專利名稱:具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體材料測技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
1974年美國Bell實驗室D.V.Lang發(fā)明了用于測量非磁性半導體材料雜質(zhì)和缺陷深能級瞬態(tài)譜技術(shù)，打開了半導體材料電學特性測量的新領(lǐng)域。為研究和應用新型半導體材料和相關(guān)電子器件打下了堅實的基礎。隨著半導體迅猛發(fā)展，新型稀磁半導體材料出現(xiàn)，傳統(tǒng)深能級瞬態(tài)譜裝置(無外加磁場)已不能滿足新型材料電學特性測量需要，尤其是稀磁半導體材料應用領(lǐng)域-自旋電子器件。因為在無外加磁場條件下獲得的稀磁半導體材料中深能級信息不能全面反映其電學特性和行為。而新型器件設計迫切需要了解在外加磁場下材料中雜質(zhì)與缺陷電學行為和它們之間的相互作用信息。但到目前為止，我們查詢了國內(nèi)外相關(guān)資料，均無具有外加磁場深能級瞬態(tài)譜測量裝置和相關(guān)材料的測量報道。我們申請該發(fā)明，正是滿足稀磁半導體材料及其相關(guān)自旋電子器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及半導體(磁性和非磁性)材料及其相關(guān)器件的電學特性(雜質(zhì)和缺陷深能級特性，電容-電壓和電流-電壓特性)測量裝置和測量方法，尤其是涉及到用于II-VI族鐵基稀磁半導體深能級測量的外加磁場樣品臺裝置和相關(guān)的測量方法。
本發(fā)明提供用于稀磁半導體材料深能級測量系統(tǒng)中具有外加磁場樣品室裝置。該裝置可在較寬的磁場強度范圍里研究稀磁半導體及其相關(guān)器件深能級特性的優(yōu)點，提供雜質(zhì)和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息。本發(fā)明(具有外加磁場的樣品室裝置和相關(guān)測量方法)是在傳統(tǒng)深能級瞬態(tài)譜測量基礎上發(fā)展起來的。
本發(fā)明用于研究稀磁半導體中由于磁性離子引進的雜質(zhì)和缺陷深能級與外加磁場相互作用的具有外加磁場樣品臺測量裝置。該裝置是在傳統(tǒng)深能級瞬態(tài)譜測量基礎上發(fā)展起來。其特征包括在傳統(tǒng)深能級瞬態(tài)譜系統(tǒng)的樣品室里增添了可調(diào)節(jié)磁場強度裝置。該裝置由聚四氟乙烯制成的防護罩A，無氧紫銅塊B，永久磁鐵C和聚四氟乙烯薄片D組成。
在本發(fā)明的深能級測量過程中，調(diào)節(jié)無氧紫銅塊B厚度，使永久磁鐵C和其上的聚四氟乙烯薄片D與樣品臺2之間的空隙盡可能小(0.2-0.3mm)。
其技術(shù)方案包括一.該技術(shù)與傳統(tǒng)深能級瞬態(tài)譜測量裝置在雜質(zhì)和缺陷深能級信號控制系統(tǒng)的原理相同。其中包括液氮樣品架溫度控制，1MHz電容儀和電容補償電路，測量控制系統(tǒng)的CPU單元，樣品室外加磁場，樣品偏壓和脈沖單元，深能級信號數(shù)據(jù)輸出，IEE-488接口和電容瞬態(tài)處理單元。
二.與傳統(tǒng)深能級瞬態(tài)譜測量裝置不同，該專利測量系統(tǒng)的樣品室單元里增加了相關(guān)外加磁場裝置。該裝置由二部分(A和B)組成。其中A為防止熱傳導和輻射到永久磁鐵，由聚四氟乙烯制成的防護罩。該防護罩A長34mm，寬35mm，高13mm，在其寬邊上有一長為8mm，高為1mm的缺口。具體結(jié)構(gòu)如圖2a的俯視圖，2b的側(cè)視圖和2c的平視圖所示。防護罩A作用有二，一能有效地防止樣品在測量過程中，由于樣品測量溫度的升高，熱傳導和輻射到永久磁鐵C，導致C的磁場強度明顯降低；其二固定永久磁鐵C位置保證其圓心位置與放置待測樣品的樣品臺中心處于同一垂直線上，以提供較均勻的垂直穿過待測半導體樣品的磁場強度。B為無氧紫銅塊，長32mm，寬30mm，高度取決于不同磁場強度的永久磁鐵C厚度。具體結(jié)構(gòu)如圖3a的俯視圖，3b的側(cè)視圖和3c的平視圖所示。無氧紫銅塊B的作用有二，一能有效地將傳導到永久磁鐵C的熱量傳走，使磁鐵溫度保持在80℃以下。其二可調(diào)節(jié)永久磁鐵C與放置待測樣品的樣品臺2之間的空隙，并在其空隙處放入厚度為1mm聚四氟乙烯薄片D，隔離從樣品臺輻射到永久磁鐵C的熱量，且使其空隙距離盡可能小。
