具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置與測量方法
2023-12-03 12:37:26
專利名稱：具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置與測量方法
技術領域：
本發明專利涉及半導體(非磁性和磁性)材料及其相關器件的電學特性(材料的雜質和缺陷深能級瞬態譜，樣品電容-電壓和電流-電壓特性曲線)測量裝置與測量方法，特別是涉及到用於稀磁半導體深能級瞬態譜測量的外加磁場裝置和測量方法以及稀磁半導體材料中由於磁性離子摻雜產生相關的雜質與缺陷深能級與外加磁場的相互作用信息。
背景技術：
1974年美國Bell實驗室D.V.Lang發明了用於測量非磁性半導體材料的雜質和缺陷深能級瞬態譜技術，打開了半導體材料電學特性測量新領域。為研究和應用新型半導體材料和相關電子器件打下了堅實的基礎。隨著半導體產品的迅猛發展，新型磁性半導體材料出現，但傳統的深能級瞬態譜測量裝置(無外加磁場)已無法滿足材料電學特性測量需要，尤其是磁性半導體材料運用領域——自旋電子器件。因為在無外加磁場條件下獲得的磁性半導體材料中的深能級信息已不能全面反映其電學特性和行為。隨著自旋電子器件的應用，迫切需要了解在外加磁場下材料中雜質與缺陷的電學行為和它們之間的相互作用信息。但到目前為止，我們查詢了國內外相關文獻資料，均無具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置和測量方法的報導。我們申請該發明專利，正是滿足稀磁半導體材料及其相關自旋電子器件產業發展的需要。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置與測量方法，可用於解決目前傳統的半導體材料中雜質和缺陷深能級瞬態譜測量無法提供的稀磁半導體材料中磁性離子引進的深能級與外加磁場相互作用的信息，提供半導體(非磁和磁性)材料雜質與缺陷在無磁場和外加磁場條件下深能級瞬態譜測量裝置和測量方法。運用該測量裝置和測量方法可在較寬的外加磁場強度(300-3000高斯)範圍裡提供稀磁半導體材料及相關自旋電子器件中雜質與缺陷深能級與外加磁場相互作用信息。本發明具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置和測量方法是在傳統的深能級瞬態譜測量基礎上發展起來的。
本發明的其技術方案包括本發明一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，其特徵在於，包括一永久磁鐵，該永久磁鐵為圓柱形；一底板，該底板置於永久磁鐵的下方；兩塊防護板，該防護板為矩形，該兩防護板置於永久磁鐵和底板的兩側；
一臺面，該臺面為矩形，該臺面置於永久磁鐵的上面；使兩塊防護板的高度與永久磁鐵加上底板的高度相同；臺面正好復蓋住永久磁鐵和兩塊防護板。
其中該防護板的材料為聚四氟乙烯。
其中該底板的材料為無氧紫銅。
其中該永久磁鐵為稀土材料製成，直徑為30mm，磁鐵強度範圍在300-3000高斯，其厚度範圍在3.5-6.5mm之間。
其中該臺面的材料為聚四氟乙烯。
本發明一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，其特徵在於，包括如下步驟步驟1將放置有樣品的樣品臺置於前述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置的檯面上；步驟2將放置有樣品的樣品臺和具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置置於真空容器的樣品室中，蓋好樣品室的外罩，抽真空；步驟3有序地改變外加永久磁鐵的磁場強度，由於磁場強度的變化，永久磁鐵厚度隨之改變，與此同時，改變底板厚度，使放在永久磁鐵上的臺面與放置測量樣品的樣品臺之間的空隙小，以保證通過待測樣品中心的磁場強度均勻；步驟4隨著待測樣品溫度的升高，從深能級瞬態譜輸出可獲得在不同外加磁場下樣品裡的雜質和缺陷深中心信號隨外加磁場的增大而發生有序紅移的信息。
其中將待測樣品的溫度降低到液氮溫度77K，在待測樣品上施加一反向偏壓VR，並在VR上迭加連續的正向脈衝VP，其脈寬為100μs。
其中抽真空到10-1託。
其中有序地改變外加永久磁鐵的磁場強度，該磁場強度為300-3000高斯。
其中放在永久磁鐵上的臺面與放置測量樣品的樣品臺之間的空隙小於0.2-0.3mm。
為進一步說明本發明專利的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明於後，其中圖1為本發明剖面圖及俯視圖。
圖2為摻鋁和鐵的n型ZnS稀磁半導體樣品(曲線2，3和4)和摻鋁n型ZnS參考樣品(曲線1)在傳統的深能級瞬態譜儀測量(無外加磁場)下獲得的深能級瞬態譜。
圖3分別為摻鋁n型(1-3×1018cm-3)ZnS參考樣品在傳統的深能級瞬態譜儀(無外加磁場)(曲線1)和本發明專利具有外加磁場深能級瞬態譜儀測量(曲線1a)下獲得的深能級瞬態譜。
