GB/T 4326-2006 非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法

ICS77.040.01

H17

中华人民共和国国家标准

GB/T4326—2006

代替GB/T4326—1984

非本征半导体单晶霍尔迁移率和

霍尔系数测量方

Extrinsicsemiconductorsinglecrystalsmeasurementof

HallmobilityandHallcoefficient

2006-07-18发布2006-11-01实施

发布

GB/T4326—2006

■1/■■1

刖a

本标准是对GB/T4326—1984《非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方》的修订。本

标准是在原标准基础上，参考ASTMF76标准编制的。

本标准与原标准相比主要变动如下：

-在测量范围条款列举的材料中增加了磷化傢单晶材料,扩大了本标准的适用范围；

——增加了附录A，在附录A中列出/因子数值表，用于电阻率计算；

——增加了原理条款，简述了测量原理；

-在样品制备条款中规定样品切片必须经过研磨，以消除机械损伤。取消了原标准中用洗涤剂

或有机溶剂清洗样品的规定；

——改变了用于神化傢样品的腐蚀液；

——增加了规定磷化傢样品腐蚀方法的条款；

——规定了配制腐蚀液的化学试剂的纯度等级；

——修改了神化镣样品的电极制备方，取消了腐蚀过程，改变了烧结条件；

——增加了规定磷化傢样品电极制备方法的条款；

-修改了对薄片试样接触尺寸线的要求，由线度不大于0.01厶,改位不大于0.02L,,；

——在电极制备设备条款中提出对烧结炉的要求；

——取消了原标准中电子设备条款下规定转换开关装置和晶体管图示仪的子条目；

-取消了原标准中的环境控制装置条款，保留了其中关于试样架的部分内容,改写为5.6条；

——取消了原标准中定位装置条款；

-改写了原标准测量程序条款中表述测量步骤的部分，修正了原标准中的文法错误和表述不确

切的地方；

——改写了原标准规定测试报告的条款。

本标准的附录A为资料性附录。

本标准自实施之日起代替GB/T4326—1984。

本标准由中国有色金属丁业协会提出。

本标准由全国有色金属标准化技术委员会(SAC/TC)归口。

本标准由北京有色金属研究总院负责起草。

本标准主要起草人:王彤涵。

本标准由全国有色金属标准化技术委员会负责解释。

本标准所代替标准的历次版本发布情况为：

GB/T4326—1984。

T

GB/T4326—2006

非本征半导体单晶霍尔迁移率和

霍尔系数测量方

1范围

本标准规定的测量方法适用于测量非本征半导体单晶材料的霍尔系数、载流子霍尔迁移率、电阻率

和载流子浓度。

本标准规定的测量方法仅在有限的范围内对错、硅、神化傢和磷化稼单晶材料进行了实验室测量，

但该方法也可适用于其他半导体单晶材料，一般情况下，适用于室温电阻率高达10“Q•cm半导体单

晶材料的测试。

2术语和定义

以下术语和定义适用于本标准。

2.1

电阻率resistivity

电阻率是材料中平行于电流的电位梯度与电流密度之比。电阻率应在零磁通下测量。电阻率是材

料参数中可直接测量的量。在具有单一类型载流子的非本征半导体材料中，电阻率与材料基本参数的

关系如下：

（）=（忤）1（1）

式中：

p电阻率,Q•cm；

n载流子浓度，cm*；

e——电子电荷值,C（库仑）；

;i载流子迁移率,cm2/（V•）o

必须指出，对于本征半导体和某些P型半导体如p-Ge（存在两种空穴），式（1）显然不适用，而必须

采用如下关系式：

p=^2（）1（2）

式中：

儿、〃,——表示第i种载流子相关的量。

2.2

霍尔系数hallcoefficient

在半导体单晶材料试样上同时加上互相垂直的电场和磁场，则试样中的载流子将在第3个互相垂

直的方向上偏转，在试样两侧建立横向电场，称之为霍尔电场，见图lo霍尔系数是霍尔电场对电流密

度和磁通密度之积的比。

F

R]'=JxXBz(3)

式中：

Rit霍尔系数，cm3/C；

Er横向电场,V/cm；

Jx——电流密度，A・cn?

