Van der Pauw法による半導体移動度測定装置の作製

Abstract

For semiconductors, electrical conductivity and Hall effect can be obtained from the analysis of electron and hole behavior. Conversely, it is also possible to derive physical parameters associated with electrons and holes from conductivity and Hall coefficients. Van der Pauw method is a useful method to measure Hall coefficients. A semi-automatic measuring system has been developed to obtain the mobility from the conductivity and the Hall coefficients measured by Van der Pauw method. In Van der Pauw method, the resistances of a sample can be obtained from the given electric currents and the induced voltages in the magnetic fields. The electric conductivity can be computed as the inverse of this resistance. Similarly, the Hall coefficient can be computed from the given current and the induced voltage. The mobility is given as the multiplication of the conductivity and the Hall coefficient. The newly developed system can perform the control of current, the switch of electrodes, and the input of voltages by the operations of a personal computer. For the operating program, BASIC on MS-DOS is used. After users input the data such as applied voltage ranges, time intervals of measurements, the film thickness of the specimens, the computer carries out the measurements in accordance with the given routine depending on data. The routine work contains the confirmations of ohmic, the measurement of resistances and Hall effects, and the computations of mobility. For the measurement of Hall effect, the difference between the results of this system and ready-made model is only one percent. With the use of Van der Pauw method, Hall effects can be measured regardless of the sample configuration so long as the sample has the uniform width and composition.

半導体では電子や正孔の挙動から電気伝導度やホール効果が解析できる。逆に、伝導度やホール係数から電子や正孔の振る舞いに関する物理量を導くことも可能である。ファン・デル・ポー(Van der Pauw)法はホール係数を測定する便利な方法である。この手法により伝導度とホール係数を測定し、これらより移動度を求める半自動的計測システムを作製した。ファン・デル・ポー法では、磁場中の試料に流した電流と、それにより得られる電圧とから試料の抵抗率を求めることができる。電気伝導度はこの抵抗率の逆数として得られる。同様にして、与えられた電流と得られる電圧とからホール係数が求められる。移動度は、電気電導度とホール係数の積として求まる。今回開発した測定システムは、パーソナルコンピュータの制御により、電流の制御、電極の切り替え、電圧の読み込みを行うことができる。制御プログラムにはMS-DOS上のBASICを用いる。コンピュータに付加電圧範囲、測定時間間隔、試料膜厚などのデータを入力すると、コンピュータはデータにしたがってルーチンに沿った測定を実行する。ルーチンは電極のオーミック確認、抵抗率測定、ホール係数測定、そして移動度計算処理という順に行われる。本試作装置と既製のホール測定装置により同一試料を測定した結果、移動度に関しては1%程度の差しかなかった。ファン・デル・ポー法は均質で一様な厚みであれば、形状によらずホール測定が出来る点が強みである。