圖4分別為摻鋁n型(1-3×1018cm-3)和n型摻鋁、鐵(1×1018cm-3)ZnS稀磁半導體樣品在傳統的深能級瞬態譜儀(無外加磁場)(曲線1，3a和3f)和本發明專利具有外加磁場深能級瞬態譜儀在不同外加磁場強度下(300-3000高斯)(曲線3b-3e)下獲得的深能級瞬態譜。
圖5分別為摻鋁n型(1-3×1018cm-3)和n型摻鋁、鐵(1×1019cm-3)ZnS稀磁半導體樣品在傳統的深能級瞬態譜儀(無外加磁場)(曲線1，4a和4f)和本發明專利具有外加磁場深能級瞬態譜儀在不同外加磁場強度下(300-3000高斯)(曲線4b-4e)下獲得的深能級瞬態譜。
圖6為與鐵有關的深施主態能量移動與磁場強度的關係。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發明一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，包括一永久磁鐵C，該永久磁鐵C為圓柱形；該永久磁鐵C為稀土材料製成，直徑為30mm，磁鐵強度範圍在300-3000高斯，其厚度範圍在3.5-6.5mm之間；一底板B，該底板B置於永久磁鐵C的下方；該底板B的材料為無氧紫銅；兩塊防護板A，該防護板A為矩形，該兩防護板A置於永久磁鐵C和底板B的兩側；該防護板A的材料為聚四氟乙烯；
一臺面D，該臺面D為矩形，該臺面D置於永久磁鐵C的上面；該臺面D的材料為聚四氟乙烯；使兩塊防護板A的高度與永久磁鐵C加上底板B的高度相同；臺面D正好復蓋住永久磁鐵C和兩塊防護板A。
本發明一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法(請結合參閱圖1)，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，包括如下步驟步驟1將放置有樣品的樣品臺置於前述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置的臺面D上；步驟2將放置有樣品的樣品臺和具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置置於真空容器的樣品室中，蓋好樣品室的外罩，抽真空到10-1託；步驟3有序地改變外加永久磁鐵C的磁場強度，該磁場強度為300-3000高斯，由於磁場強度的變化，永久磁鐵C厚度隨之改變，與此同時，改變底板B厚度，使放在永久磁鐵C上的臺面D與放置測量樣品的樣品臺之間的空隙小於0.2-0.3mm，以保證通過待測樣品中心的磁場強度均勻；步驟4隨著待測樣品溫度的升高，從深能級瞬態譜輸出可獲得在不同外加磁場下樣品裡的雜質和缺陷深中心信號隨外加磁場的增大而發生有序紅移的信息。
其中將待測樣品的溫度降低到液氮溫度77K，在待測樣品上施加一反向偏壓VR，並在VR上迭加連續的正向脈衝Vp，其脈寬為100μs。
其中的防護板A(該防護板長為34mm，寬為35mm，高為13mm)。防護板A作用有二，其一有效地防止樣品在測量過程中，由於測量溫度升高，熱傳導和輻射到永久磁鐵C，導致永久磁鐵C的磁場強度明顯降低。其二用於固定永久磁鐵C位置，保證永久磁鐵C圓心和放置待測樣品的樣品臺中心處於同一垂直線上，提供較均勻的磁場強度穿過待測稀磁半導體材料樣品。底板B為無氧紫銅塊，長為32mm，寬為30mm，其厚度取決於不同磁場強度的永久磁鐵C厚度。底板B的作用有二，其一有效地將傳導到永久磁鐵C的熱量傳走，使永久磁鐵C溫度保持在40℃以下。其二調節永久磁鐵C與放置樣品的樣品臺之間的空隙，使其空隙距離儘可能小。在永久磁鐵C和樣品臺之間為防熱傳導和輻射，放入由聚四氟乙烯加工製成的厚為1mm的臺面D。該外加磁場樣品架裝置使永久磁鐵C圓心與樣品臺中心保持在同一垂直線上且與樣品臺之間的空隙儘可能小(0.2-0.3mm)。為選擇不同的磁場強度，專門製備了一套不同磁場強度的永久磁鐵C，其磁場強度範圍為300-3000高斯。
將待測的稀磁半導體樣品，防護板A，底板B，永久磁鐵C和臺面D按圖1所示的位置裝配好，蓋好樣品室的外罩，抽真空到10-1託。有序地改變外加磁鐵的磁場強度(從300到3000高斯)，降低待測樣品的溫度到液氮溫度(77K)。在樣品上施加一反向偏壓(VR)，並在VR上迭加連續的正向脈衝VP(其脈寬為100μs)。隨著樣品測量溫度的升高，從深能級瞬態譜輸出裡可以獲得在不同的外加磁場下樣品裡的雜質和缺陷深中心信號與外加磁場相互作用信息。
非稀磁和稀磁半導體材料樣品深能級測量過程中使用該測量裝置和測量方法，有序改變外加磁鐵的磁場強度(300-3000高斯)可獲得相關半導體材料中雜質和缺陷深中心與外加磁場相互作用信息。對於非稀磁半導體材料，其深能級的能級位置不隨外加磁場強度改變而改變。對於稀磁半導體材料，可觀察到與磁性離子(3d過渡金屬和4f稀土元素)相關的深能級能級位置隨外加磁場增強發生明顯有序的移動。
圖2為摻鋁和鐵的n型ZnS稀磁半導體樣品(曲線2，3和4)和摻鋁n型ZnS參考樣品(曲線1)在傳統的深能級瞬態譜儀測量(無外加磁場)下獲得的深能級瞬態譜。