三.永久磁鐵C由相關(guān)的稀土材料制成。直徑為φ30mm，厚度分別為3.5，4.5和6.5mm，永久磁鐵C的磁場強度在300-3000高斯之間。
四.待測樣品1，防護罩A，無氧紫銅塊B，永久磁鐵C和聚四氟乙烯薄片D與樣品臺2之間的位置如圖1a的平視圖和1b的俯視圖所示。永久磁鐵C圓心和待測樣品1中心的位置如圖1b的俯視圖所示。
五.采用上述技術(shù)方案后，可保證樣品在測量過程中(使用本發(fā)明的測量裝置和測量方法允許樣品最高測量溫度為280℃)。永久磁鐵C溫度保持在80℃以下，其磁場強度的衰減可保持在10％以內(nèi)。
六.用于深能級測量的II-VI族鐵基稀磁半導體樣品是應用分子束外延生長技術(shù)分別在n+-GaAs襯底上生長二組厚度為1-2μm的本征II-VI族鐵基稀磁半導體和沒有鐵摻雜的同一種本征II-VI族化合物半導體(參考樣品)。在樣品背面n+-GaAs上制作厚度為2000的Au作為鷗姆接觸電極。在樣品正面制備厚度為3000，面積為9×10-4cm2Au層作為肖特基勢壘，制成肖特基二極管。管芯切割，壓焊和封裝在標準的TO-5管座里。
用于具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜測量樣品，TO-5管帽是中空的，以便磁力線能垂直穿過樣品表面，形成閉合廻路。而用于傳統(tǒng)(無外加磁場)的深能級瞬態(tài)譜測量樣品，TO-5管帽是封閉的。
圖4為用于傳統(tǒng)和本發(fā)明具有外加磁場深能級測量的樣品結(jié)構(gòu)圖。其中，4a為本征II-VI族鐵基稀磁半導體；4b為沒有鐵摻雜的同一種II-VI族化合物半導體。
七.II-VI族鐵基稀磁半導體傳統(tǒng)的深能級測量方法(1)將封裝好待測和參考樣品放置在樣品室由鍍鋅紫銅片制成的樣品臺中央，樣品TO-5管帽向下緊貼著樣品臺，保證樣品溫度能得到精確的控制。
(2)將樣品兩端引線與樣品臺觸針引線Hi和Lo接好，在樣品上施加一小的反向偏壓(0.5V)。依照C-V特性曲線判斷樣品兩端與Hi和Lo接法是否正確。
(3)進行樣品室溫C-V特性測量，由此獲得待測樣品的摻雜濃度ND(NA)。
(4)輸入待測樣品的相關(guān)參數(shù)，在樣品上施加一適當反向偏壓(VR)，并在此基礎上迭加連續(xù)正向脈沖(VP)，脈沖高度為零伏，脈沖寬度為1ms。
(5)關(guān)好樣品室蓋，抽真空到10毫巴。利用機械泵將汽化的液氮打入樣品室進行冷卻，將樣品溫度降到77K。
(6)啟動測量程序，采用0.3K/秒升溫速率緩慢地將樣品溫度升高到550K。記錄作為溫度函數(shù)的樣品深中心信號ΔC，可得到待測樣品深能級譜圖。
(7)比較待測和參考樣品的深能級譜圖。
八.II-VI族鐵基稀磁半導體帶有外加磁場的深能級測量方法(1)將待測和參考樣品1，防護罩A，無氧紫銅塊B，永久磁鐵C和聚四氟乙烯薄片D按圖1所示安裝好。
(2)其它測試程序與上述傳統(tǒng)無外加磁場的深能級瞬態(tài)譜的測量一樣。
(3)依次使用不同磁場強度的永久磁鐵C，可獲得在不同磁場強度下的深能級瞬態(tài)譜圖。觀察與鐵有關(guān)的深中心陷阱在不同磁場強度下能級位置的移動情況。
一種具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，包括樣品(1)、樣品臺(2)、聚四氟乙烯片D、永久磁鐵C、防護罩A和無氧紫銅塊B，在樣品測試臺中，上述部件的位置順序，其中，無氧紫銅塊B位于樣品測試臺最底層，由此向上位置分別是，永久磁鐵C、聚四氟乙烯片D、樣品臺(2)和樣品(1)，防護罩A在永久磁鐵C與樣品臺(2)之間。它們組成本發(fā)明的樣品臺控制和測試主要部分。
