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ResiTest8400シリーズ 比抵抗/ホール測定システム 

東陽テクニカ(半導体物性評価)
ResiTest8400シリーズ 比抵抗/ホール測定システム
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ResiTest8400型は半導体材料の比抵抗とホール効果を測定し、その材料のキャリアタイプ、キャリア濃度、キャリア移動度を求める装置です。8400ACLR/8400ACは、AC磁場法を採用し半導体材料と電極の界面で発生するノイズやドリフトを除去することができるため低移動度/高抵抗試料の測定に威力を発揮します。 
また8400ACLR/8400LRに搭載された高速な電流反転機能(デルタモード)は熱起電力の影響を除去することができ、熱電材料のように低抵抗でかつ熱起電力の影響を受けやすい材料の測定に有効です。

(株)東陽テクニカ 理化学計測部
TEL:03-3245-1103

 

特長

ホール起電圧感度:60nV (8300型:1μV)
ResiTest8300(AC磁場法)より高感度に!!
移動度測定範囲:10-3~106 [cm2/Vs]
抵抗測定範囲:10-5~1013 [Ω]
幅広い測定範囲:5K~1073K(800℃)
 
当社は2000年にAC(交流)ホール測定法:ResiTest8300型を開発し、従来のDC磁場ホール測定器よりもホール起電圧測定感度が100倍向上し多くのワイドバンドギャップ半導体のホール測定を可能にしてきました。しかし次世代半導体は更に低移動度になりResiTest8300型でも測定が困難になっています。そこで当社は米国LakeShore社と共同で ResiTest8300型よりもホール起電圧測定感度を良いResiTest8400型を開発しました。 
当社が開発したACホール起電圧法と、LakeShore社が開発した低ノイズの電圧アンプを採用する事により、ResiTest8300型よりも60倍高感度測定が可能になりました。
 *ResiTest8300型は販売を終了させていただきました。詳細はこちらをご覧ください。

オプション

【温度可変試料ホルダー部】     
室温で測定しているだけでは見えてこない特性、例えばキャリア濃度の変化から活性化エネルギーを推定したり、移動度が急変する結晶構造の転移点の見極めなど、温度を変化させながら測定して始めて得られる情報はたくさんあります。
また試料の種類によって、要求される測定温度の範囲もさまざまです。ResiTest8400には、試料を極低温から超高温に至るまで広い範囲の温度に保持して測定するための、各種専用試料ホルダーが豊富に用意されています。
また必要に応じて試料ホルダーを取り替えて使用することが可能です。
 
型 式 温度範囲 冷却/加熱方式
(特長)
雰囲気 温度精度/
安定度
冷却/加熱
到達温度
測温センサ
(制御部/試料部)
LH型 4.2K ~ 400K 液体He フロー/
ヒーター
He ± 0.1K 25min Cernox/Cernox
REFS型 5K ~ 300K 2段冷凍機/
ヒーター
He ± 0.1K 180min@10K Cernox/Cernox
REFSOP型 6K ~ 300K 同上
(導光用 窓付)
He ± 0.1K 180min@10K Cernox/Cernox
REF型 20K ~ 300K 2段冷凍機/
ヒーター
He ± 0.1K 180min@20K Cernox/Cernox
REFOP型 20K ~ 300K 同上
(導光用 窓付)
He ± 0.1K 180min@20K Cernox/Cernox
LN型 78K ~ 473K 液体窒素 溜/
ヒーター
He ± 0.1K 10min 白金/Si-Diode
LNOP型 78K ~ 300K 同上
(導光用 窓付)
大気 ± 0.1K 10min 白金/Si-Diode
RT型 室温 大気 オプション
LNS型 77K &室温 液体窒素
ジャブ浸
N2 なし
VHT型 室温~ 800℃
(室温~600℃)
巻線ヒーター 真空
(希ガス)
± 0.1K 90min 熱電対/ 熱電対

 

【電磁石部】
電磁石プラットフォームはホール測定に必要な磁場を発生します。どのタイプの試料ホルダーを搭載してもサンプルが正確に磁場中心に位置する様に設計されています。
 
