条件下进行侧量，才能得到准确的、可比较的结果.
电极在样品的四个角上，只有样品是正方形时（即几何对称轴的长方形样品
长宽比为1时），才有几何修正因子R
1/R
2
=1，具有几何对称轴的长方形样品，按
简单规则选取电极位置，可使R
1/R
2
=1。只有如此，才能根据R
1
/R
2
电阻率的均匀
性的量度标准。当R
1/R
2
>2时（即长宽比大于1.12），就认为该样品电阻率是不均
匀的。这是以标准样品图形为前提的，如果这时对电阻率测量值再进行几何因子修正，则会导致电阻率数值下降、迁移率增大的错误结果。