1

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Bz——磁通密度，G。

对于主要是电子传导的"型非本征半导体，霍尔系数是负的；而对于主要是空穴传导的p型非本

征半导体，霍尔系数是正的。

2.3

霍尔迁移率hallmobility

霍尔迁移率是霍尔系数的绝对值与电阻率之比。

式中：

//it霍尔迁移率，cn?•V1•1；

/?n霍尔系数，cn?/C；

（）电阻率,Q•cmo

3方法原理

3.1在具有单一型号载流子的非本征半导体中，霍尔系数与材料基本参数的关系如下:

式中：

Rit霍尔系数，cm"/C；

r霍尔因子；

n——载流子浓度，cn?；

q载流子电量,Co

霍尔因子厂是依赖于能带结构，散射机构，试样温度，磁通密度和试样晶向的比例因子，它的值通常

接近于1。在特定的情况下，为了精确地由所测量之霍尔系数确定载流子浓度，要求详细的「值的资

料，但在许多情况下，这些资料是不知道的，只能估计厂值。在进行比较测量时，测量者应取一致的r

值。在缺乏其他资料时,厂通常可以取1。

3.2仅在一种载流子的情况下，霍尔迁移率才具有实际的物理意义。在这样的系统中，霍尔迁移率“

与电导迁移率之间存在如下的关系：

“ITrP(6)

2

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式中：

p.电导迁移率，err?•V1•'o

电阻率和霍尔系数是材料中可直接测量的量。只有当已知「值的情况下，根据霍尔系数和电阻率

的测量值能够得到载流子迁移率的精确值。

为了将习惯上使用的不同单位制的量协调一致,必须以V・・cn?表示磁通密度，即：

1V••cm2=10aG

4样品

4.1取样和研磨

试样自单晶锭切下，应注意试样必须是完全的单晶。切好的试样，必须用氧化铝或碳化硅沙料水浆

研磨,消除机械损伤，并使试样具有均匀、平整光洁的表面，然后用清水冲洗干净。

4.2试样的形状

4.2.1试样可用机械加T方法加T成所需的形状，如平行六面体、桥形或薄片等。

4.2.2平行六面体试样的图形示于图2。试样的总长一般在1.0cm〜1.5cm之间，长宽比应大于5,

至少不要小于4。

(a)