在樣品測試臺的外部還包括液氮樣品架溫度控制系統(tǒng)，1MHz電容儀和電容補償電路，測量控制系統(tǒng)的CPU單元，樣品室外加磁場，樣品偏壓和脈沖單元，測量深能級信號數(shù)據(jù)輸出，IEE-488接口和電容瞬態(tài)處理單元。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置，樣品室單元里具有外加磁場裝置，該裝置由二部分，A和B組成，其中A為防止熱傳導和輻射到永久磁鐵C的防護罩，B為無氧紫銅塊。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置，永久磁鐵C為稀土材料制成，直徑為30mm，磁場強度為300-3000高斯，其厚度在3.5-6.5mm之間。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置，防護罩A由聚四氟乙烯制成，防護罩長34mm，寬35mm，高13mm，在其寬邊上有一長為8mm，高為1mm的缺口。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置，無氧紫銅塊B，長32mm，寬30mm，其高度隨永久磁鐵C的磁場強度在300-3000高斯之間增加，減小無氧紫銅塊B厚度在5.5-2.0cm之間。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置，在永久磁鐵C與放置待測樣品的樣品臺2之間空隙，放入厚度為1mm聚四氟乙烯薄片D，隔離從樣品臺輻射到永久磁鐵C的熱量，且使其空隙距離盡可能小。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置，聚四氟乙烯薄片D與樣品臺垂直距離間隙d為0.2-0.3mm，且永久磁鐵C和待測樣品TO-5管帽中心要處在同一垂直線上。
一種具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，深能級測量過程中，調(diào)節(jié)無氧紫銅塊B厚度，使永久磁鐵C和其上的聚四氟乙烯薄片D與樣品臺之間的空隙盡可能在0.2-0.3mm之間。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，要求待測的材料要處在樣品反向偏壓的耗盡層里，樣品要封裝在TO-5管帽里，且管帽必須是開口的，檢測樣品兩端接線是否正確，關(guān)好樣品室蓋，抽真空到10毫巴。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，降低樣品的溫度到液氮溫度77K，在待測樣品上施加一反向偏壓VR，在VR上迭加連續(xù)的正向脈沖VP，其脈寬為100μs。
所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，隨待測樣品溫度的緩慢升高，從具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜輸出可獲得在不同外加磁場下樣品里的雜質(zhì)和缺陷深中心隨外加磁場增大而發(fā)生有序移動的信息。
為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，結(jié)合實例及附圖詳細說明于后。其中圖1是本發(fā)明的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的防護罩A的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明無氧紫銅塊B的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是用于傳統(tǒng)和本發(fā)明深能級測量的樣品結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式參照圖1的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，a為樣品測試臺的平視圖。b為樣品測試臺的俯視圖。
