專利名稱：一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿的制作方法
技術領域：
本專利涉及一種半導體材料的磁輸運測試的樣品桿，具體涉及一種用于一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，它是一種在極低溫、強磁場及微波輻照下對半導體材料電學輸運性質進行研究的樣品桿，用于原位研究微波輻照下電輸運量子效應和電子自旋共振等。
背景技術：
在半導體材料與器件相關的測試手段中，磁輸運是一種重要而基礎的研究手段， 用以研究材料的載流子濃度，類型和遷移率等基本信息。而在深低溫的條件下，眾多量子效應呈現(xiàn)出來，作為對經(jīng)典電導的修正，電導的量子效應反映出材料的自旋特性等物理信息， 這些特性可能在新一代的物理器件——自旋電子學器件中得到應用，因此具有重要的研究價值。對電導的量子效應進行研究已經(jīng)成為一門新的學科，研究的現(xiàn)象包括磁阻振蕩、量子霍爾效應、弱局域與反弱局域效應、量子隧穿等。這些研究大部分采用傳統(tǒng)的深低溫磁輸運測試樣品桿，不能實現(xiàn)加微波輻照這一手段，而近年來已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微波輻照對電導量子效應有明顯的影響，基于這一領域的重要性， 本專利在傳統(tǒng)磁輸運測試樣品桿的基礎上設計了能原位進行微波輻照的樣品桿，在樣品桿的中間引入波導管和同軸電纜，實現(xiàn)了微波頻率的大范圍連續(xù)變化，能夠實現(xiàn)原位研究微波輻照下的材料電學輸運性質，為極低溫、強磁場及微波輻照下磁輸運測試和自旋共振研究提供了有力的研究工具。
發(fā)明內(nèi)容本專利的目的是提供一種用于微波輻照下半導體材料磁輸運測試的樣品桿，解決傳統(tǒng)輸運測試不能得到電學特性的微波輻照響應的問題。本專利在傳統(tǒng)的半導體材料極低溫、強磁場磁輸運測試中引入微波輻照，從而原位研究微波輻照對材料經(jīng)典電導以及自旋軌道分裂能的影響，同時也能進行電子自旋共振方面的研究。其中所說的微波輻照包括不同功率和不同頻率的連續(xù)及脈沖微波信號，所說的磁輸運測試包括在不同微波頻率、功率和磁場、溫度下對材料的電阻率、霍爾系數(shù)、電流-電壓曲線等電學輸運性質的測量。本專利，克服了熱穩(wěn)定性和氣密性等技術障礙，在傳統(tǒng)樣品桿內(nèi)部引入波導管和同軸電纜，能夠在磁輸運測試的同時將微波導入到樣品處，實現(xiàn)了微波輻照下電學輸運特性和自旋特性的原位研究，為微波磁輸運研究提供了一種有效工具。本專利的技術方案如下樣品桿包括不銹鋼管101、接口盒102、同軸波導轉換口 103、同軸電纜接口 104、測試引線接口 105、接口盒抽氣口 106、波導管107、同軸電纜108、測試引線109、密封套110、 密封套橡膠圈111、密封套法蘭盤112、密封套抽氣口 113、固定支架114、樣品架115和樣品插槽116，基本結構見附圖1。[0009]不銹鋼管101頂部與接口盒102密封焊接，同軸波導轉換口 103、同軸電纜接口 104、測試引線接口 105和接口盒抽氣口 106安裝于接口盒102側壁，波導管107、同軸電纜 108和測試引線109從不銹鋼管101中平行通過，非磁性不銹鋼制成的密封套110套在不銹鋼管101上并可以自由滑動，其上端與不銹鋼管101通過密封套橡膠圈111密封，下端為密封套法蘭盤112，側壁安裝有密封套抽氣口 113，固定支架114塞緊于不銹鋼管101的底部，其上部固定住波導管107，下部通過螺釘與樣品架115相連，同軸電纜108穿過固定支架 114上的孔將微波信號引入樣品架115，測試引線109穿過固定支架114上的孔連接到樣品插槽116上。不銹鋼管101采用非磁性不銹鋼制成，主要起支撐和密封作用。不銹鋼管101的內(nèi)徑能夠允許波導管107、同軸電纜108、測試引線109從不銹鋼管101中通過，外徑在確保不銹鋼管101能夠插入所需低溫杜瓦的情況下應盡量大一些，以保證不銹鋼管101的強度。