[發明專利]使用鎖相放大技術的自動化磁輸運測量系統

有效

• 申請號: 200810200212.9
• 申請日: 2008-09-22
• 公開（公告）號: CN101369010A
• 公開（公告）日: 2009-02-18
• 發明（設計）人: 褚君浩;孫雷;俞國林;周遠明;高礦紅;林鐵;周文政;商麗燕
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及低溫強磁場下對材料電學輸運性質進行測量的技術，具體指一 種使用鎖相放大技術的自動化磁輸運測量系統和測量方法，它主要適用于半導 體材料在深低溫強磁場下電學輸運量子效應的精確測量。

背景技術

在半導體材料與器件的物理研究過程中，磁輸運測量一直是一種重要而又 直接的研究手段。在不同的溫度和磁場條件下，電學輸運性質經歷經典和量子 兩個過程。通過改變溫度、磁場等外界條件，不但可以獲得樣品中的載流子濃 度和遷移率等基本物理量，還可以研究在極端條件下(深低溫、強磁場)涉及 載流子輸運的一些量子物理現象，例如磁阻震蕩、量子霍爾效應。通過對半導 體材料量子磁輸運的研究，可以進一步分析材料能級分布、電子自旋分裂、不 同子帶間電子相互作用、反弱局域效應等等。

目前大部分磁輸運測量都是基于直流電系統，這就要求測試時樣品上所加 的電流比較大(一般在μA量級)，在溫度較高時(77K以上)，這對整個測試的 影響不大，但是隨著溫度的降低(4.2K以下)，大電流的加熱效應越來越明顯， 給測量帶來了較大的誤差；同時由于直流測量的限制，如果測量電流太小，測 量的精度就無法保證，所以在深低溫下直流測量難以實現高精度。另外，當樣 品帶有柵電極時，經常希望獲得柵壓和磁場連續變化時的電學輸運測量結果， 從而得到柵壓-磁場相圖。一般的測量系統只能夠在自動掃描柵壓或磁場的同 時記錄電學輸運測量結果，因此測量流程是手動調整柵壓掃描磁場或者手動調 整磁場掃描柵壓。當所需要的柵壓、磁場點很多的時候，這種半自動測量方式 就顯得很麻煩。

發明內容

本發明的目的就是解決直流磁輸運測量在深低溫下精度不高和實現柵壓- 磁場相圖的自動測量。這里需要明確的是，本發明所指的柵壓-磁場相圖測量 是在某個溫度下，樣品柵壓V_g和磁場B分別在一定范圍[V₁，V_n]和[B₁，B_n]內變 化，在每個(V_g，B)點都測量霍爾板樣品的縱向電壓和橫向電壓，由此得到 在[V₁，V_n]，[B₁，B_n]范圍內柵壓-磁場相圖。

本發明設計了一種使用鎖相放大技術的自動化磁輸運測量系統和測量方 法，實現了深低溫下的精確磁輸運測量和柵壓-磁場相圖的自動測量。鑒于直 流測量精度的限制，本發明使用交流電流和鎖相放大技術進行磁輸運測量，測 量電流很小(一般在10～10²nA量級)，在深低溫時(4.2K以下)的加熱效應 很小，大大提高了測量的準確性。

本發明技術方案如下：

測量系統包括：標準霍爾板樣品101、接線盒102、低溫杜瓦103及溫控裝 置104、磁體105及磁控裝置106、1號鎖相放大器107和2號鎖相放大器108、 電流源109、反向截止電路110、電壓源111、GPIB控制卡112、計算機113。

測試樣品101一般應制備成標準霍爾板形狀，如圖1蜂窩狀區域。A、C、 D、E、F、G為6個接觸電極，由引線分別與接線盒端口相連接，引線與電極 間應形成歐姆接觸。A-E間通測量電流，C-D間或F-G間測量縱向電壓，C-G 間或F-D間測量橫向電壓。由縱向電壓和測量電流可以得到磁阻，橫向電壓就 是霍爾電壓。如果在樣品上覆蓋一層絕緣層，然后在通測量電流的溝道上方生 長金屬層形成柵極(如圖1斜線區域)，則可以在測量時改變材料中的載流子 濃度，B、H為柵極的接觸電極，由引線與接線盒端口相連接。接線盒102包 含8個端口，端口與樣品電極通過引線接通，測試電纜可以方便地通過接線盒 端口與樣品連接。

低溫杜瓦103內有樣品室，保證測試樣品所需溫度。如果磁體對溫度有特 別要求，如超導磁體要求工作在液氦溫度，那么磁體也應該放置在低溫杜瓦內 以保證工作溫度。低溫杜瓦內有制冷裝置或制冷液體，加熱裝置，配備溫度控 制裝置104，溫控裝置104能獨立調整或保持樣品室的溫度。