專利名稱：一種測(cè)定磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種半導(dǎo)體材料參數(shù)的測(cè)量方法，主要涉及磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的測(cè)定。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)90年代中期III-V族化合物基稀磁半導(dǎo)體GaMnAs、InMnAs被成功制備以來(lái)，由于該半導(dǎo)體和非稀磁半導(dǎo)體可以形成多種質(zhì)量很好的異質(zhì)結(jié)，使得制備各種基于電子自旋而工作的電子器件成為可能，因此，稀磁半導(dǎo)體在電子信息和材料科學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。在量子計(jì)算，信息的存貯、傳輸和處理方面具有誘人的應(yīng)用前景。電特性的測(cè)試是半導(dǎo)體材料研究工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，載流子遷移率是實(shí)際應(yīng)用中要考慮的重要電參數(shù)之一，其準(zhǔn)確的測(cè)定有著重要的實(shí)際意義。
對(duì)非磁半導(dǎo)體，霍爾效應(yīng)測(cè)量是測(cè)定載流子濃度和遷移率使用最普遍的方法，用霍爾效應(yīng)測(cè)量可方便地測(cè)定載流子濃度P，結(jié)合電阻率ρ的測(cè)定，可由下式確定載流子遷移率μ。
μ=1ρqp---(1)]]>式中，q是電子電量。
但是，對(duì)于磁性半導(dǎo)體，事情并非如此簡(jiǎn)單。由于異?；魻栃?yīng)的存在，單純用霍爾效應(yīng)測(cè)量方法不能直接準(zhǔn)確測(cè)定磁性半導(dǎo)體中的載流子濃度及其遷移率。Sh.U.Yuldashev等人通過(guò)霍爾測(cè)量研究了用GaAs注Mn后快速熱處理方法制備的稀磁半導(dǎo)體的載流子濃度和遷移率，測(cè)量結(jié)果表明，室溫條件下載流子(空穴)的霍爾遷移率達(dá)780cm2/V.S，比理想的本征GaAs晶體中空穴的遷移率的理論值(400cm2/V.S)高出近一倍，他們將這一現(xiàn)象歸因于樣品中出現(xiàn)的MnAs金屬化合物粒子的高電導(dǎo)。然而，大量的事實(shí)證明MnAs相對(duì)有效電導(dǎo)率的影響不足以解釋780cm2/V.S的高表觀載流子遷移率。實(shí)際上MnAs金屬化合物“埋”在含有Mn替位受主的GaAs半導(dǎo)體中，二者界面處形成肖特基勢(shì)壘，MnAs相被一層近絕緣的載流子耗盡層包圍，表現(xiàn)為電導(dǎo)率很低的相，這將導(dǎo)致體系有效電導(dǎo)率減小而不是增加，故含MnAs相的GaAs體系表現(xiàn)的高表觀載流子遷移率不能用MnAs相高導(dǎo)電率對(duì)體系有效的影響來(lái)解釋。本發(fā)明認(rèn)為，在磁性半導(dǎo)體中，由于自旋向上和自旋向下的載流子遭受散射的情況不同引起異常霍爾效應(yīng)，是導(dǎo)致磁性半導(dǎo)體表觀霍爾遷移率增高的根本原因。
迄今，磁性半導(dǎo)體中載流子濃度和遷移率的測(cè)量仍是一個(gè)未解決的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種測(cè)定磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
在非磁性半導(dǎo)體中，霍爾電阻率可表示為ρxy＝R0B(2)式中，R0和B分別是正?；魻栂禂?shù)和磁感應(yīng)強(qiáng)度。
磁性半導(dǎo)體中，霍爾電阻率包含了異常霍爾效應(yīng)的貢獻(xiàn)，霍爾電阻率可表示為ρxy＝R0B+RaM(3)式中，R0和M分別是異?；魻栂禂?shù)和磁化強(qiáng)度。如果仍按非磁性半導(dǎo)體處理，即由測(cè)得的霍爾電阻率ρxy按ρxy＝R0B得出霍爾系數(shù)R，顯然R將大于實(shí)際的R0。這種情況下，根據(jù)P＝1/(qR)確定的P將小于實(shí)際的載流子濃度，由ρ＝1/qPμ確定的μ必然大于實(shí)際的載流子遷移率。要通過(guò)霍爾電阻測(cè)量來(lái)確定實(shí)際的載流子濃度并結(jié)合用范德堡方法對(duì)電阻率的測(cè)量確定載流子遷移率，必須將正?；魻栃?yīng)和異?；魻栃?yīng)對(duì)ρxy的貢獻(xiàn)分離開(kāi)來(lái)。由于低溫下縱向電阻的磁阻效應(yīng)和有些磁性半導(dǎo)體磁化強(qiáng)度M在溫度高于鐵磁居里溫度Tc時(shí)的強(qiáng)順磁效應(yīng)，將R0和Ra的貢獻(xiàn)分開(kāi)是很困難的。我們自1999年開(kāi)始，對(duì)多種稀磁半導(dǎo)體的電特性及其測(cè)試方法進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。電化學(xué)C-V方法是測(cè)定半導(dǎo)體晶體中載流子濃度及其縱深分布的有效手段，這種方法是通過(guò)測(cè)量耗盡區(qū)靜電荷濃度確定載流子濃度，不受樣品磁特性的影響，因此對(duì)稀磁半導(dǎo)體同樣適用。為此我們提出了將電化學(xué)C-V方法和范德堡方法(不需加磁場(chǎng))相結(jié)合，測(cè)定磁性半導(dǎo)體的載流子遷移率的新方法(HECV方法)。該方法的核心是用電化學(xué)C-V方法測(cè)定載流子濃度，用范德堡方法測(cè)定電阻率，然后根據(jù)式(1)確定磁性半導(dǎo)體的載流子遷移率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本方法不象霍爾效應(yīng)方法那樣涉及霍爾測(cè)量數(shù)據(jù)，從而避開(kāi)了異?；魻栃?yīng)的影響，不受樣品本身磁性的限制。
(2)本方法結(jié)合的是現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的兩種成熟的測(cè)量技術(shù)(見(jiàn)P3①與②，不需特制新設(shè)備，測(cè)試成本低，操作簡(jiǎn)單方便、可靠性高。