接口盒102采用非磁性不銹鋼制成，其頂部具有法蘭盤并與頂蓋螺釘密封連接， 其底部與不銹鋼管101頂部密封焊接，其側壁開口用于安裝同軸波導轉換口 103、同軸電纜接口 104、測試引線接口 105和接口盒抽氣口 106。同軸波導轉換口 103安裝于接口盒102側壁，外端為外同軸電纜接口，內(nèi)端與波導管107連接，實現(xiàn)微波信號由外同軸電纜到波導管的轉換連接。同軸/波導轉換口 103內(nèi)、 外端之間氣密。同軸電纜接口 104安裝于接口盒102側壁，外端為外同軸電纜接口，內(nèi)端與同軸電纜108連接，實現(xiàn)微波信號在同軸電纜108、外同軸電纜之間的連接。同軸電纜接口 104內(nèi)、 外端之間氣密。測試引線接口 105安裝于接口盒102側壁，外端為多芯插座，內(nèi)端與測試引線109 連接，實現(xiàn)測試信號的內(nèi)、外連通。測試引線接口 105內(nèi)、外端之間氣密。接口盒抽氣口 106安裝于接口盒102側壁，底部與接口盒102側壁焊接，頂部為法蘭盤。接口盒抽氣口 106用于連接抽氣泵，以滿足減壓降溫時從樣品桿中抽氣減壓的需要。波導管107固定在不銹鋼管101內(nèi)部，下端由固定支架114固定，支架留有氣孔， 以滿足減壓降溫時從樣品桿中抽氣減壓的需要。為防止波導管107在極低溫環(huán)境中向樣品架115導熱，從而導致樣品架115上的樣品溫度無法穩(wěn)定在極低溫，波導管107采用熱導率低的碳纖維與樹脂壓制的復合材料碳纖維管制作，內(nèi)壁光滑并鍍銅以增加微波傳輸能力。 波導管107主要用于傳輸高頻微波。波導管107上端與同軸波導轉換口 103連接，下端截斷后，斷面正對樣品架115上的樣品插槽116。同軸電纜108與波導管107在不銹鋼管101內(nèi)部平行排列，主要用于傳輸?shù)皖l微波。同軸電纜108上端與同軸電纜接口 104連接，下端截斷后，斷面正對樣品架115上的樣品插槽116。測試引線109為多芯導線。測試引線109上端與測試引線接口 105連接，下端連接樣品架115上的樣品插槽116，用于連接樣品，引出測量信號。密封套110采用非磁性不銹鋼制成，密封套110上端與不銹鋼管101通過密封套橡膠圈111密封，密封套110可以在不銹鋼管101上自由滑動。密封套110下端為密封套法蘭盤112，此法蘭盤用于密封連接容納樣品桿的低溫杜瓦腔體。由于密封套110可以在不銹鋼管101上自由滑動，因此密封套法蘭盤112與低溫杜瓦密封連接后，樣品桿可在低溫杜瓦中自由抽動，使得樣品桿下端的樣品架115能夠進入低溫杜瓦的極低溫區(qū)域(如果此低溫杜瓦包含超導磁鐵，則此極低溫區(qū)域還有強磁場)。密封套110側壁上安裝有密封套抽氣口 113，此抽氣口用于連接抽氣泵，以滿足減壓降溫時從容納樣品桿的低溫杜瓦腔體中抽氣減壓的需要。如圖2所示，固定支架114由聚四氟乙烯制成，其上部塞緊于不銹鋼管101下端面，波導管107固定在支架中間的孔中，支架邊緣上留有四個對稱氣孔，使得同軸電纜和測試引線通過，同時滿足抽氣減壓的需要，氣孔呈槽型，支架下半部分為平行雙臂結構，位于下邊緣對稱位置，雙臂下端各打一圓孔，通過螺栓與樣品架115連接。樣品架115用硬質PVC塑料制成，為提籃形狀，樣品插槽116位于提籃底部。樣品架115由固定支架114固定于不銹鋼管101底部，使得樣品插槽116正對波導管107和同軸電纜108的下端斷面，從而使得插槽中樣品接受微波輻照。樣品插槽116材質為PVC塑料，允許微波透過，樣品插槽116可安置在樣品架115提籃底部的內(nèi)側或外側，使得插槽中的樣品正、反面均可接受微波輻照。樣品桿下端部件包括固定支架114、樣品架115、樣品插槽116的分解視圖在圖2 中示出。