半导体材料是现代工业中不可或缺的核心元素､它们具备独特的物理特性､能够在一定条件下调控电子的流动､从而展现出介于导体和绝缘体之间的导电性能｡
在现代工业中､半导体材料发挥着举足轻重的作用。它们不仅是制造集成电路､微处理器､存储器等电子元件的基础材料､还广泛应用于通信､能源､医疗等多个领域｡随着科技的不断发展､半导体材料在智能制造､物联网､新能源汽车等新兴领域中也展现出了巨大的潜力｡它们的高性能､低功耗和可靠性使得现代电子设备更加高效､便捷和智能化､推动了整个工业体系的进步与发展｡
半导体材料的主要测试参数有霍尔系数､载流子浓度､载流子迁移率和电阻率等[1]：
霍尔系数是半导体材料在磁场中电流行为的重要表征｡通过测试霍尔系数､我们可以确定半导体材料中的载流子类型（电子或空穴）､进而分析材料的导电机制｡霍尔系数的准确测量有助于我们深入理解材料的电学特性､为器件设计提供理论支持｡
载流子浓度反映了半导体材料中参与导电的粒子数量｡通过测试载流子浓度､我们可以评估材料的导电能力､并据此优化器件的电流承载能力和功耗｡载流子浓度的变化还可能影响材料的能带结构和电学性能､因此对其进行测试有助于我们全面了解材料的性能特点｡
载流子迁移率表示了载流子在电场作用下的移动速度｡高迁移率意味着材料中的载流子能够更快地响应外部电场的变化､从而提高器件的响应速度和性能｡因此､测试载流子迁移率对于优化半导体器件的动态性能具有重要意义｡
电阻率是衡量半导体材料导电性能的基本参数｡通过测试电阻率､我们可以评估材料的导电能力､为器件的功率损耗､散热设计等提供重要参考｡电阻率的大小还受到温度､掺杂浓度等因素的影响､因此对其进行测试有助于我们了解材料在不同条件下的性能变化｡
综上所述､测试半导体材料的霍尔系数､载流子浓度､载流子迁移率和电阻率等参数､对于全面理解材料的电学性能､优化器件设计以及提高器件性能具有重要意义｡
然而､温度对半导体材料的霍尔系数､载流子浓度､迁移率和电阻率有显著影响｡温度升高时､半导体内部原子振动加剧､导致载流子（电子或空穴）的激发数量增加､使载流子浓度增大｡然而､同时原子振动也会增加载流子运动时的碰撞频率､降低其迁移率｡霍尔系数则与载流子类型和浓度直接相关､因此也受温度影响｡此外､载流子浓度的增加和迁移率的降低共同影响电阻率､通常导致电阻率随温度升高而降低｡这些变化共同反映了温度对半导体材料电学性能的重要影响｡
LakeShore M91是一款高性能的霍尔测试设备､广泛应用于半导体材料和器件的电学特性研究｡该设备通过霍尔效应测量材料的电导率､载流子浓度和迁移率等参数､为材料的电学性能评估提供了重要的依据｡而液氮低温恒温器HCT-1S是能够提供很好的温度梯度和高稳定性的温度场､待测样品放入其中､并通过定制化设计真空腔室､样品台､然后放入M91的磁铁中､并通过探针和线缆连接､从而实现在低温/变温下的霍尔效应测试､获得在不同温度下的霍尔系数､载流子浓度､载流子迁移率､电导率/电阻率等参数｡具体方案可参考图1｡
图1 M91与HCT-1S的联用方案
半导体材料中的IVB族过渡金属二硫化物（TMDs）是常用来研究的二维材料｡其中､硫化锆ZrS2具有层状结构､适中的带隙和优异的物理特性､在光电探测器､场效应晶体管等器件中展现出巨大的应用潜力｡Yan等人[2]通过化学气相沉积法（CVD）､本研究实现了在c面蓝宝石基底上外延生长高质量的大面积均匀ZrS2薄膜､观察到ZrS2与蓝宝石基底之间的超晶胞匹配关系､外延关系为
