[发明专利]半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法及仪器

说明书

本发明公开了一种半绝缘半导体迁移率磁阻效应测量方法，对装载被测样片的样品台及其上方悬挂的采样电极棒施加脉冲电压以形成两个电容，测量获得无磁场和施加磁场的两个电容的不同充电时间常数反映的磁阻变化参数，根据迁移率与磁阻效应关系式计算得出迁移率，将样品作为电容器的介质，当电容器上施加脉冲电压后，电容放电时间判断电介质的电阻率大小，同时利用在样品上施加磁场后，产生磁阻效应，增加了放电时间，据磁场施加前后的时间差可以计算出迁移率，特别是适用于测量高迁移率半绝缘半导体材料，实现了无接触式、无需对样品切割便能够实施测量工作，只要把测得的二个时间常数和磁场强度代入，即得到迁移率，测量工况友好易操作。

技术领域

本发明属于半绝缘半导体材料参数测量领域，具体是涉及一种在TDCM法的基础上应用磁阻效应以无接触方式测量半导体迁移率的方法及其测量仪器。

背景技术

半绝缘半导体包含了第二代半导体材料(砷化镓GaAs、磷化铟InP等)和第三代半导体材料(碳化硅SiC、氮化镓GaN等)，具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和浓度、抗辐射能力强和介电常数小等特点，适合于制备高温、高频、大功率的电子器件及性能优异的微波、光电器件，具有广泛的应用前景。

考察半导体材料的性能，电阻率和迁移率是非常重要的依据，是研发及至生产过程中必须测量的重要的基本电学参数。整块(片)半导体晶体材料的电阻率和迁移率分布情况可完整、真实地反映材料的质量。电阻率决定了器件的反向耐压和正向压降，而器件的工作频率是由迁移率决定的。

半导体晶体的载流子(电子、空穴)在电场的作用下，在热运动(显然，分散在各方向的热运动不会引起电流)之外获得附加的定向运动，常称漂移运动。单位场强所对应的漂移速度，称为迁移率μ，单位cm²/v·s(厘米²/伏·秒)。迁移率μ是反映介质中载流子导电能力的重要参数，同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的导电率越高。迁移率对材料的工作性能有直接的影响，不仅关系导电能力的强弱，也决定载流子运动的快慢，高迁移率的晶片才能制造高工作频率的器件。

测量半导体电阻率和迁移率的方法常见的是霍尔效应法和渡越时间法。

中国专利文献CN105158568A公开了一种基于电容充放电原理的半导体电阻率测绘方法，采用电荷随时间变化测量(TDCM，Time-Dependent Charge Measurement)方法，脉冲电压发生电路不断地向样品台和探针之间施加低压脉冲，采样电极通过电荷放大器探测样品上的电荷变化，电荷放大器对上述电荷变化信号进行放大，然后发送到数据采集卡，数据采集卡接收采样电路输送的采样信号并进行模数转换，最后发送给工控机，工控机记录下每次的测试结果，最后由测试软件进行所有数据的计算处理，输出分析结果并生成分布图。这种利用电容充放电原理的半导体电阻率测量方法只能测量电阻率，依然无法测量迁移率。

霍尔效应测量方法，主要适用于无机半导体载流子迁移率的测量。在霍尔效应测量方法中，需将晶体切割成小方片，再焊上电极、引线装在样品架上，测量时在垂直薄片方向需加较强的外磁场，还要在电场和磁场转换方向的情况下测量。这种制样方式破坏了产品。同时由于需要将晶体切割成特定形状的样片，并需制备欧姆接触，测量周期长。对于GaAs这些半导体物质利用霍尔法测试其电阻率虽然不便，但仍是可行的，因为在这些物质上制作欧姆接触不存在问题。然而对于SiC这类第三代半导体材料来讲，半导体电阻率均大于10⁵Ω·cm，常见杂质在SiC中的扩散系数极低，在合金化的过程中几乎不可能像Si、GaAs等半导体那样靠合金中的掺杂剂掺入来提高界面的掺杂浓度，这就给欧姆接触的形成带来了很大的困难，使得利用霍尔法测试SiC单晶电阻率变得十分困难。霍尔效应法要求待测半导体材料具有较高的迁移率，如果待测样品迁移率较低，则霍尔效应无法准确测出半导体的这一性质。