圖2的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置。a是俯視圖，b是側(cè)視圖，c是平視圖。防護罩A寬為8mm，高為1mm缺口的聚四氟乙烯制成防止熱傳導和輻射的防護罩A(其長為34mm，寬為35mm和高為13mm)。防護罩A作用有二，一能有效地防止樣品在測量過程中，由于測量溫度的升高，熱傳導和輻射到永久磁鐵C，導致C的磁場強度明顯降低；其二固定永久磁鐵C位置保證其圓心位置與放置待測樣品的樣品臺中心處于同一垂直線上，以提供較均勻的垂直穿過待測半導體樣品的磁場強度。
圖3的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置。a是俯視圖，b是側(cè)視圖，c是平視圖。無氧紫銅塊B，長為32mm，寬為30mm，其厚度取決于不同磁場強度的永久磁鐵C的厚度。無氧紫銅塊B的作用有二，一能有效地將傳導到永久磁鐵C的熱量傳走，使磁鐵溫度保持在80°C以下。其二可調(diào)節(jié)永久磁鐵C與放置待測樣品的樣品臺之間的空隙，并在其空隙處放入厚度為1mm聚四氟乙烯薄片D，隔離從樣品臺輻射到永久磁鐵C的熱量，且使其空隙距離盡可能小。為防止熱傳導和輻射，放入由聚四氟乙烯加工制成的厚度為1mm的薄片D。具有外加磁場樣品室裝置應使永久磁鐵C圓心與樣品臺中心位置保持在同一垂直線上且與樣品臺之間的空隙d盡可能小(0.2-0.3mm)。制備了一套不同磁場強度永久磁鐵C。其磁場強度范圍為300-3000高斯。
圖4是用于傳統(tǒng)和本發(fā)明深能級測量的樣品結(jié)構(gòu)圖。其中a為本征II-VI族鐵基稀磁半導體。b為沒有鐵摻雜的同一種II-VI族化合物半導體。
若進行傳統(tǒng)無外加磁場的深能級測量，可將待測和參考樣品分別將管帽倒置于樣品臺中央，接好樣品臺的Hi和Lo端口，蓋好樣品室蓋，抽真空到10毫巴，降低樣品溫度到液氮溫度(77K)。在樣品上施加反向偏壓VR，并在樣品的反向偏壓VR上迭加連續(xù)的正向脈沖VP(其脈寬為100μs)。隨樣品測量溫度的升高，從深能級瞬態(tài)譜輸出里可獲得雜質(zhì)和缺陷深中心的信息。
若進行本發(fā)明具有外加磁場的深能級測量，則需要將待測的樣品，防護罩A，無氧紫銅塊B，永久磁鐵C和聚四氟乙烯薄片D按圖1所示裝配好。關(guān)好樣品室的蓋，抽真空到10毫巴，啟動具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜測量裝置，有序地改變永久磁鐵的磁場強度(從300到3000高斯)。其余程序與傳統(tǒng)的深能級測量方法相同，從深能級瞬態(tài)譜輸出里可獲得在不同的外加磁場下樣品里雜質(zhì)和缺陷深中心與外加磁場相互作用信息。非磁性半導體或磁性半導體材料中非磁性離子的深能級位置是不隨外加磁場強度改變而改變。而稀磁半導體里的磁性離子(3d和4f稀土元素)相關(guān)的深能級則隨外加磁場變化發(fā)生明顯的有序的移動。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的測量方法比較本發(fā)明填補了傳統(tǒng)的深能級瞬態(tài)譜技術(shù)對稀磁半導體深能級測量的空白，為研究稀磁半導體電學特性及其自旋電子器件的應用提供了重要的基礎性資料。
權(quán)利要求
1.一種具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，包括樣品(1)、樣品臺(2)、聚四氟乙烯片D、永久磁鐵C、防護罩A和無氧紫銅塊B，組成本發(fā)明的樣品臺控制和測試主要部分，在樣品測試臺中，上述部件的位置順序，其中，無氧紫銅塊B位于樣品測試臺最底層，由此向上位置分別是，永久磁鐵C、聚四氟乙烯片D、樣品臺(2)和樣品(1)，防護罩A在永久磁鐵C與樣品臺(2)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，其特征在于，樣品室單元里具