最大磁場出力 磁場周波数 磁極
ギャップ
磁極径 磁場均一性
DC AC
標準型 0.52 [T] 0.35 [Trms] 500mHz, 250mHz,
100mHz, 50mHz
54mm 54mm ±0.2%@cm3
8400-OP型 導光型
(導光穴φ6.35mm)
0.6 [T] 0.4 [Trms] 100mHz, 50mHz 84mm 100mm ±0.2%@cm3

8400-OP型は直径6.35mmの導光穴が磁極を貫通しています。そのため窓付き試料ホルダーと組み合わせれば、外部光源からサンプルに光を導入できます。
 
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【システムオプション】
ゲートバイアス印加オプション
FETを形成した半導体試料に対し、ゲートバイアスを与え、その変化に対する比抵抗やホール電圧の変化を観測することができます。
ゲートバイアスを与える電圧ソースから流れ出す電流を測定しているので、絶縁膜のリークの状態を観測することができます。
6端子オプション付きの試料ホルダが対応します。
 
磁気抵抗測定オプション
磁気依存特性を持った材料の、ホール効果以外の様々な磁気抵抗特性の測定が可能になります。
試料に磁場を印加した状態で、比抵抗測定が可能。磁場を掃引しながら比抵抗の変化を観測できます。
磁場の大きさを変えてホール測定をおこない、ホール係数の磁場依存性を測定できます。
磁場を掃引しながらホール抵抗の変化も観測でき、磁場に対するヒステリシスが見られます。
試料の取り付け角度を変えることで、横磁気抵抗、縦磁気抵抗の測定が可能。
またプレーナーホール効果も観測できます。
 
熱電能測定オプション(8300型対応)
熱電能(ゼーベック係数)の測定が可能です。極低温から高温まで、幅広く熱電能を観測できます。
ホール測定用の試料ホルダー部分を、温度勾配のある熱電測定専用ホルダーに交換します。
温度に対する熱電能のプロット図が作成でき、本体のホール測定装置で測定可能な比抵抗やキャリア濃度の温度依存性データと照合して、材料の熱電特性をさらに深く考慮することができます。
REF型、LN型、VHT型の試料ホルダに適合する熱電能測定専用試料ロッドが付きます。
ソフトウェアには電極材料として使用されている銀や白金の熱起電力成分を補正する機能があり、結果として絶対熱起電力が得られます。

 

ラインナップ

8400シリーズには4種類の製品ラインナップがあり、試料の特性に合わせて選択できるようになっています。
試料の電極間抵抗値は最適な計測ユニットを選択する目安になります。
 
  8400ACLR型 8400AC型 8400DC型 8400LR型
AC 磁場ホール測定    
DC 磁場ホール測定
デルタ電圧測定モード    
 
比抵抗測定範囲 10-8Ωcm~109Ωcm 10-6Ωcm~109Ωcm 10-6Ωcm~109Ωcm 10-8Ωcm~105Ωcm
電極間抵抗測定範囲 10-5Ω~1013Ω 10-2Ω~1013Ω 10-2Ω~1013Ω 10-5Ω~109Ω
キャリア移動度 10-4cm2/Vs 10-4cm2/Vs 10-3cm2/Vs 10-4cm2/Vs
キャリア濃度 1027cm-3 1023cm-3 1023cm-3 1027cm-3
*特に指定がない項目は試料の厚みを1µmとします。
 
試料抵抗による測定範囲
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導入事例

事例紹介 1
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ワイドギャップ半導体の研究に取り組んでいる独立行政法人物質・材料研究機構 環境・エネルギー材料部門 光・電子機能グループ(以下、光・電子機能グループ)では、ResiTest 8300を利用して酸化物半導体や窒化物半導体などのホール測定を行っている。ResiTest 8300の使い勝手などについて、光・電子機能グループでリーダーを務める大橋 直樹氏に詳しく話を聞いた。
もくじ
光・電子機能グループの研究概要
-- 独立行政法人物質・材料研究機構についてご紹介ください。
独立行政法人物質・材料研究機構(略称、NIMS)は、2001年4月に当時の金属材料技術研究所と無機材質研究所が統合して発足しました。 物質・材料科学技術に関する基礎研究および基盤的研究開発等の業務を総合的に研究している機関として、材料分野の発表論文数や論文引用数も多く、世界的にも高く評価されています。
 