本專利的使用方法與過程如下如附圖3所示，首先將樣品安插到樣品插槽116 上，將密封套Iio滑動至樣品桿下端，固定支架114和樣品架115此時應包含在密封套110 內(nèi)，密封套110與低溫測試杜瓦接口法蘭117通過密封套法蘭盤112和橡膠墊圈連接密封， 將抽氣管與密封套抽氣口 113上的法蘭盤通過橡膠圈連接密封，此時接口盒抽氣口應由擋板和橡膠圈密封，整個樣品桿與杜瓦測試室120為一密封系統(tǒng)，與大氣處于隔離狀態(tài)，利用機械泵通過密封套抽氣口 114抽氣，將樣品桿內(nèi)的空氣抽出，防止空氣在深低溫下凝固而將系統(tǒng)凍結；由于密封套110可以在不銹鋼管101表面自由滑動，此時可以將不銹鋼管101 以及固定在其上和其內(nèi)的樣品桿主體插入到杜瓦測試室120內(nèi)的深低溫強磁場環(huán)境中， 插入過程要緩慢，這是因為內(nèi)外溫差巨大，緩慢進入有利于保護系統(tǒng)和樣品，也會節(jié)省低溫介質(液氦)，當不銹鋼管101全部插入杜瓦測試室120內(nèi)時，密封套110上端與接口盒102 下端接觸，此時樣品架115、樣品插槽116和樣品已經(jīng)進入超導磁體119中心。將低溫液體液氦注入樣品處，此時樣品處于4. 2K左右的低溫中，將抽氣管移至接口盒抽氣口 106進行抽氣減壓，可以將樣品室內(nèi)的溫度降至1. I左右。此時連接各種測試電表與測試引線插座 105，將微波發(fā)生器輸出端用同軸電纜導入到樣品桿內(nèi)，如果是低頻微波，則同軸電纜連接到同軸電纜接口 104，低頻微波通過同軸電纜108輻照到樣品上；如果是高頻微波，同軸電纜連接到同軸/波導轉接口 103上，高頻微波通過波導管107輻照到樣品上。連接好系統(tǒng)后，待系統(tǒng)穩(wěn)定到所需測試溫度，即可以進行微波輻照下的磁輸運測試。本專利具有如下優(yōu)點將波導管和同軸電纜同時引入磁輸運測試樣品桿，能夠將很寬的功率和頻率范圍內(nèi)的微波信號導入到處于極低溫、強磁場環(huán)境中的樣品上，實現(xiàn)了微波輻照下的電學輸運性質原位測量。波導管體材料采用了碳纖維復合材料，大大降低了導熱率，實現(xiàn)了樣品溫度在極低溫下的穩(wěn)定。

[0025]圖1 樣品桿基本結構圖。圖中各部分為不銹鋼管101、接口盒102、同軸/波導轉換口 103、同軸電纜接口 104、測試引線接口 105、接口盒抽氣口 106、波導管107、同軸電纜 108、測試引線109、密封套110、密封套橡膠圈111、密封套法蘭盤112、密封套抽氣口 113、固定支架114、樣品架115、樣品插槽116。圖2 樣品桿下端部分各部件分解視圖。圖3 樣品桿使用說明示意圖，圖中各部分為不銹鋼管101、接口盒102、同軸/波導轉換口 103、同軸電纜接口 104、測試引線接口 105、接口盒抽氣口 106、密封套110、密封套橡膠圈111、密封套法蘭盤112、密封套抽氣口 113、固定支架114、樣品架115、樣品插槽 116、杜瓦密封法蘭117、杜瓦118、超導磁體119、杜瓦測試室120。
具體實施方式
下面根據(jù)專利內(nèi)容和附圖說明給出本專利的一個較好的實例，結合實例進一步說明本專利技術細節(jié)、結構特征和功能特點。但此實例并不限制本專利范圍，合乎專利內(nèi)容和附圖說明中描述的實例均應包含在本專利范圍內(nèi)。樣品桿所有部件都要求非磁性，否則在強磁場下會造成破壞和干擾。不銹鋼管101 選用不銹鋼材料，由于內(nèi)部要安裝波導管107、同軸電纜108、測試引線109，內(nèi)徑要適當大些，因此選用內(nèi)徑25mm，外徑^mm,壁厚1.5mm長約180cm的不銹鋼管。接口盒102為方形，尺寸約為h5cm，頂蓋四周均勻排列12個內(nèi)六角螺栓通過法蘭與接口盒102緊密連接，中間有氟橡膠墊圈密封。接口盒102側壁上分別是四個出口 同軸/波導轉換口 103，同軸電纜接口 104，測試引線接口 105和接口盒抽氣口 106，除接口盒抽氣口 106焊接固定在側壁上之外，其他三個均使用密封膠進行密封。同軸/波導轉換口 103采用側入式結構，適用頻率20 40GHz，相對帶寬41%，外部適配微波信號源外同軸電纜，接口為螺栓式，內(nèi)部連接波導管107，接口為嵌套式，將波導管插入固定。