半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的核心元素?它們具備獨(dú)特的物理特性?能夠在一定條件下調(diào)控電子的流動(dòng)?從而展現(xiàn)出介于導(dǎo)體和絕緣體之間的導(dǎo)電性能?

在現(xiàn)代工業(yè)中?半導(dǎo)體材料發(fā)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(chǔ)器等電子元件的基礎(chǔ)材料?還廣泛應(yīng)用于通信?能源?醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域?隨著科技的不斷發(fā)展?半導(dǎo)體材料在智能制造?物聯(lián)網(wǎng)?新能源汽車等新興領(lǐng)域中也展現(xiàn)出了巨大的潛力?它們的高性能?低功耗和可靠性使得現(xiàn)代電子設(shè)備更加高效?便捷和智能化?推動(dòng)了整個(gè)工業(yè)體系的進(jìn)步與發(fā)展?

半導(dǎo)體材料的主要測(cè)試參數(shù)有霍爾系數(shù)?載流子濃度?載流子遷移率和電阻率等[1]：

霍爾系數(shù)是半導(dǎo)體材料在磁場(chǎng)中電流行為的重要表征?通過(guò)測(cè)試霍爾系數(shù)?我們可以確定半導(dǎo)體材料中的載流子類型（電子或空穴）?進(jìn)而分析材料的導(dǎo)電機(jī)制?霍爾系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量有助于我們深入理解材料的電學(xué)特性?為器件設(shè)計(jì)提供理論支持?

載流子濃度反映了半導(dǎo)體材料中參與導(dǎo)電的粒子數(shù)量?通過(guò)測(cè)試載流子濃度?我們可以評(píng)估材料的導(dǎo)電能力?并據(jù)此優(yōu)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(jié)構(gòu)和電學(xué)性能?因此對(duì)其進(jìn)行測(cè)試有助于我們?nèi)媪私獠牧系男阅芴攸c(diǎn)?

載流子遷移率表示了載流子在電場(chǎng)作用下的移動(dòng)速度?高遷移率意味著材料中的載流子能夠更快地響應(yīng)外部電場(chǎng)的變化?從而提高器件的響應(yīng)速度和性能?因此?測(cè)試載流子遷移率對(duì)于優(yōu)化半導(dǎo)體器件的動(dòng)態(tài)性能具有重要意義?

電阻率是衡量半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的基本參數(shù)?通過(guò)測(cè)試電阻率?我們可以評(píng)估材料的導(dǎo)電能力?為器件的功率損耗?散熱設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行測(cè)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(cè)試半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)?載流子濃度?載流子遷移率和電阻率等參數(shù)?對(duì)于全面理解材料的電學(xué)性能?優(yōu)化器件設(shè)計(jì)以及提高器件性能具有重要意義?

然而?溫度對(duì)半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)?載流子濃度?遷移率和電阻率有顯著影響?溫度升高時(shí)?半導(dǎo)體內(nèi)部原子振動(dòng)加劇?導(dǎo)致載流子（電子或空穴）的激發(fā)數(shù)量增加?使載流子濃度增大?然而?同時(shí)原子振動(dòng)也會(huì)增加載流子運(yùn)動(dòng)時(shí)的碰撞頻率?降低其遷移率?霍爾系數(shù)則與載流子類型和濃度直接相關(guān)?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(dǎo)致電阻率隨溫度升高而降低?這些變化共同反映了溫度對(duì)半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的重要影響?

LakeShore M91是一款高性能的霍爾測(cè)試設(shè)備?廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料和器件的電學(xué)特性研究?該設(shè)備通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量材料的電導(dǎo)率?載流子濃度和遷移率等參數(shù)?為材料的電學(xué)性能評(píng)估提供了重要的依據(jù)?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(wěn)定性的溫度場(chǎng)?待測(cè)樣品放入其中?并通過(guò)定制化設(shè)計(jì)真空腔室?樣品臺(tái)?然后放入M91的磁鐵中?并通過(guò)探針和線纜連接?從而實(shí)現(xiàn)在低溫/變溫下的霍爾效應(yīng)測(cè)試?獲得在不同溫度下的霍爾系數(shù)?載流子濃度?載流子遷移率?電導(dǎo)率/電阻率等參數(shù)?具體方案可參考圖1?