*大橋氏も多数の論文を発表しており、大橋氏のホール効果測定へのこだわりは、J.Mater.Res.誌の23巻2293頁に掲載されたホール測定の論文からもうかがい知れます。
 
-- 光・電子機能グループにおける開発・研究のテーマについて教えてください。

「ワイドギャップ半導体」が、光・電子機能グループにおける主要研究テーマです。 単結晶成長技術や薄膜合成技術などの材料合成技術を駆使し、より高度に制御された材料合成を行うこと。そして同時に、物質の物理的かつ化学的性質の解明を進め、基礎から応用にいたるさまざまな分野で光機能/電子機能を持った新たな材料の開発に、日々取り組んでいます。
ResiTest 8300の利用状況
-- ResiTest 8300をどのように利用していますか。
インジウム・錫酸化物(通称、ITO)や酸化亜鉛等の酸化物半導体や、窒化ガリウムに代表される窒化物半導体といった素材に対して、電気的特性の評価を行うホール測定を実施するためにResiTest 8300を利用しています。

 
-- どのくらいの頻度で利用していますか。
使用頻度が高いときは、一定の期間、毎日のように利用することもあります。
 
-- ResiTest 8300を導入したのはいつ頃ですか。
現在、光・電子機能グループで利用しているResiTest 8300を導入したのは2005年頃になります。個人的には、旧バージョンの装置も含めると、 もう20年以上ResiTestを利用していると思います。
ResiTest 8300の導入理由
-- ResiTest 8300を導入している目的を教えてください。
半導体結晶の評価を実施する中で、ホール効果測定は欠かすことのできない評価手段です。論文等を発表する際、正確で信頼性の高いホール測定データを示すことが大切であり、そうしたデータはResiTest8300をつかって測定しています。また低移動度素材のホール効果測定もさることながら、半導体自身の問題ではなく、測定のための電極からのノイズ発生が深刻でDC磁場ホール測定では精度の高いホール係数測定が難しい場合などに関しても、ResiTest 8300による磁場が交流変調されたAC磁場ホール測定が非常に力強いツールとなります。

 
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AC磁場ホール測定は非常に力強いツールです。
(大橋氏)
-- ResiTest 8300を選択した理由を教えてください。
AC磁場変調でホール起電圧を測定できる測定器が他にはないので、ResiTest 8300以外に選択肢がないというのが現状です。実際、ホール効果測定が出来ないと、半導体やセラミックスなどの研究や材料開発には大きな障害となるので、他の研究機関に設置されたホール効果測定装置が何らかの理由で使えなくなったときや、より高い精度のデータを得たい場合などに、他の研究機関の方が当研究所に来てResiTest 8300を使って測定を行うことなどもあります。  
(注:ACホール測定を実現する「ACホール起電圧法」は、東陽テクニカの特許技術です)
ResiTest 8300は測定器として完成されている
-- 長年ResiTest 8300をお使いいただいておりますが、評価はいかがでしょうか。
これまで、さまざまな測定装置を利用してきました。その中でも、ResiTest 8300は使い勝手に優れ、完成度の高い測定器だと思います。
 
-- ResiTest 8300のどのようなところが使い勝手よいと思われますか。
たとえば、ResiTest 8300で測定を行う際の操作はすごくシンプルです。PCの画面でいくつかの測定条件を設定して、「測定開始」をクリックするだけですから。
しかし、単に簡単だということだけでなく、ResiTest 8300のソフトウェアが正確で信頼性のある測定を行うために、各装置と我々人間とのインターフェイスとして機能し、装置を上手にコントロールしてくれます。