同軸電纜接口 104兩側均連接同軸電纜，外接口為螺栓式與同軸/波導轉換口 103相同，內(nèi)接口為嵌套式， 同軸電纜108插入其中，內(nèi)外導電層分別接通。測試引線接口 105為19針插座，本身具有氣密性。接口盒抽氣口 106焊接固定密封在接口盒102側壁上，為不銹鋼材質，長約3cm， 內(nèi)徑0. 5cm，外徑0. 7cm左右，頂端通過氟橡膠墊圈和法蘭盤與抽氣管密封連接?？紤]到強度和導熱性的要求，波導管107采用碳纖維與樹脂壓制成的復合材料，為保證強度，管壁要適當厚，為保證高頻傳輸截止頻率小于同軸電纜108傳輸?shù)纳舷?6. 5GHz，實現(xiàn)頻率的全波段覆蓋，內(nèi)徑應不小于10mm，因此選用內(nèi)徑10mm，外徑12mm的碳纖維管，為保證傳輸效率， 碳纖維管內(nèi)壁要求光滑，圓度要求高，在內(nèi)壁鍍一層反射電磁波良好的銅，保證最大傳輸效率。在該系統(tǒng)中，波導管107用于傳輸頻率高于26. 5GHz的高頻微波，低于26. 5GHz的低頻微波由同軸電纜108傳輸。波導管107下端用聚四氟乙烯質的固定支架114固定在不銹鋼外殼下端，支架上留孔，允許同軸電纜和測試引線通過以及滿足抽氣減壓降溫的需要。同軸電纜108采用使用頻率高、低損耗低駐波、機械相位穩(wěn)定性好的Micro coax UFB311A同軸電纜，工作頻率范圍為DC 沈.5GHz。測試引線109采用多芯導線，外有漆包絕緣，上端連接測試引線接口 105，下端連接樣品架115上的樣品插槽116。密封套110采用不銹鋼材質， 須將樣品桿露出不銹鋼管101下端部分包含在內(nèi)，長度約20cm，內(nèi)徑約35mm，與低溫杜瓦接口相匹配，密封套一側有密封套抽氣口 113，為不銹鋼結構，垂直焊接固定在密封套110外側壁上。密封套上端口徑較不銹鋼管101外徑略粗，通過密封套橡膠圈111與不銹鋼管101 實現(xiàn)密封連接，這種連接使得密封套110可以在不銹鋼管101外側自由滑動。密封套法蘭盤112為密封套110下緣的延伸部分，用于密封套110與低溫杜瓦密封法蘭117連接，寬約5mm，厚約1. 5mm。密封套抽氣口 113位于密封套110側壁，長短和內(nèi)外徑尺寸與接口盒抽氣口 106基本相當。固定支架114為聚四氟乙烯材質，上半部為環(huán)形結構填充在波導管 107與不銹鋼管101之間，長約3cm，位于不銹鋼管下端內(nèi)側，留有四路對稱氣孔，四路氣孔分別起通過同軸電纜108、測試引線109和滿足抽氣需要的作用，氣孔呈槽型，深度約5mm， 沿平行不銹鋼管101軸線方向貫通，固定支架114下半部分長約5cm，伸出不銹鋼管101下端，為平行雙臂結構，雙臂內(nèi)間距2. 5cm，臂寬2. 5cm，厚1mm，雙臂下端各打一直徑2mm圓孔， 通過螺栓與樣品架115連接。樣品架115材質為硬質PVC塑料，形狀為提籃狀，提籃兩側壁外寬度與固定支架114下端雙臂內(nèi)間距相等，為2. 5cm，兩側壁與固定支架114雙臂等寬， 側壁中心相應各打2mm圓孔，通過螺栓與固定支架114下端雙臂連接。提籃底部近似為方形結構，尺寸為2. 3x2. 5cm,正中固定有樣品插槽116，樣品插槽116正對波導管107和同軸電纜108下斷面，距離下端面約5cm，為雙排插槽結構，排間距約為0. 7cm,每排插槽有4孔， 孔間距為1mm，每孔與一條測試引線相連，對應測試引線插座105上的一個針腳。樣品插槽 116可以固定在樣品架115提籃底部的內(nèi)側或外側，根據(jù)樣品頂部是否有柵極覆蓋確定。