图2典型的平行六面体试样

4.2.3桥形试样的图形示于图3。

4.2.4八接触试样对几何尺寸作如下要求，见图3中（a）和（c）：

LJ4叽;WK5、心W.；

?W0.1cm；C》0.1cm；1.0cm^L^l.5cm；

±0.005cm；%=仇'±0.005cm；

=〃i'±0.005cm；〃2=〃2'±0.005cm；

b\+<7i=Ls/2±0.005cm；

bi'+〃i'=Ls/2±0.005cm；

b、2o

3

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r

*-c

vJJ

N

(d.l

图3典型的桥形试样

4.2.5六接触试样对几何尺寸作如下要求，见图3中（b）和（d）

LJ5肌;WJ3%、山2W$；

ZsW0.1cm；1・0cmW/’sW1・5cm；

b\=/力'±0.005cm；

&2=亦±0・005cm；

d2=〃i‘±0・005cm；

b\。

4.2.6薄片试样可以是任意形状的，但推荐图4所示的对称图形的形状。如果把电极制备在同一面

内，必须使用图4中（b）所示的图形。试样必须完全无孔洞。尺寸范围是：

Lp^l.5cm；/s£0.1cm0

其中匚是试样的周长。在测量各向异性材料时一般不使用这种形状的试样。

图4典型的对称薄片试样

4.3腐蚀

成形的试样洗净后需经过腐蚀。

4.3.1对错材料试样，推荐使用将过氧化氢、氢氟酸和纯水按体积比1：1：4混合成的腐蚀液，在

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25"C±5"C下腐蚀3min〜5min。

4.3.2对硅材料试样，推荐使用的腐蚀液是氢氧化钾溶液，在90°C下腐蚀3min〜5min。

4.3.3对种化傢材料试样，推荐使用将硫酸、过氧化氢和纯水按体积比3:1:1混合而成的腐蚀液，在

室温下腐蚀约30〜500

4.3.4对磷化傢材料试样，推荐使用将铁氧化傢溶液、氢漠酸和冰醋酸按体积比1：1：1混合成的腐

蚀溶液，在40°C〜60C度水浴中腐蚀9min-11mino

4.3.5推荐的过氧化氢浓度为30%，氢氧化钾的浓度为82%，氢氟酸的浓度为40%,纯度等级为分析

纯。经腐蚀后的试样必须用纯水冲洗干净。

4.4电极的制备

用下述方法制备电极。

4.4.1对错材料试样，用氯化锌焊剂敷锡-钢或钢焊料。

4.4.2对硅材料试样，仅在接触的区域内用HN()j：和HF按体积比10:1混和成的腐蚀液，腐蚀不超

1min,再用去离子水清洗。用镀、溅射或蒸发技术涂敷金属接触。对〃型硅用金或铝，对"型硅用

操等，必要时可用低功率特斯拉线圈通过接触放电以制备更好的欧姆接触。

4.4.3对神化傢材料试样，用电烙铁涂锢，在氮或氢气氛中及350=C~500°C下烧结5min—10mino

或用电镀、溅射或蒸发技术涂敷金属如金和锂，然后涂锢。

4.4.4对磷化傢材料试样，用电烙铁涂锡，在氮或氢气氛中及450C〜550C下烧结5〜10。

4.4.5对平行六面体试样，电流接触电极应完全覆盖试样两端。其他电位电极的宽度应小于0.2mm。

不论是何形状，电极位置应尽可能精确。

4.4.6对薄片试样，接触尺寸要尽可能的小。通常电极应置于试样边缘，其线度不要大于0.02Lpo如

果电极必须放置在同一个平面上，应尽量靠近边缘位置。对有限尺寸的修正因子，采用范德堡方

(VanderPauw)得出。

5设备

5.1使试样成形的设备

推荐使用内圆切片机或高精度的外圆切片机和超声加工机床等切割设备。使用的冲模应保持试样

尺寸偏差在±1%的范围内。研磨设备适用于制备平整的金相试样。

5.2几何尺寸测量设备

推荐使用千分尺、外径千分尺、千分表或带有读数刻度的显微镜测量样品的厚度、宽度和长度。要

求试样尺寸的测量误差小于±1%。

5.3电极制备设备

普通电烙铁或超声烙铁;适用于金、铝、镰等的电镀、溅射或蒸发设备；低功率特斯拉线圈等。可充

氮或氢保护气体、达到所需温度(见4.43和4.44)的烧结炉。

5.4磁体

磁体可以是电磁体、永久磁体。磁通密度的精确度要求达到±1%。要求磁体能对放置其中的试

样提供±1%均匀度的磁场。在使用电磁体时,应保证在测量时其磁通稳定度达到±1%。

5.5电子设备

5.5.1可调电流源。电流稳定性不低于±0.5%。测量时要求电流在试样上建立的电场小于

1V/cmo

5.5.2标准电阻器。如使用标准电阻测量电流，标准电阻的误差小于土0.1%。

5.5.3电流表。如使用电流表测量通过样品的电流，电流表的误差小于士0.5%o

5.5.4电压表。电压测量推荐使用数字电压表。电压测量误差小于±1%0电压表的输入阻抗应是

被测试样总阻的1000倍以上。也可以使用符合这种要求的电位差计、伏特计和静电计。

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5.6试样架

试样架应置于磁场的中心，使试样平面与磁通方向垂直。试样架必须由非磁性材料构成，不会对磁

场造成影响，在试样位置上磁通密度值的变化应不大于±1%o

需要在低温下测量时，试样架可置于杜瓦瓶之中，或将试样直接安装在低温制冷机冷头上。低温容

器也必须由非磁性材料制成。

6测量过程

6.1电阻率测量

电阻率测量应在零磁场条件下测量。

6.1.1平行六面体和桥形试样按图5连接试样。将接触选择开关先后置于1、2和4位置，测量电压

v,（+o,v2（+f）和v4（+Oo改变电流方向，重复上述过程，测量电压Vi（-/）.v2（-n和v4（-r）0

6.1.2薄片试样按图6连接。首先测量标准电阻上的电压降V（+D,而后接触选择开关置于1、2、3

和4,测量电压匕（+门、匕（+/）、匕（+/）和匕（+D。电流换向，重复上述过程，测量电压匕（一门、

V2c-I）,v3（-o和记（一0。

6.2霍尔测量

6.2.1平行六面体或桥形试样按图5连接。接通磁场并调节到所要求的正磁通密度值。在正向电流

下，接触选择开关先后接通位置1、3和5（对六接触试样），测量电压匕（+/,+B）,V\（+/,+E）和

v5（+r,+B）（对六接触试样）。电流反向，测量电压匕（一r,+B）、x（—j,+e）和v（-r,+B）（对

六接触试样）。磁通方向反向，并保持同一磁通密度（士1%）,测量电压V,和

（对六接触试样）。电流再次反向，测量电压匕（+/,—£）、V3（+b-B）和*（+/,

—B）（对六接触试样）。

6.2.2薄片试样按图6连接。接通磁场并调节到要求的正磁通密度值。在正向电流下，首先测量电压

VJ+f.+B）.然后接触选择开关先后接通位置5和6,测量试样上的电压降V5（+f,+B）和

V6（+/,+B）o电流反向，测量电压Vs（-/,+ZJ）.V5（-/,+B）和V（-/,+B）o磁通方向反向，并保

持同一磁通密度（士1%）,测量电压V（~B）和（—