(3)主要應(yīng)用于磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的測(cè)量。


圖1所示為測(cè)定磁性半導(dǎo)體的載流子遷移率方法簡(jiǎn)圖
①為用范德堡方法測(cè)量電阻率的試驗(yàn)裝置。首先在接觸點(diǎn)1和2之間加電流源I12，測(cè)量4和3之間的電壓V34；然后在1和4之間加電流源I14，測(cè)量2和3之間的電壓V23。；電阻率即可按下式計(jì)算ρ=πt21n2[V43I12+V23I14]FQ---(4)]]>式中，t是樣品激活層的厚度，Q和F分別是對(duì)稱因子和校正因子。
②為Bio-Rad PN4300PC電化學(xué)C-V儀的測(cè)試示意圖。是利用半導(dǎo)體材料與電解液接觸形成的Schottky勢(shì)壘代替?zhèn)鹘y(tǒng)的C-V測(cè)試的金屬-半導(dǎo)體接觸，用電解液作為腐蝕液和一個(gè)電極，被測(cè)試的晶片背面為另一個(gè)電極。并對(duì)被測(cè)樣品加以正向偏壓(p型)或反向偏壓(n型并加以光照)進(jìn)行表面腐蝕，利用耗盡層的C-V關(guān)系計(jì)算出半導(dǎo)體材料不同深度處的載流子濃度。
③為微機(jī)及外圍電路，將①采集到的電阻率和②采集到的載流子濃度傳給微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及處理軟件，計(jì)算得到磁性半導(dǎo)體的載流子遷移率。
圖2為利用HECV方法和霍爾效應(yīng)方法對(duì)MnAsG稀磁半導(dǎo)體樣品方塊載流子濃度和霍爾遷移率測(cè)量結(jié)果的比較(結(jié)果合理性分析見(jiàn)下面部分)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明可用于磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的測(cè)定，首先，用電化學(xué)C-V方法，如采用Accent PN4300型C-V測(cè)量?jī)x等，測(cè)定載流子的濃度P，然后，用范德堡方法，如采用美國(guó)伯樂(lè)公司產(chǎn)的HL5500 Hall測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)出電阻率ρ，最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件采集得到載流子的濃度P和電阻率ρ的值，并根據(jù)式(1)可計(jì)算得到電子遷移率μ，顯示并打印出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
從圖2得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，HECV方法測(cè)出的載流子濃度明顯大于用霍爾效應(yīng)方法測(cè)定的載流子濃度，而HECV方法測(cè)出的霍爾遷移率明顯小于用霍爾效應(yīng)方法測(cè)定的霍爾遷移率。樣品Mn5750、Mn57502、和Mn5750j中的Mn主要分布在表面至表面下0.4μm厚的范圍。因此，由圖2中方塊載流子濃度可知，樣品中平均電離雜質(zhì)濃度應(yīng)在數(shù)倍1019cm-3，對(duì)應(yīng)這一電離雜質(zhì)濃度，GaAs的室溫空穴遷移率應(yīng)在60cm2/V.S以下([美]Robert F.Pierret著，黃如、王漪等譯，半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，電子工業(yè)出版社，2004年版)。這樣，圖2中用HECV方法測(cè)出的載流子(空穴)遷移率大小處在很合理的范圍。因此HECV的方法可以很方便可靠的測(cè)定磁性半導(dǎo)體中載流子的霍爾遷移率。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明屬于一種半導(dǎo)體材料參數(shù)的測(cè)量方法，主要涉及磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的測(cè)定。其特征就是將電化學(xué)C-V方法和范德堡方法(不需加磁場(chǎng))相結(jié)合，可測(cè)定磁性半導(dǎo)體載流子遷移率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體載流子遷移率的測(cè)定方法，其特征在于用電化學(xué)C-V方法測(cè)定載流子濃度，用范德堡方法測(cè)定電阻率，然后根據(jù)載流子濃度、電阻率與載流子遷移率之間的關(guān)系，通過(guò)微型計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件進(jìn)行采集與處理，得到磁性半導(dǎo)體的載流子遷移率。
全文摘要
本發(fā)明是一種磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的測(cè)定方法，主要解決磁性半導(dǎo)體材料中由于異?；魻栃?yīng)的存在，測(cè)定非磁性半導(dǎo)體載流子濃度和遷移率普遍使用的霍爾效應(yīng)測(cè)量遷移率方法對(duì)其不再適用。據(jù)查文獻(xiàn)資料，目前沒(méi)有可靠測(cè)量磁性半導(dǎo)體載流子遷移率的方法。本發(fā)明提出將電化學(xué)C－V方法和范德堡方法(不需加磁場(chǎng))相結(jié)合，用電化學(xué)C－V方法測(cè)定磁性半導(dǎo)體載流子濃度，用范德堡方法測(cè)定電阻率，然后根據(jù)載流子濃度、電阻率與載流子遷移率之間的關(guān)系，確定磁性半導(dǎo)體的載流子遷移率。本方法不涉及霍爾測(cè)量，避開(kāi)了異?；魻栃?yīng)的影響，具有不需要特制設(shè)備、操作方便及測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R33/00GK1971295SQ20051001618
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者楊瑞霞, 楊帆 申請(qǐng)人:楊瑞霞