Hall测试：原理、应用与注意事项

根据霍尔效应（Hall），将通电的半导体材料放置于磁场中，如果磁场方向和电流方向垂直，则在与电流和磁场垂直的方向上会产生一个电场。随着材料的快速发展，材料的霍尔系数和材料电阻率是表征半导体材料的重要参数。通过这两个参数可以判断材料的导电类型、载流子浓度和电子迁移率等。如果把电导率和霍尔系数与温度的关系测出，则可以得出半导体禁带宽度和电离能。利用霍尔效应不仅可以测量半导体材料的参数，比如载流子浓度和迁移率，禁带宽度等，还可以利用霍尔效应得到霍尔器件，这种器件响应频率高，可用于自动控制和测量等方面。

Hall测试可以分为接触式测试和非接触式测试。接触式测试是在样品上制作四个铟头用来外接电压，样片和磁场方向垂直。非接触测试不用制样，直接在垂直于样品的方向上加磁场，样品载流子迁移率不同对微波反射效果不同，建立模型进而测出材料的载流子浓度和迁移率。本文在室温300K 进行了Hall测试，同时也进行了77～300K 的变温测试，接触式霍尔测试做变温更方便，所以本实验采用的是接触式霍尔测试。Hall测试可以测得InAs／AlSbHEMT 外延片的电子迁移率和面电子浓度，实验研究了面电子浓度和迁移率随着温度的变化规律，Hall测试结果列于表4.2中。

表4.2　样品Ⅰ和Ⅱ测试的电子迁移率和面电子浓度

图4.8显示了当温度从77K 升高到300K 时，用MBE生长出的结构Ⅰ和结构Ⅱ两个外延材料样品的面电子浓度的变化。其中结构Ⅰ对应标记为样品Ⅰ，结构Ⅱ标记为样品Ⅱ，从图中看到，两个样品的面电子浓度随着温度的变化几乎保持不变，这说明高迁移率的2DEG 不是来源于沟道的热激发产生的本征载流子。如果是热激发产生的本征载流子，则在温度是77K 时电子的载流子浓度会急剧减少。沟道两边进行双δ面掺杂的InAs／AlSb HEMT 器件的外延结构面电子浓度达到7.71×1012／cm-2。当然，电子迁移率会随着掺杂浓度的增加而减小，因为掺杂浓度增加会加强了远程电离杂质散射和能带间散射。然而，双δ面掺杂的HEMT 外延片，在室温300K，即使面电子浓度高达7.71×1012／cm-2，电子迁移率也能达到16000cm2／Vs，在低温77K 电子迁移率更是高达33486cm2／Vs。结果显示，双δ面掺杂的HEMT 外延片能同时获得高电子迁移率和高电子面密度。(https://www.xing528.com)

图4.8　样品Ⅰ和样品Ⅱ的面载流子浓度随温度的变化关系

室温下，通过Hall测试，单δ面掺杂和双δ面掺杂的HEMT 外延片的电子迁移率和面电子浓度分别是16780cm2／Vs和8×1012／cm2，12562cm2／Vs和7.71×1012／cm2。电离杂质散射，声子散射和光子散射是限制Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体电子迁移率的主要散射机制。声子散射，电子迁移率与温度的关系大约是T-3／2，这里T 是测量温度。电离杂质散射，电子迁移率和温度关系是T3／2N-1，其中N 是总的电离杂质浓度。为了研究量子阱中2DEG的迁移率随着温度变化的关系，做了变温Hall测试，温度从77K 变化到300K。图4.9显示了测量的电子迁移率和温度的关系。从300K 到175 K，从图4.9中看到两个外延样片电子迁移率和温度的变化趋势一致，光子散射是主要的散射机制，因它们的关系拟合T-3／2，这与早期的其他组的研究结论是一致。声子散射仅与晶格原子的振动有关系，那么在各个温度范围内，这两个外延样品的声子散射机构对电子迁移率的影响效果是一致。但是当温度低于175K 时，两个样片的变化趋势发生明显变化。低温下，原子振动减弱，这就意味这声子振动散射减弱，这时电离杂质散射变成主要的散射机制，这时载流子迁移率只与杂质浓度呈N-1关系。双δ面掺杂的外延片的杂质浓度N 比单δ面掺杂的外延片要大，则对应的电子迁移率要低，与图4.9中的测试结果一致。

图4.9　样品Ⅰ和Ⅱ的电子迁移率与温度的变化关系