 
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ResiTest 8300は完成度の高い測定器だと思います(大橋氏)
写真:光・電気能グループに導入されているResiTest 8300
-- 完成度が高いというのはどのような所でしょうか。
ブラックボックス化されていないというのがポイントです。誤解をおそれず言えば、ResiTest 8300は特別な機器ではなく、信頼性の高い優れた測定器をうまく組み合わせて、簡単かつ緻密に測定ができるようになっているだけだと思っています。これはすごく重要なことで、ブラックボックス化された装置で、実際にどのように測定しているのかわからないけれども、すごい結果が出てしまったというのが一番困るわけです。ResiTest 8300は、電圧計、電流計などの各機器のボタンを手で操作して手動で測定しているような感覚で、何を、どのように測定しているのかが明確にわかります。私たちにとっては測定の結果も重要ですが、なぜそのような結果になったかを証明することも重要なことです。効率的に測定を行い、すぐに測定結果を分析に取りかかることができるので、ResiTest8300は「完成度が高い」と評価しています。
東陽テクニカの迅速なサポートを評価
-- ResiTest 8300への要望などはありますでしょうか。
これからも測定器として進化していくこともあるのかと思いますが、いい意味での「シンプルさ」と「わかりやすさ」は失わないようにしてほしいと思います。
 
-- 東陽テクニカへの期待などあればお聞かせください。
ResiTest 8300は定期的なメンテナンスなどは受けなくても使えるので、普段、あまり東陽テクニカにお世話になることはないのですが、何かあったときはすぐに対応してもらえるのですごく助かっています。
今後とも、ResiTest 8300に限らず、使いやすくてリーズナブルな測定器の提供を期待しています。
お忙しい中、貴重なお話をお聞かせいただきありがとうございました。
* 取材日時 2011年4月
* 物質・材料研究機構:http://www.nims.go.jp/
* 記載の担当部署は、取材時の組織名です。
* 取材制作:カスタマワイズ


 

事例紹介 2

東工大細野・神谷研究室よって開発されたIGZO (InGaZnOx)。この物質を次世代液晶ディスプレイの透明トランジスタとして採用すると大手ディスプレーメーカーが決めた。野村研二氏は、ResiTest 8300のユーザーでもあり、所属する東京工業大学 応用セラミックス研究所 細野・神谷研究室で、透明と酸化物をキーワードとして新材料の設計と探索を進めている。ResiTest 8300の導入効果や使い勝手について、野村 研二氏に詳しく話を聞いた。
もくじ
細野・神谷研究室の活動概要
-- 細野・神谷研究室(以下、細野・神谷研)における開発・研究の概要について教えてください。
細野・神谷研では、酸化物を中心として人間の社会に役に立つ新しい「材料」を開発しようと研究を進めています。その中でも、透明酸化物半導体(Transparent Oxide Semiconductor: TOS)による電子デバイスの開発では、最先端の研究領域を開拓してきました。
研究室の主テーマは「"透明な電子活性材料の創製─電子状態から探る新しい光・電子および 化学機能」です。生物において見られる「効率的な電子の伝達系」を、文字通り無機物の中に造り込めればと考えており、具体的には、大きなバンドギャップをもつ固体中の電子の動きを巧く制御して、新しい機能を 実現しようとしています。
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「ルーチンワークとして毎日のようにResiTest 8300を利用しています。」 (野村氏)
 
-- 細野・神谷研を運営されている細野秀雄教授は、半導体業界だけでなく一般メディアなどにもたびたび登場されており、数多くの画期的な新材料発見に携わっていることで有名ですね
中でも2004年にNature誌で発表された「透明なアモルファス酸化物半導体In-Ga-ZnO4(通称、IGZO)」によるTFT(薄膜トランジスタ)技術は、すでに実用化レベルにまで達し、国内の大手ディスプレーメーカーが2011年中にIGZOによるTFTを採用した液晶パネルの量産を始めると発表しています。IGZO液晶の生産ラインは、既存のアモルファスシリコンの生産工程に大きな投資をすることなく改良できることから、コストの面でもメリットがあると言われています。
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IGZO:TFTシート
ResiTest 8300の利用状況
-- ResiTest 8300をどのように利用していますか。
透明酸化物半導体をはじめとした研究試料のキャリア濃度などを測定するために ResiTest 8300 を使いホール効果を測定しています。特に基礎研究の段階では材料のキャリア濃度とキャリア移動度を測定することが極めて重要で、ResiTest 8300による測定が必須となります。