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如图2所示､外延生长的ZrS2薄膜表现出n型半导体特性､变温测试结果显示､光学声子是室温及以上温度下的主要散射机制､而低温下迁移率的增加主要由于声子散射的减少｡ZrS2薄膜在不同温度下的迁移率变化情况､低温下迁移率显著增加､表明低温条件下载流子散射减少｡载流子浓度随温度变化的趋势､温度降低对载流子浓度的影响较小､表明ZrS2薄膜在宽温区内具有稳定的载流子浓度｡电导率随温度的变化情况､低温下电导率显著提高､进一步验证了低温测试的优势｡
图2 ZrS2样品在M91和HCT-1S联用设备中的测试结果
第四代半导体是半导体材料领域的重要进展､代表着新一代半导体技术的发展方向｡与传统的半导体材料相比､第四代半导体具有更加优异的性能和特点｡第四代半导体主要包括超宽禁带（UWBG）半导体材料和超窄禁带（UNBG）半导体材料两大体系｡超宽禁带半导体材料､如金刚石､β相氧化镓（Ga2O3）和氮化铝（AlN）等､具有禁带宽度大､热导率高､化学稳定性好等特点､能够在极端条件下稳定运行､因此广泛应用于高功率电子器件､光电器件等领域｡超窄禁带半导体材料､如锑化物半导体（GaSb、InSb）､则因其易激发､迁移率高等特性､在探测器､激光器等器件中展现出卓越的性能｡
其中､β-Ga2O3具有超宽禁带(~4.9 eV)､高击穿电场(~8 MV/cm)､良好的化学和热稳定性等优点､是下一代高功率器件和太阳盲紫外探测器的有力候选材料｡Qian等人[3]通过低压化学气相沉积（LPCVD）方法在蓝宝石衬底上生长β-Ga2O3薄膜､并进行氢等离子体处理｡不同温度下的霍尔系数和载流子迁移率变化情况､揭示了氢掺杂对薄膜电学性能的显著影响｡如图3(a)所示，载流子浓度随着温度的增加而几乎不变｡图3揭示了半导体的迁移率通常受到多种散射机制的限制､包括离子化杂质或缺陷､晶格振动（声子）以及霍尔迁移率和离子化杂质散射｡根据图3(b)､在100-250 K的温度范围内､与温度无关的散射是一个主要机制､而在室温下､其他机制可能起着更重要的作用｡图3(c)显示､随着温度的升高､样品的电阻率略有增加､这可能是由于载流子浓度的变化导致的｡
图3 β-Ga2O3样品在M91和HCT-1S联用设备中的测试结果
为实现低温霍尔效应的测试､武汉光谷薄膜可提供全套解决方案､通过液氮低温恒温器和霍尔测试仪进行匹配､对HCT-1S的样品台､样品腔等部分进行定制化设计､以配合常温霍尔设备的测试光路､从而实现78-800K范围内的变温霍尔效应测试｡
液氮低温恒温器（HCT-1S）是能够提供很好的温度梯度和高稳定性的温度场､具有78--800K的宽温度范围､0.05K的高精度控温､10-4hPa的高真空度等特性､并可以为客户设计定制化样品台､匹配客户检测设备､可实现在低温下或变温下电学､磁学､电磁学､光学､光电学､热力学､力学､声学等性能测试｡
[1] Kasap S. Hall effect in semiconductors[J]. Electron. Booklet, 2001, 1(1).
[2] Tian Y, Cheng Y, Huang J, et al. Epitaxial growth of large area ZrS2 2D semiconductor films on sapphire for optoelectronics[J]. Nano Research, 2022, 15(7): 6628-6635.
[3] Jiang Q, Meng J, Shi Y, et al. Electrical and optical properties of hydrogen plasma treated β-Ga2O3 thin films[J]. Journal of Semiconductors, 2022, 43(9): 092802.
