Hall-Effekt-Aufbau

Edwin Hall

1879 entdeckte Edwin Hall den nach ihm benannten Hall-Effekt. Dieser Effekt sieht wie folgt aus: Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so werden die in dem Leiter vorhandenen Ladungsträger durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung geschieht sowohl senkrecht zum Magnetfeld, als auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Durch abgelenkte Ladungsträger wird sich auf einer Seite des Leiters eine erhöhte Ladung aufbauen, so dass ein elektrisches Feld generiert wird, das der Lorentzkraft entgegenwirkt. Die mit dem elektrischen Feld einhergehende Spannung wird Hall-Spannung U$_\text{H}$ genannt.

Was erhalte ich durch die Anwendung des Hall-Effekt-Aufbaus?

Verwendet man den Hall-Effekt-Aufbau so können aus Widerstands- und Spannungsmessungen folgende Halbleitermerkmale ermittelt werden:

• Flächenladungsträgerdichte n ($\text{cm}^{-2}$ )
• Mobilität µ ($\text{cm}^2V^{-1}s^{-1}$)
• Schichtwiderstand R$_\text{S}$ ($\Omega$)
• Hallspannung U$_\text{H}$ (V)
• Mittlere freie Weglänge $\lambda$ (µm)

Die Messung kann bei Raumtemperatur (RT) und bei 4,2K (liquid Helium (lHe)) und jeweils im Dunkeln sowie unter Beleuchtung durchgeführt werden.

Physikalischer Hintergrund

Hall-Effekt

Der Hall-Effekt kann, wie oben beschrieben, dazu ausgenutzt werden die Ladungsträgerdichte in Halbleitern zu bestimmen. Hierzu macht man folgende theoretische Überlegungen: Der Lorentzkraft wirkt ein elektrisches Feld entgegen, so dass bei Kompensation folgendes gilt:

$q\left(\vec E + \vec v \times \vec B\right) = 0$

Mit der Wahl des Koordinatensystems, in dem sich die Elektronen in x-Richtung bewegen und das Magnetfeld in z-Richtung zeigt, ergibt sich $\text{E}_\text{y}-\text{v}_\text{x}\text{B}_\text{z} = 0$, was mit der Stromdichte $\text{j}_\text{x} = \text{n}_{\text{3d}}\text{q} \text{v}_\text{x}$ zu Folgendem führt:

$E_y = \frac{1}{n_{3d}q}j_xB_z = R_Hj_xB_z$

wobei $\text{R}_\text{H} = \left(n_{3d} q\right)^{-1}$ die Hall-Konstante ist. Mit $E_y=\frac{U_H}{w}$, wobei w die Breite der Schicht ist, und mit $j_x = \frac{I_x}{wd}$, wobei d die Dicke der Schicht ist, folgt die Hallspannung $\text{U}_\text{H}$ und eine Vorschrift für die Ladungsträgerdichte:

$U_H = R_H\frac{I_xB_z}{d} = \frac{I_xB_z}{n_{3d}qd}=\frac{I_xB_z}{n_{2d}q}\Leftrightarrow n_{2d}=\frac{I_xB_z}{qU_H}$

Um also die Flächenladungsträgerdichte zu ermitteln muss man die Hall-Spannung messen. Der Strom wird selbst bestimmt, das Magnetfeld ist bekannt und durch das Vorzeichen von $n$ lässt sich feststellen, ob die Probe n- bzw. p-leitend ist (Vorzeichen von q).

Ferner lässt sich über eine Hall-Messung ebenfalls die Beweglichkeit µ über den Schichtwiderstand $\text{R}_\text{S}$ und Hall-Spannung bzw. Flächenladungsträgerdichte bestimmen. Der Zusammenhang sieht wie folgt aus:

$\mu = \frac{U_H}{R_SIB} = \frac{1}{qn_{2d}R_S}$

Die Messung des Schichtwiderstandes ist Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik.

Hardwareanwendung

Hat man seine strukturierte Halbleiterprobe mit einem Chipcarrier mittels Bond-Drähte verbunden, so kann man den Chipcarrier in die Hall-Anlage einbauen.

Chipcarrier

Bond-Plan

An der rechten Seite kann man einen gebondeten Chipcarrier sehen. Da, wo die halbkreisförmige Aussparung zu sehen ist, ist oben. Der neben der halbkreisförmigen Aussparung liegende lange goldene Strich zeigt an, wo die 1 der nach unten zeigenden Pins ist. Hierbei zählt man entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Frage ist, mit welchem Pad Pin Nr. 1 verbunden ist. Wenn man genau hinsieht ist ein Pad etwas kürzer als alle anderen Pads. Dieses kürzere Pad ist Pad Nr. 1 und ist mit Pin Nr. 1 verbunden. Auch die Pads werden entgegen dem Uhrzeigersinn hochgezählt (rechts neben Pad Nr. 1 ist also Pad Nr. 16, das mit Pin Nr. 16 verbunden ist [das wiederum lässt sich gegenüber von Pin Nr. 1 finden]). Da man nun weiß wo beim Chipcarrier oben ist, kann man ihn in die Hall-Anlage/den Probenhalter einbauen. Genauso, wie man ihn auf dem rechten Bild sehen kann, wird er eingebaut.