-- どのくらいの頻度で利用していますか。
研究の進み具合や段階によって多少異なりますが、使用頻度の高い時期であれば、ルーチンワークとして毎日のようにResiTest 8300を利用することになります。
現在、6人ぐらいの研究者が利用しているのですが、うまくローテーションしながら使っています。
ResiTest 8300の導入理由
-- Resitest 8300を導入した目的を教えてください。
基礎研究の段階では、低いキャリア濃度を正確にを測定できるかどうかが重要なポイントになります。しかし、DCホール測定(直流電磁場法)では低いキャリア濃度を測定するのには限界があります。
一方、ResiTest 8300のACホール測定(交流電磁場法)であれば、高抵抗かつ低移動度な材料のキャリア濃度をより正確に測定できます。当研究室でも10年近くResiTest 8300を利用していますが、他に低いキャリア濃度を測定できる装置がないというのが現状です。

(注:ACホール測定を実現する「ACホール起電圧法」は、東陽テクニカの特許技術です)
使い勝手の良さを高く評価
-- ResiTest 8300の使い勝手はいかがでしょうか。
とても使いやすく、効率的に測定を行うことができるので、迅速に測定結果を分析できます。
 
-- 具体的にどのような点が使いやすいのでしょうか。
「操作がシンプル」、「サンプルを破壊せずに測定できる」、「測定温度を変えながら自動的に測定できる」、「メンテナンスが不要」という点を高く評価しています。
 
(1)操作がシンプル
サンプルをセットしたあとは、ソフトウェアのボタンをいくつかクリックするだけで測定を開始できます。細かい設定もなども、わかりやすい画面でマウスを使って簡単に設定できるのでだれでも簡単に利用できます。
 
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「効率的に測定を行うことのできるので、迅速に測定結果を分析できます。」(野村氏)
写真:細野・神谷研究室に設置されているResiTest 8300
(2)サンプルを破壊せずに測定
測定によってサンプルを破壊することはありません。ホール電圧の測定のために四隅に電極を取りつけますが、必要な面積はほんの一部であるため、問題なく同じサンプルをX線解析などの他の測定にそのまま使うことができます。
  
(3)測定温度を変えながら自動的に測定
温度依存性を測定したいとき、自動で温度をスイープさせながら測定ができるのがとても便利です。帰宅する前に温度を設定して測定を開始しておけば、翌朝すぐに測定結果を入手できるので、すぐに分析を開始できます。
 
(4)メンテナンスが不要
基本的に機器のメンテナンスは不要です。そのため、測定器側の都合で測定ができないようなことがほとんどありません。使用頻度が高い測定装置なので、メンテナンスフリーの感覚で使用できるのはとても助かります。また消耗品も試料に接続する微細なワイヤーぐらいなので、利用コストもほとんどかかりません。
安心して利用できる東陽テクニカのサポート
-- ResiTest 8300への要望などはありますでしょうか。
特に大きな要望というものはありません。あえて言えば、感度をさらに高めて、ノイズも低く抑えられるようになるとうれしいですが、これはResiTest 8300だけでなく測定器全般に言えることだと思います。
 
-- 東陽テクニカへの期待などあればお聞かせください。
もう10年近く利用しているので、電源系などのパーツの修理などをお願いする機会がありました。その都度、東陽テクニカが迅速に対応してもらえたのでとても助かりました。
東陽テクニカは幅広く専門的な測定器などを取り扱っており、サポートもしっかりしていると思っています。今後も、安心して測定器を利用できる高度なサポートを期待しています。

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はい (11)
いいえ (3)

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