有外加磁場裝置，該裝置由二部分，A和B組成，其中A為防止熱傳導和輻射到永久磁鐵C的防護罩，B為無氧紫銅塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，其特征在于，永久磁鐵C為稀土材料制成，直徑為30mm，磁場強度為300-3000高斯，其厚度在3.5-6.5mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，其特征在于，防護罩A由聚四氟乙烯制成，防護罩長34mm，寬35mm，高13mm，在其寬邊上有一長為8mm，高為1mm的缺口。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，其特征在于，無氧紫銅塊B，長32mm，寬30mm，其高度隨永久磁鐵C的磁場強度在300-3000高斯之間增加，減小無氧紫銅塊B厚度在5.5-2.0cm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求
2或3所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，其特征在于，在永久磁鐵C與放置待測樣品的樣品臺(2)之間空隙，放入厚度為1mm聚四氟乙烯薄片D，隔離從樣品臺輻射到永久磁鐵C的熱量，且使其空隙距離盡可能小。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品測試臺裝置，其特征在于，聚四氟乙烯薄片D與樣品臺(2)垂直距離間隙為0.2-0.3mm，且永久磁鐵C和待測樣品TO-5管帽中心要處在同一垂直線上。
8.一種具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，深能級測量過程中，調(diào)節(jié)無氧紫銅塊B厚度，使永久磁鐵C和其上的聚四氟乙烯薄片D與樣品臺(2)之間的空隙d盡可能在0.2-0.3mm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，其特征在于，要求待測的材料要處在樣品反向偏壓的耗盡層里，樣品要封裝在TO-5管帽里，且管帽必須是開口的，檢測樣品兩端接線是否正確，關(guān)好樣品室蓋，抽真空到10毫巴。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，其特征在于，降低樣品的溫度到液氮溫度77K，在待測樣品上施加一反向偏壓VR，在VR上迭加連續(xù)的正向脈沖VP，其脈寬為100μs。
11.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺測量方法，其特征在于，隨待測樣品溫度的緩慢升高，從具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜輸出可獲得在不同外加磁場下樣品里的雜質(zhì)和缺陷深中心隨外加磁場增大發(fā)生有序移動的信息。
專利摘要
本發(fā)明涉及半導體材料測試技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種具有外加磁場的深能級瞬態(tài)譜樣品臺裝置及其測量方法。樣品臺裝置，包括樣品1、樣品臺2、聚四氟乙烯片D、永久磁鐵C、防護罩A和無氧紫銅塊B。測量方法包括在半導體材料深能級測量過程中，通過調(diào)節(jié)無氧紫銅塊B厚度，使永久磁鐵C和其上的聚四氟乙烯薄片D與樣品臺2之間的空隙盡可能在0.2－0.3mm之間。本發(fā)明用于II－VI族鐵基稀磁半導體中與鐵離子和其它雜質(zhì)有關(guān)的深能級測量。
文檔編號G01N27/72GK1996005SQ200510130771
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月28日
發(fā)明者盧勵吾, 張硯華, 葛惟昆 申請人:中國科學院半導體研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan