ホール効果測定は、材料内の高キャリア移動度の特性評価に不可欠です

ホール効果は、サンプルを通る磁場とサンプルの長さに沿った電流の組み合わせによって、磁場と電流の両方に垂直な電流が生成され、その結果、磁場と電流の両方に垂直な横電圧が生成されるときに観察できます。フィールドと現在。 基礎となる原理はローレンツ力、つまり電磁場による点電荷にかかる力です。

ホール効果測定は、シリコンベース、化合物半導体、太陽電池用の薄膜材料、またはグラフェンのようなナノスケール材料のいずれであっても、半導体材料の特性を評価するのに非常に貴重です。 測定は、低抵抗 (高濃度ドープ半導体材料、高温超伝導体、希薄磁性半導体、GMR/TMR 材料) から、半絶縁性 GaAs、窒化ガリウム、テルル化カドミウムなどの高抵抗半導体材料までをカバーします。

ホール効果測定システムは、さまざまな材料パラメータを決定するのに役立ちますが、主なものはホール電圧 (VH) です。 キャリア移動度、キャリア濃度 (n)、ホール係数 (RH)、抵抗率、磁気抵抗 (RB)、キャリア導電型 (N または P) はすべてホール電圧から得られます。

研究者は次世代の IC やより効率的な半導体材料を開発する中で、特にキャリア移動度の高い材料に関心を持っており、これがグラフェンへの関心の大きなきっかけとなっています。 この 1 原子の厚さの炭素は量子ホール効果を示し、その結果、相対論的な電子流が発生します。 研究者らは、ホール効果測定がエレクトロニクス産業の将来にとって極めて重要であると考えています。

高いキャリア移動度を備えた材料を使用すると、より低い電力レベルで最大の電流の流れが得られ、より速いスイッチング時間とより高い帯域幅を備えたデバイスを作成できます。 オームの法則 (図 1) を操作すると、電流を最大化する際のキャリア移動度の重要性がわかります。 電流はキャリア移動度に正比例します。

デバイスを流れる電流を最大化するためのオプションには、電圧、電荷キャリア濃度、サンプルの断面積、または電荷キャリアの移動度を増加することが含まれます。 これらのうち、最後を除くすべてには重大な欠点があります。

キャリア移動度を決定する最初のステップは、サンプルに垂直な磁場 (B) とサンプルに電流 (I) を流すことによってホール電圧 (VH) を測定することです。 この組み合わせにより横電流が発生します。 結果として得られる電位 (VH) がデバイス全体で測定されます。 サンプルの厚さ (t) とその抵抗率 (ρ) の両方を正確に測定することも必要です。 抵抗率は、4 点プローブまたは van der Pauw 測定技術を使用して測定できます。 これら 5 つのパラメータ (B、I、VH、t、抵抗率) だけで、ホール移動度を計算できます。

ホール電圧と測定されたファンデルパウ抵抗率はどちらも通常非常に小さいため、正確な移動度結果を得るには適切な測定および平均化技術が重要です。

図 2 は、ホール電圧とファンデルパウ抵抗率測定の両方の測定構成を示しています。 2 つの測定構成は両方とも 4 つの接点を使用し、電流の強制と電圧の測定を伴います。 ただし、接続方式が異なることに加えて、ホール電圧の測定には磁場が必要です。

ホール電圧とファン・デル・パウ電圧はミリボルト程度まで低くなる可能性があるため、推奨されるテスト手法には、ソース電流の極性の反転、追加の端子への供給、磁界の方向の反転を組み合わせたものが含まれます。 8 つのホール効果と 8 つのファン デル パウ測定が実行されます。 各測定内の電圧読み取り値が大幅に異なる場合は、エラーの原因がないかテスト設定を常に再確認してください。

基本的なホール効果測定構成には、次のコンポーネントとオプションの追加機能が含まれる可能性があります。