Um nicht durcheinander zu kommen welcher Pin zu welchem Pad gehört und zu welcher Struktur wiederum welches Pad gehört macht man sich Bond-Pläne. Eine Rohfassung kann man bekommen oder sich selbst aufmalen.

Für gewöhnlich hat man mehr als eine Struktur auf einer Halbleiterprobe, so dass man noch mit den an der Hall-Anlage befindlichen Kabeln definieren muss, welche Struktur man ausmessen möchte. Die Kabel sind durchnummeriert (1, 2, 3, 4) und müssen an BNC-Buchsen angeschlossen werden. Haben Sie beispielsweise eine Van-der-Pauw-Struktur (vier Kontakte an den Ecken), so ist links-oben die 1, links-unten die 2, rechts-unten die 3 und rechts-oben die 4. Die damit beschrifteten Kabel müssen Sie nun mit der BNC-Buchse verbinden, die die Nummer des zu untersuchenden Pins beschreibt (siehe Bond-Plan).

Wurde alles richtig angeschlossen, kann man bei Raumtemperatur eine Hall-Messung durchführen.

Softwareanwendung

Die Anwendung der Software gliedert sich in ca. sieben Schritte:

1. Eingabe globaler Daten
2. Wahl des elektrischen Stromes
3. eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K
4. Kontaktkontrolle
5. Bestimmung des Schichtwiderstandes
6. Messung der Hall-Spannung
7. Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse

Bevor die einzelnen Schritte im Detail beschrieben werden, können Sie im nachstehenden Bild die Hauptebene des Programms Hall_Main_EXP2.vi sehen:

oben: Van-der-Pauw-Geometrie, unten: Bar-Geometrie

Von der Hauptebene des Programms kommt man zu den Voreinstellungen (Global settings, Auto Current, Illuminate), zu den Messvorgängen (Check contacts, Resistivity, Hall measurement, IV-Graph) und der Speicherung der Messergebnisse (Save Data, Print). Die einzige direkte Einstellmöglichkeit auf der Hauptebene ist die Festlegung der Probengeometrie: Hier kann man zwischen Van-der-Pauw- und Bar-Geometrie wählen, indem man auf das Bild unter VDP/bar klickt. Die Zahlen auf den Bildern spiegeln die Kontaktorientierung wider, die zum Anschluss der Kontakte an die Hardware wichtig ist.

Eingabe globaler Daten / Global settings

Die globalen Daten dienen dazu die Messergebnisse einer bestimmten Probe zuzuordnen und anzugeben unter welchen Bedingungen gemessen wurde. Im Feld Operator gibt man seinen Namen ein, in Identification (MBE number) gibt man die Probennummer ein, die jeder Halbleiterprobe vorab vergeben wird, in Description kann man eine nähere Beschreibung zur Messung angeben. Der Schalter Illumination gibt an, ob die Messung unter Beleuchtung (grün leuchtet auf) oder in Dunkelheit durchgeführt wird. Ferner kann man unter Temperature angeben bei welcher Probentemperatur die Messung durchgeführt wird (für gewöhnlich Raumtemperatur (RT) und in flüssigem Helium 4,2K (lHe)).

Bei RT wird automatisch Magnetfeldquelle auf permanent geschaltet. Der Permanentmagnet hat eine Feldstärke von 123mT. Bei lHe wird die Magnetfeldquelle automatisch auf coil geschaltet. Da diese Messung innerhalb einer Heliumkanne durchgeführt wird und am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik zwei verschiedene gibt, muss man im erscheinenden Fenster zwischen normalleitender und supraleitender Spule wählen. Man findet am Kannenhals die Art der sich in der Heliumkanne befindlichen Spule.

Diese Angaben werden letztlich mit den Messergebnissen abgespeichert, um die Messergebnisse eindeutig zuordnen zu können.

Wahl des elektrischen Stromes / Auto current

Für die Messung des Hall-Effektes kann in dieser Ebene der Strom festgelegt werden. Mit dem Button Autoset wird für die benutzte Halbleiterprobe der Strom gesetzt, bei dem 25mV an den Kontakten abfällt. Man kann allerdings den Strom in der Box Current [µA] selbst festlegen. Der Strom wird in µA angegeben und liegt für Standard-Hallproben bei 100µA. Mit OK bestätigt man die Festlegung des Stromes für die Messung/en.

eventuelle Beleuchtung der Probe bei 4,2K / Illumination

In dieser Ebene kann man die Halbleiterprobe mit einer LED, die man in den Probenhalter installiert hat, beleuchten. Mit dieser Beleuchtung forciert man die Erhöhung der Ladungsträgerdichte durch Fundamentalabsorption. Der LED-Strom ist für gewöhnlich 10mA, die Dauer der Beleuchtung kann selbst eingestellt werden. Hat man den LED-Strom und die gewünschte Beleuchtungsdauer eingestellt, so kann man über exposure den Beleuchtungsvorgang starten.

