半導體材料是現代工業中不可或缺的核心元素?它們具備獨特的物理特性?能夠在一定條件下調控電子的流動?從而展現出介于導體和絕緣體之間的導電性能?

在現代工業中?半導體材料發揮著舉足輕重的作用。它們不僅是制造集成電路?微處理器?存儲器等電子元件的基礎材料?還廣泛應用于通信?能源?醫療等多個領域?隨著科技的不斷發展?半導體材料在智能制造?物聯網?新能源汽車等新興領域中也展現出了巨大的潛力?它們的高性能?低功耗和可靠性使得現代電子設備更加高效?便捷和智能化?推動了整個工業體系的進步與發展?

半導體材料的主要測試參數有霍爾系數?載流子濃度?載流子遷移率和電阻率等[1]：

霍爾系數是半導體材料在磁場中電流行為的重要表征?通過測試霍爾系數?我們可以確定半導體材料中的載流子類型（電子或空穴）?進而分析材料的導電機制?霍爾系數的準確測量有助于我們深入理解材料的電學特性?為器件設計提供理論支持?

載流子濃度反映了半導體材料中參與導電的粒子數量?通過測試載流子濃度?我們可以評估材料的導電能力?并據此優化器件的電流承載能力和功耗?載流子濃度的變化還可能影響材料的能帶結構和電學性能?因此對其進行測試有助于我們全面了解材料的性能特點?

載流子遷移率表示了載流子在電場作用下的移動速度?高遷移率意味著材料中的載流子能夠更快地響應外部電場的變化?從而提高器件的響應速度和性能?因此?測試載流子遷移率對于優化半導體器件的動態性能具有重要意義?

電阻率是衡量半導體材料導電性能的基本參數?通過測試電阻率?我們可以評估材料的導電能力?為器件的功率損耗?散熱設計等提供重要參考?電阻率的大小還受到溫度?摻雜濃度等因素的影響?因此對其進行測試有助于我們了解材料在不同條件下的性能變化?

綜上所述?測試半導體材料的霍爾系數?載流子濃度?載流子遷移率和電阻率等參數?對于全面理解材料的電學性能?優化器件設計以及提高器件性能具有重要意義?

然而?溫度對半導體材料的霍爾系數?載流子濃度?遷移率和電阻率有顯著影響?溫度升高時?半導體內部原子振動加劇?導致載流子（電子或空穴）的激發數量增加?使載流子濃度增大?然而?同時原子振動也會增加載流子運動時的碰撞頻率?降低其遷移率?霍爾系數則與載流子類型和濃度直接相關?因此也受溫度影響?此外?載流子濃度的增加和遷移率的降低共同影響電阻率?通常導致電阻率隨溫度升高而降低?這些變化共同反映了溫度對半導體材料電學性能的重要影響?

LakeShore M91是一款高性能的霍爾測試設備?廣泛應用于半導體材料和器件的電學特性研究?該設備通過霍爾效應測量材料的電導率?載流子濃度和遷移率等參數?為材料的電學性能評估提供了重要的依據?而液氮低溫恒溫器HCT-1S是能夠提供很好的溫度梯度和高穩定性的溫度場?待測樣品放入其中?并通過定制化設計真空腔室?樣品臺?然后放入M91的磁鐵中?并通過探針和線纜連接?從而實現在低溫/變溫下的霍爾效應測試?獲得在不同溫度下的霍爾系數?載流子濃度?載流子遷移率?電導率/電阻率等參數?具體方案可參考圖1?

圖1 M91與HCT-1S的聯用方案

半導體材料中的IVB族過渡金屬二硫化物（TMDs）是常用來研究的二維材料?其中?硫化鋯ZrS2具有層狀結構?適中的帶隙和優異的物理特性?在光電探測器?場效應晶體管等器件中展現出巨大的應用潛力?Yan等人[2]通過化學氣相沉積法（CVD）?本研究實現了在c面藍寶石基底上外延生長高質量的大面積均勻ZrS2薄膜?觀察到ZrS2與藍寶石基底之間的超晶胞匹配關系?外延關系為?

如圖2所示?外延生長的ZrS2薄膜表現出n型半導體特性?變溫測試結果顯示?光學聲子是室溫及以上溫度下的主要散射機制?而低溫下遷移率的增加主要由于聲子散射的減少?ZrS2薄膜在不同溫度下的遷移率變化情況?低溫下遷移率顯著增加?表明低溫條件下載流子散射減少?載流子濃度隨溫度變化的趨勢?溫度降低對載流子濃度的影響較小?表明ZrS2薄膜在寬溫區內具有穩定的載流子濃度?電導率隨溫度的變化情況?低溫下電導率顯著提高?進一步驗證了低溫測試的優勢?

圖2 ZrS2樣品在M91和HCT-1S聯用設備中的測試結果

第四代半導體是半導體材料領域的重要進展?代表著新一代半導體技術的發展方向?與傳統的半導體材料相比?第四代半導體具有更加優異的性能和特點?第四代半導體主要包括超寬禁帶（UWBG）半導體材料和超窄禁帶（UNBG）半導體材料兩大體系?超寬禁帶半導體材料?如金剛石?β相氧化鎵（Ga2O3）和氮化鋁（AlN）等?具有禁帶寬度大?熱導率高?化學穩定性好等特點?能夠在極端條件下穩定運行?因此廣泛應用于高功率電子器件?光電器件等領域?超窄禁帶半導體材料?如銻化物半導體（GaSb、InSb）?則因其易激發?遷移率高等特性?在探測器?激光器等器件中展現出卓越的性能?

其中?β-Ga2O3具有超寬禁帶(~4.9 eV)?高擊穿電場(~8 MV/cm)?良好的化學和熱穩定性等優點?是下一代高功率器件和太陽盲紫外探測器的有力候選材料?Qian等人[3]通過低壓化學氣相沉積（LPCVD）方法在藍寶石襯底上生長β-Ga2O3薄膜?并進行氫等離子體處理?不同溫度下的霍爾系數和載流子遷移率變化情況?揭示了氫摻雜對薄膜電學性能的顯著影響?如圖3(a)所示，載流子濃度隨著溫度的增加而幾乎不變?圖3揭示了半導體的遷移率通常受到多種散射機制的限制?包括離子化雜質或缺陷?晶格振動（聲子）以及霍爾遷移率和離子化雜質散射?根據圖3(b)?在100-250 K的溫度范圍內?與溫度無關的散射是一個主要機制?而在室溫下?其他機制可能起著更重要的作用?圖3(c)顯示?隨著溫度的升高?樣品的電阻率略有增加?這可能是由于載流子濃度的變化導致的?

圖3  β-Ga2O3樣品在M91和HCT-1S聯用設備中的測試結果

為實現低溫霍爾效應的測試?武漢光谷薄膜可提供全套解決方案?通過液氮低溫恒溫器和霍爾測試儀進行匹配?對HCT-1S的樣品臺?樣品腔等部分進行定制化設計?以配合常溫霍爾設備的測試光路?從而實現78-800K范圍內的變溫霍爾效應測試?

液氮低溫恒溫器（HCT-1S）是能夠提供很好的溫度梯度和高穩定性的溫度場?具有78--800K的寬溫度范圍?0.05K的高精度控溫?10-4hPa的高真空度等特性?并可以為客戶設計定制化樣品臺?匹配客戶檢測設備?可實現在低溫下或變溫下電學?磁學?電磁學?光學?光電學?熱力學?力學?聲學等性能測試?

[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.