權利要求1.一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，包括不銹鋼管(101)、接口盒(102)、同軸波導轉換口(103)、同軸電纜接口(104)、測試引線接口(105)、接口盒抽氣口(106)、波導管(107)、同軸電纜(108)、測試引線(109)、密封套(110)、密封套橡膠圈(111)、密封套法蘭盤(112)、密封套抽氣口(113)、固定支架(114)、樣品架(115)和樣品插槽(116)，其特征在于所述的不銹鋼管(101)頂部與所述的接口盒(10 密封焊接，所述的同軸波導轉換口(103)、所述的同軸電纜接口(104)、所述的測試引線接口(105)和所述的接口盒抽氣口(106)安裝于接口盒(102)側壁，所述的波導管(107)、所述的同軸電纜(108)和所述的測試引線(109)從不銹鋼管(101)中平行通過，所述的非磁性不銹鋼制成的密封套(110)套在不銹鋼管(101)上并可以自由滑動，其上端與不銹鋼管(101)通過密封套橡膠圈(111) 密封，下端為密封套法蘭盤(112)，側壁安裝有密封套抽氣口(113)，固定支架(114)塞緊于不銹鋼管(101)的底部，其上部固定住波導管(107)，下部通過螺栓與樣品架(11 相連， 同軸電纜(108)穿過固定支架(114)上的孔將微波信號引入樣品架(115)，測試引線(109) 穿過固定支架(114)上的孔連接在樣品插槽(116)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，其特征在于所述的不銹鋼管(101)采用非磁性不銹鋼制成，其內(nèi)徑應保證波導管(107)、同軸電纜(108) 和測試引線(109)從不銹鋼管(101)中通過，其外徑應保證工作時不銹鋼管(101)能夠插入低溫杜瓦中。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，其特征在于所述的接口盒(10 采用非磁性不銹鋼制成，其頂部具有法蘭盤并與頂蓋螺釘密封連接，其底部與不銹鋼管(101)頂部密封焊接，其側壁開口用于安裝同軸波導轉換口(103)、同軸電纜接口(104)、測試引線接口 (105)和接口盒抽氣口(106)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，其特征在于所述的波導管(107)采用熱導率低的碳纖維與樹脂壓制的復合材料碳纖維管制作，內(nèi)壁光滑并鍍銅。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，其特征在于 所述的固定支架(114)由聚四氟乙烯制成，其上部塞緊于不銹鋼管(101)下端面，波導管(107)固定在支架中間的上孔中，支架邊緣上留有四個對稱氣孔，使得同軸電纜和測試引線通過，同時滿足抽氣減壓的需要，氣孔呈槽型，支架下半部分為平行雙臂結構，位于下邊緣對稱位置，雙臂下端各打一圓孔，通過螺栓與樣品架(11 連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，其特征在于所述的樣品架(115)用硬質PVC塑料制成，為提籃形狀，樣品插槽(116)位于提籃底部，樣品插槽(116)安置在樣品架(115)提籃底部的內(nèi)側或外側使插槽中的樣品正面或反面受到微波輻照。
專利摘要本實用新型公開了一種用于半導體材料磁輸運測試的樣品桿，它用于研究極低溫下微波輻照對材料電學特性和自旋特性的影響。樣品桿由不銹鋼管、波導管及轉接口、同軸電纜及轉接口、測試引線及插座，樣品架、密封套和抽氣口等組成。系統(tǒng)的主要特征在于將波導管和同軸電纜引入樣品桿內(nèi)，波導管和同軸電纜分別將高頻和低頻微波導入到樣品處；波導管選用高強度、低熱導率的碳纖維復合材料管，實現(xiàn)了樣品溫度在極低溫下的穩(wěn)定。該系統(tǒng)為極低溫、強磁場中微波輻照下磁輸運測試和自旋共振研究提供了有力的研究工具。
文檔編號G01R33/12GK202305778SQ201120318440
公開日2012年7月4日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權日2011年8月29日
發(fā)明者俞國林, 劉新智, 周遠明, 孫雷, 敬承斌, 林鐵, 褚君浩, 高礦紅, 魏來明 申請人:中國科學院上海技術物理研究所