圖3分別為摻鋁n型(1-3×1018cm-3)ZnS參考樣品在傳統的深能級瞬態譜儀(無外加磁場)(曲線1)和本發明專利具有外加磁場深能級瞬態譜儀測量(曲線1a)下獲得的深能級瞬態譜。
圖4分別為摻鋁n型(1-3×1018cm-3)和n型摻鋁、鐵(1×1018cm-3)ZnS稀磁半導體樣品在傳統的深能級瞬態譜儀(無外加磁場)(曲線1，3a和3f)和本發明專利具有外加磁場深能級瞬態譜儀在不同外加磁場強度下(300-3000高斯)(曲線3b-3e)下獲得的深能級瞬態譜。
圖5分別為摻鋁n型(1-3×1018cm-3)和n型摻鋁、鐵(1×1019cm-3)ZnS稀磁半導體樣品在傳統的深能級瞬態譜儀(無外加磁場)(曲線1，4a和4f)和本發明專利具有外加磁場深能級瞬態譜儀在不同外加磁場強度下(300-3000高斯)(曲線4b-4e)下獲得的深能級瞬態譜。
圖6為與鐵有關的深施主態能量移動與磁場強度的關係。
本發明與現有測量裝置和測量方法的比較本發明專利填補了傳統的深能級瞬態譜對稀磁半導體材料深能級測量的空白，為研究稀磁半導體材料電學特性及其在自旋電子器件中的應用提供了非常重要的基礎性資料。
權利要求
1.一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，其特徵在於，包括一永久磁鐵，該永久磁鐵為圓柱形；一底板，該底板置於永久磁鐵的下方；兩塊防護板，該防護板為矩形，該兩防護板置於永久磁鐵和底板的兩側；一臺面，該臺面為矩形，該臺面置於永久磁鐵的上面；使兩塊防護板的高度與永久磁鐵加上底板的高度相同；臺面正好復蓋住永久磁鐵和兩塊防護板。
2.根據權利要求書1所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，其特徵在於，其中該防護板的材料為聚四氟乙烯。
3.根據權利要求書1所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，其特徵在於，其中該底板的材料為無氧紫銅。
4.根據權利要求書1所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，其特徵在於，其中該永久磁鐵為稀土材料製成，直徑為30mm，磁鐵強度範圍在300-3000高斯，其厚度範圍在3.5-6.5mm之間。
5.根據權利要求書1所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，其特徵在於，其中該臺面的材料為聚四氟乙烯。
6.一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，其特徵在於，包括如下步驟步驟1將放置有樣品的樣品臺置於前述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置的檯面上；步驟2將放置有樣品的樣品臺和具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置置於真空容器的樣品室中，蓋好樣品室的外罩，抽真空；步驟3有序地改變外加永久磁鐵的磁場強度，由於磁場強度的變化，永久磁鐵厚度隨之改變，與此同時，改變底板厚度，使放在永久磁鐵上的臺面與放置測量樣品的樣品臺之間的空隙小，以保證通過待測樣品中心的磁場強度均勻；步驟4隨著待測樣品溫度的升高，從深能級瞬態譜輸出可獲得在不同外加磁場下樣品裡的雜質和缺陷深中心信號隨外加磁場的增大而發生有序紅移的信息。
7.根據權利要求6所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法，其特徵在於，其中將待測樣品的溫度降低到液氮溫度77K，在待測樣品上施加一反向偏壓VR，並在VR上迭加連續的正向脈衝VP，其脈寬為100μs。
8.根據權利要求6所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法其特徵在於，其中抽真空到10-1託。
9.根據權利要求6所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法其特徵在於，其中有序地改變外加永久磁鐵的磁場強度，該磁場強度為300-3000高斯。
10.根據權利要求6所述的具有外加磁場的深能級瞬態譜測量方法其特徵在於，其中放在永久磁鐵上的臺面與放置測量樣品的樣品臺之間的空隙小於0.2-0.3mm。
全文摘要
一種具有外加磁場的深能級瞬態譜測量裝置，用於觀察稀磁半導體材料中由於磁性離子引進的雜質和缺陷深能級與外加磁場相互作用信息，其特徵在於，包括一永久磁鐵，該永久磁鐵為圓柱形；一底板，該底板置於永久磁鐵的下方；兩塊防護板，該防護板為矩形，該兩防護板置於永久磁鐵和底板的兩側；一臺面，該臺面為矩形，該臺面置於永久磁鐵的上面；使兩塊防護板的高度與永久磁鐵加上底板的高度相同；臺面正好覆蓋住永久磁鐵和兩塊防護板。
文檔編號H01L21/66GK1752764SQ20041007825
公開日2006年3月29日 申請日期2004年9月22日 優先權日2004年9月22日
發明者盧勵吾, 張硯華, 葛惟昆 申請人:中國科學院半導體研究所