遵循摩尔定律的材料表征方法

不断探索先进的磁性和半导体材料是必不可少的，以满足日益增长的需求，更高的性能，更低的功耗和更好的带宽。亚博网站下载

表征材料的输运特性是这类研究工作的出发点。I-V和C-V技术最初用于评估基本电性能，包括电导率和阻抗。在此之后，更复杂的分析，如霍尔效应测量，以确定传输特性，如载流子类型，迁移率和浓度。

x射线、拉曼光谱、紫外光谱和太赫兹光谱技术的使用，可以获得关于材料性质的更多细节。由于在室温下进行的简单台式测量值有限，因此有必要测量材料在大范围温度下的响应，以从这些早期表征技术中获得最深刻的见解。

还需要改变样品所观察到的磁场的能力来表征具有多种载流子类型的材料或探索磁输运特性。

低温与材料表征

当一种新的半导体材料在一定温度范围内进行表征时，就可以获得基本导电机制的关键见解。材料中的热激活载流子在最低的低温下被固定，从而能够揭示材料固有的电子传输特性。

当载流子被材料晶格结构中的缺陷困住时，器件的性能将受到负面影响。研究人员可以在低温下观察材料的传输特性，从而了解被困电荷的浓度、运动和位置。

在超导材料中，温度对导电性能的影响更为明显。亚博网站下载由于温度效应，一些磁性材料，包括铁磁纳米颗粒，可以观察到磁化位移。亚博网站下载yabo214

多功能低温探测站

不同的低温研究平台可进行变温度研究。其中一些提供集成磁铁。图1所示的低温探头站是最通用的系统，在一个容易接近的环境舱中提供所需的可变温度和磁场控制。该腔室可支持单个切块样品，最多可支持完整的晶圆。

图1。一个低温探测站（湖岸CRX-VF型低温电子学）。

根据这一要求，可以进行着陆和重新定位micro-manipulated探针以非破坏性的方式对试验箱中的样品进行测量，从而实现前所未有的测量灵活性（图2）。消除了繁琐的引线键合到较小的切片样品上，从而消除了任何潜在的样品损坏。

图2。用于晶体管测量的三端直流探测配置。

在低温探测站中，研究人员必须通过将所需设备连接到探测臂来手动进行分析。app亚博体育最近，一些关键的探针站供应商已经开始提供可选的测量包，可以执行高度复杂的表征，如霍尔效应测量。

这些软件包具有探测站固有的灵活性，便于进行广泛的测量，并且通过自动化某些测量协议和集成分析工具来准确确定所需的材料参数，具有交钥匙系统节省时间的优势。

非破坏性圆片规模调查

无论是确定基本材料性质转变还是早期器件发展，都是理想的使用低温探针台用于器件性能表征。考虑到构建器件结构需要高水平的实验室工作，为了保持晶圆的完整性，表征过程变得越来越重要。对迁移率和电导率等性能的中间检查在器件的开发中也很有用。

然而，由于低温探针站的非破坏性探测能力，这些晶圆级评估可以方便地进行。对于霍尔结构测量，测试结构的尺寸可以从几十微米到几十毫米不等。

此外，由于样品室的真空环境，活性材料表面和精致的有机材料不会受到湿气或大气的污染。亚博网站下载探针站平台能够集成负载锁定结构，甚至直接与沉积系统，使系统更加通用。

垂直磁场探测站和先进的迁移率分析软件工具的结合，有助于通过分离每个载流子种类的迁移率谱来分析多层或多载流子半导体霍尔样品。单个载体的识别允许用户在生长过程中纠正不必要的污染物，证实掺杂有效性，并在不同生产阶段执行质量控制。

示例：pHEMTs的低温探测

器件几何结构和材料特性之间的复杂相互作用使得假晶高电子迁移率晶体管（pHEMT）器件容易发生关态击穿，限制了器件的最大功率处理能力。

对于具有独特温度依赖性的击穿，提出了不同的物理机制，从而能够区分在特定设备架构中占主导地位的机制。在射频应用中使用的GaAs phemt要经受可变温度和晶片上传输测量。

