[发明专利]使用锁相放大技术的自动化磁输运测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及低温强磁场下对材料电学输运性质进行测量的技术，具体指一 种使用锁相放大技术的自动化磁输运测量系统和测量方法，它主要适用于半导 体材料在深低温强磁场下电学输运量子效应的精确测量。

背景技术

在半导体材料与器件的物理研究过程中，磁输运测量一直是一种重要而又 直接的研究手段。在不同的温度和磁场条件下，电学输运性质经历经典和量子 两个过程。通过改变温度、磁场等外界条件，不但可以获得样品中的载流子浓 度和迁移率等基本物理量，还可以研究在极端条件下(深低温、强磁场)涉及 载流子输运的一些量子物理现象，例如磁阻震荡、量子霍尔效应。通过对半导 体材料量子磁输运的研究，可以进一步分析材料能级分布、电子自旋分裂、不 同子带间电子相互作用、反弱局域效应等等。

目前大部分磁输运测量都是基于直流电系统，这就要求测试时样品上所加 的电流比较大(一般在μA量级)，在温度较高时(77K以上)，这对整个测试的 影响不大，但是随着温度的降低(4.2K以下)，大电流的加热效应越来越明显， 给测量带来了较大的误差；同时由于直流测量的限制，如果测量电流太小，测 量的精度就无法保证，所以在深低温下直流测量难以实现高精度。另外，当样 品带有栅电极时，经常希望获得栅压和磁场连续变化时的电学输运测量结果， 从而得到栅压-磁场相图。一般的测量系统只能够在自动扫描栅压或磁场的同 时记录电学输运测量结果，因此测量流程是手动调整栅压扫描磁场或者手动调 整磁场扫描栅压。当所需要的栅压、磁场点很多的时候，这种半自动测量方式 就显得很麻烦。

发明内容

本发明的目的就是解决直流磁输运测量在深低温下精度不高和实现栅压- 磁场相图的自动测量。这里需要明确的是，本发明所指的栅压-磁场相图测量 是在某个温度下，样品栅压V_g和磁场B分别在一定范围[V₁，V_n]和[B₁，B_n]内变 化，在每个(V_g，B)点都测量霍尔板样品的纵向电压和横向电压，由此得到 在[V₁，V_n]，[B₁，B_n]范围内栅压-磁场相图。

本发明设计了一种使用锁相放大技术的自动化磁输运测量系统和测量方 法，实现了深低温下的精确磁输运测量和栅压-磁场相图的自动测量。鉴于直 流测量精度的限制，本发明使用交流电流和锁相放大技术进行磁输运测量，测 量电流很小(一般在10～10²nA量级)，在深低温时(4.2K以下)的加热效应 很小，大大提高了测量的准确性。

本发明技术方案如下：

测量系统包括：标准霍尔板样品101、接线盒102、低温杜瓦103及温控装 置104、磁体105及磁控装置106、1号锁相放大器107和2号锁相放大器108、 电流源109、反向截止电路110、电压源111、GPIB控制卡112、计算机113。

测试样品101一般应制备成标准霍尔板形状，如图1蜂窝状区域。A、C、 D、E、F、G为6个接触电极，由引线分别与接线盒端口相连接，引线与电极 间应形成欧姆接触。A-E间通测量电流，C-D间或F-G间测量纵向电压，C-G 间或F-D间测量横向电压。由纵向电压和测量电流可以得到磁阻，横向电压就 是霍尔电压。如果在样品上覆盖一层绝缘层，然后在通测量电流的沟道上方生 长金属层形成栅极(如图1斜线区域)，则可以在测量时改变材料中的载流子 浓度，B、H为栅极的接触电极，由引线与接线盒端口相连接。接线盒102包 含8个端口，端口与样品电极通过引线接通，测试电缆可以方便地通过接线盒 端口与样品连接。

低温杜瓦103内有样品室，保证测试样品所需温度。如果磁体对温度有特 别要求，如超导磁体要求工作在液氦温度，那么磁体也应该放置在低温杜瓦内 以保证工作温度。低温杜瓦内有制冷装置或制冷液体，加热装置，配备温度控 制装置104，温控装置104能独立调整或保持样品室的温度。