Hinweis: Die Dauer der Beleuchtung wird nicht automatisch abgespeichert; es ist also ratsam die Dauer oder die Gesamtdauer der Beleuchtung in Global settings $\rightarrow$ Description einzugeben.

Kontaktkontrolle / Check contacts

Die auf der Probe aufgedampften Strukturen sind für gewöhnlich sehr klein und werden mittels eines dünnen (Durchmesser 30µm) Aluminium-Bond-Drahtes mit Pads eines Chipträgers / Chipcarriers verbunden. Ob die Strukturen auf der Probe mit den Pads des Chipcarriers gut verbunden sind und um festzustellen wie die Unterschiede in Hinblick des Widerstandes zwischen den Kontakten sind, kann in dieser Ebene festgestellt werden. Die grünen Zahlen auf der linken Seite (100, 50, 10) spiegeln den Messstrom wider (100%, 50%, 10% des festgelegten Stromes), die oberhalb der gelben Zahlen (1-2, 2-3, 3-4 usw.) geben an zwischen welchen beiden Kontakten der Widerstand gemessen wird (s. oben VDP/bar). Die Tabelle mit den gelben Zahlen sind dann folglich die gemessenen Widerstandswerte und geben auch Auskunft über die Symmetrie der Probe. Für den Fall, dass sich z.B. ein Bond-Draht (aufgrund der Abkühlung auf 4,2K und der einhergehenden Kontraktion des dünnen Bond-Drahtes) von der Probe oder dem Pad löst oder gar reißt, kann hier festgestellt werden, ob die weiteren Messungen noch Sinn machen.

Bestimmung des Schichtwiderstandes / Resistivity

Wie oben bereits erwähnt ist die Ermittlung des Schichtwiderstandes $\text{R}_\text{S}$ Bestandteil der Van-der-Pauw-Technik. Es wird der festgelegte Strom angezeigt, die Kontaktkonfiguration der Messung (S21M34 bedeutet z.B., dass durch die Kontakte 2-1 der Strom fließt (Source) und zwischen den Kontakten 3-4 der Widerstand gemessen wird (Measure)), ferner wird der dazugehörige Spannungsabfall und als Resultat der Messung der Schichtwiderstand angegeben. Man kann die Messung mittels Measure beliebig oft wiederholen und mittels OK verlassen.

Messung der Hall-Spannung / Hall meas.

In dieser Ebene wird die Hall-Spannung gemessen und die daraus resultierenden Werte für Flächenladungsträgerdichte und Mobilität berechnet.

In der oberen Leiste Hall settings wird die Kontaktkonfiguration angegeben. Die Verstärkungsfaktoren G0 und G1, die durch die Buttons premeasurement und optimize gain gefunden werden, dienen dazu den Messbereich optimal auszunutzen. Die häufige Klick-Reihenfolge premeasurement $\rightarrow$ optimize gain $\rightarrow$ measure wurde im Button compl. measure vereinigt. Man kann allerdings die Verstärkungsfaktoren auch manuell eingeben.

Die Hall-Spannung wird in beide Magnetfeldrichtungen gemessen, so dass man Spannungsoffsets eliminieren kann. Hierzu gibt es die obere Leiste Field + \ Field - in der man die Mittelwerte und die Abweichung der Hall-Spannung ablesen kann.

Mit OK verlässt man diese Ebene und kommt zum Hauptbildschirm zurück.

Speichern und eventuelles Drucken der Messergebnisse / Save data und Print

Save data: Save data speichert die Ergebnisse der Messung. Ist der nebenstehende Schalter Autosave auf Y (Yes) gestellt, so öffnet sich ein Dialog, in dem man den Speicherort und den Dateinamen angeben kann. Jedes weitere Klicken auf Save data hängt die Messergebnisse an die schon bestehende Liste der erstellten Datei an. Steht der Schalter Autosave auf N (No) kann man die erwähnten Schritte manuell ausführen (Speicherort festlegen, Dateiname, Header ja/nein, Daten anhängen ja/nein usw.).

Print: Klickt man nach einer kompletten Messung auf Print, so werden die wesentlichen Daten in ein vorgefertigtes, halbseitiges Forumlar gedruckt. Der neben dem Button Print liegende Schalter upper / lower dient dazu den "Druckort" auf dem DIN A4-Blatt zu bestimmen. Nach jedem Drucken wechselt der Schalter automatisch von upper auf lower und umgekehrt.