图3显示了在固定源极栅极电压下随温度变化的栅极电流中观察到的三种不同的栅极泄漏状态。在210K以上，栅极电流与温度呈非单调关系，表明存在热离子场发射机制。

当温度小于150K时，栅极电流变得依赖于源栅极电压，但不依赖于温度，这表明隧穿输运在势垒导电上占主导地位。在150到210K之间观察到的栅电流的温度依赖性表明了一种中间击穿机制，最有可能是缺陷辅助隧穿。

图3。传输曲线测量期间温度相关的pHEMT栅极电流（V_DS=3 V）。

连续波太赫兹

太赫兹或太赫兹，通常在300-3000GHz范围内，是探索最少的电磁频谱。由于太赫兹频率能级符合大多数磁性和半导体材料固有的共振特性，因此可以更精细地刺激和揭示传导和自旋特性。亚博网站下载

Terahertz-frequency光谱学作为一种表征特殊材料特性的首选技术，正受到越来越多的关注。这种非破坏性的准光学方法适用于探索某些超薄薄膜、块状半导体和埋在器件前级异质结构中的薄膜的电导率。

太赫兹光谱仪可在传统时域(TDS)和下一代频域(连续波或CW)版本。与TDS相比，先进的连续波系统在分辨率和成本方面都具有优势，另外的优势是允许在感兴趣的窄频带或单一“停留”频率下进行材料分析。

室温太赫兹光谱可以满足理化材料分析的要求。亚博网站下载然而，磁学和电子学的分析需要可变(低温)温度和场。

信号功率通常是太赫兹光谱学中需要考虑的挑战。因此，对准源和检测器的混合光变得至关重要，引入多个中间表面是不可行的。特殊的低温稳定微型CW-THz混合剂的开发可以通过直接引入高场低温恒温器来解决这个问题，如图4所示。

图4。用于半导体材料表征的连续波太赫兹光谱系统发射极和探测器装置亚博网站下载

样品在作为背景参考的太赫兹光束中反复进出的过程由自动化的样品级负责处理，从而能够在每个所需的温度和现场步骤下记录样品传输测量。除了幅值谱外，还得到了样品相应的相位响应并绘制了图。这些相关联的相位信息对于确定输运特性和其他特性非常重要。

CW-THz Magneto-Spectroscopy

几种光谱技术被用于探索新的生长方法和材料，如紫外可见光谱(UV-vis)以了解带隙，x射线以探索晶体结构。亚博网站下载一种新材料的各种特性，如复合氧化物体系中的结构、磁性和电荷之间的相互作用，或半导体的频率依赖的复合电导率，都可以通过太赫兹表征来探索。

从获得的透射光谱中数值提取半导体的复值折射率是确定其电导率的第一步。应用适合折射率的德鲁德模型可以评估大多数材料的载流子浓度、平均载流子散射时间和迁移率。亚博网站下载

高迁移率半导体的回旋加速器共振（CR）可以通过测量其作为磁场函数的太赫兹响应来绘制。然后，可以通过CR的线宽和共振频率精确确定带质量和载流子类型。

太赫兹磁光谱学可以帮助确定迁移率和载流子类型，甚至在由较大频带质量载流子组成的低迁移率半导体，CR可能不在太赫兹范围内。磁场的强度和方向会影响CW-THz波的某些极化的电子和空穴的特性(图5)。研究人员正在开发算法，用于从场强相关的CW-THz测量中提取迁移率。

图5。掺b硅衬底的场依赖太赫兹谱

结论

电子和磁性技术研究在制造高性能计算和通信组件方面具有重要意义。配备可变低温和磁场环境的无损表征系统是探索新型磁性和电子材料的理想选择。亚博网站下载

CW-THz表征系统能够与各种重要物理现象的固有共振一致，使它们成为探索新材料新特性的潜在工具。亚博网站下载

这些信息来源于Lake Shore Cryotronics Inc.提供的材料。亚博网站下载

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