圖1 M91與HCT-1S的聯(lián)用方案

半導(dǎo)體材料中的IVB族過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）是常用來(lái)研究的二維材料?其中?硫化鋯ZrS2具有層狀結(jié)構(gòu)?適中的帶隙和優(yōu)異的物理特性?在光電探測(cè)器?場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力?Yan等人[2]通過(guò)化學(xué)氣相沉積法（CVD）?本研究實(shí)現(xiàn)了在c面藍(lán)寶石基底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的大面積均勻ZrS2薄膜?觀察到ZrS2與藍(lán)寶石基底之間的超晶胞匹配關(guān)系?外延關(guān)系為?

如圖2所示?外延生長(zhǎng)的ZrS2薄膜表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體特性?變溫測(cè)試結(jié)果顯示?光學(xué)聲子是室溫及以上溫度下的主要散射機(jī)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(shì)?溫度降低對(duì)載流子濃度的影響較小?表明ZrS2薄膜在寬溫區(qū)內(nèi)具有穩(wěn)定的載流子濃度?電導(dǎo)率隨溫度的變化情況?低溫下電導(dǎo)率顯著提高?進(jìn)一步驗(yàn)證了低溫測(cè)試的優(yōu)勢(shì)?

圖2 ZrS2樣品在M91和HCT-1S聯(lián)用設(shè)備中的測(cè)試結(jié)果

第四代半導(dǎo)體是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的重要進(jìn)展?代表著新一代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展方向?與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比?第四代半導(dǎo)體具有更加優(yōu)異的性能和特點(diǎn)?第四代半導(dǎo)體主要包括超寬禁帶（UWBG）半導(dǎo)體材料和超窄禁帶（UNBG）半導(dǎo)體材料兩大體系?超寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)率高?化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)?能夠在極端條件下穩(wěn)定運(yùn)行?因此廣泛應(yīng)用于高功率電子器件?光電器件等領(lǐng)域?超窄禁帶半導(dǎo)體材料?如銻化物半導(dǎo)體（GaSb、InSb）?則因其易激發(fā)?遷移率高等特性?在探測(cè)器?激光器等器件中展現(xiàn)出卓越的性能?

其中?β-Ga2O3具有超寬禁帶(~4.9 eV)?高擊穿電場(chǎng)(~8 MV/cm)?良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)?是下一代高功率器件和太陽(yáng)盲紫外探測(cè)器的有力候選材料?Qian等人[3]通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)β-Ga2O3薄膜?并進(jìn)行氫等離子體處理?不同溫度下的霍爾系數(shù)和載流子遷移率變化情況?揭示了氫摻雜對(duì)薄膜電學(xué)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(dǎo)體的遷移率通常受到多種散射機(jī)制的限制?包括離子化雜質(zhì)或缺陷?晶格振動(dòng)（聲子）以及霍爾遷移率和離子化雜質(zhì)散射?根據(jù)圖3(b)?在100-250 K的溫度范圍內(nèi)?與溫度無(wú)關(guān)的散射是一個(gè)主要機(jī)制?而在室溫下?其他機(jī)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(dǎo)致的?

圖3  β-Ga2O3樣品在M91和HCT-1S聯(lián)用設(shè)備中的測(cè)試結(jié)果

為實(shí)現(xiàn)低溫霍爾效應(yīng)的測(cè)試?武漢光谷薄膜可提供全套解決方案?通過(guò)液氮低溫恒溫器和霍爾測(cè)試儀進(jìn)行匹配?對(duì)HCT-1S的樣品臺(tái)?樣品腔等部分進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)?以配合常溫霍爾設(shè)備的測(cè)試光路?從而實(shí)現(xiàn)78-800K范圍內(nèi)的變溫霍爾效應(yīng)測(cè)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(wěn)定性的溫度場(chǎng)?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(shè)計(jì)定制化樣品臺(tái)?匹配客戶檢測(cè)設(shè)備?可實(shí)現(xiàn)在低溫下或變溫下電學(xué)?磁學(xué)?電磁學(xué)?光學(xué)?光電學(xué)?熱力學(xué)?力學(xué)?聲學(xué)等性能測(cè)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.