新型量子霍尔电阻样品计量应用研究

蔡建臻, 黄晓钉, 潘 攀

(北京东方计量测试研究所,北京 100086)

1 引 言

目前国际上通用的量子霍尔电阻自然基准的计量系统由3个部分组成[1]。一是量子霍尔电阻计量样品(采用砷化镓系材料或石墨烯系材料研制);二是电流比较仪测量系统(低温电流比较仪或常温电流比较仪);三是标准电阻系统(油槽控温标准电阻或自控温型标准电阻)。为了满足量子器件和计量仪器的工作条件要求,量子霍尔电阻自然基准计量系统一般需要在计量专业实验室环境中工作。其中,量子霍尔电阻样品是由二维电子气材料制作的,传统的二维电子气材料一般采用砷化镓异质结外延片,砷化镓系材料的量子霍尔电阻样品需要在低温(<1.5 K)和强磁场(0～10 T)的工作环境条件中运行。近几年在单层石墨烯材料方面取得了新的研究进展,国际上多家研究机构研究表明:石墨烯系材料[2]的量子霍尔电阻样品可在低温(<3.8 K)和较低磁场(0～6 T)的工作环境中运行。

作为量子自然基准的优点是:不论量子霍尔电阻样品采用何种材料,只要样品在适当的磁场中形成朗道能级并处于完全量子化工作状态时,复现量子霍尔电阻基准阻值均为12 906.4037 3 Ω(填充因子i=2)。这个量值只与基本物理常数有关,在一定范围内即使磁场和温度有较大的波动也不会影响基准阻值的准确度,因此这种基准阻值被称为量子自然基准。在国际上,这个量子自然基准阻值的准确度,目前可验证到具有10-9量级(相对)的稳定度。

国际上通常使用低温电流比较仪作为传递装置,特点是测量准确度高,比例跨度大,电阻阻值比例测量相对不确定度可达到10-9量级。存在的问题是:1)工作条件需要使用液氦,成本高,液氦进口供应受限;2)测量锁定状态和线圈配置需要人工匹配调节,只能实现固定电阻一对一的测量,无法自动化测量; 3)运行和调试综合过程缓慢。

常温电流比较仪使用更加方便,电阻阻值比例测量相对不确定度可以达到10-8量级[3]。其优点是:1)可实现程控测量,综合测量过程快捷,可以自动化测量;2)可实现电阻多只对多只矩阵式比例测量;3)测量准确度可满足目前高等级电阻计量量传的指标要求,计量准确度和功能性综合效果高于低温电流比较仪。存在的问题是:比例跨度小,普通商业仪器比例仅达到10:1,专业的仪器可达到13:1。因此在常规电阻计量(1 Ω～10 kΩ)应用中应使用更低的基准阻值才便于发扬常温电流比较仪的优点和应用。

在计量应用中,确认量子霍尔电阻样品的计量状态、验证电流比较仪量传比例准确度、掌握和跟踪高稳定性标准电阻的漂移规律是保证量子霍尔电阻自然基准量传准确性3个主要计量技术基础。1)采用损耗测量法[4,5]可以检查并确认量子霍尔电阻样品的计量状态;2)采用新型量子霍尔电阻样品和标准量子霍尔电阻样品过渡比对法[4]可以进一步确认样品计量准确度可靠性,并验证电流比较仪量传准确度;3)长期跟踪测量可掌握并确认用于量传的超稳电阻漂移规律。上面提到的损耗测量法是国际上通用方法,其具体操作方法和步骤已经在文献[2, 3]的工作中深入开展了研究,该方法的可行性和有效性已获得实验数据支持。根据上述技术思路,需要进行以下技术工作:1)新型量子霍尔电阻样品与标准量子霍尔电阻样品之间进行过渡比对的评判方法,实验室测量具体技术和操作步骤;2)相关不确定度估算,测量数据,准确度验证实验效果分析,可靠性分析等。

2 新型量子霍尔电阻样品的研制

2.1 新型量子霍尔电阻样品特点介绍

新型量子霍尔电阻可作为传统量子霍尔电阻的辅助计量样品使用,其特点是基准量值具有多样性,其基准阻值可以是标准量子霍尔电阻基准阻值的分数或倍数值,如4并联样品的基准阻值是RK/2/4=3 226.600 932 5 Ω(填充因子i=2)或6并联样品的基准阻值是RK/2/6=2 151.067 288 33 Ω(填充因子i=2)等值,技术优点是工作电流较大,信噪比高,可以使用自动化常温电流比较仪进行量传,调试快捷,因此可对量程范围内的任意值电阻进行测量。

目前这种新型样品已经通过常温电流比较仪和低温电流比较仪的双重实验验证,该种量子霍尔电阻样品复现的基准阻值相对测量不确定度在10-8量级,能够满足目前各行业对标准电阻的较高水平的测试和计量需要,例如应用于采样电阻的高准确度实时跟踪测量的需要。

新型量子霍尔电阻对于高准确度电阻电桥提供一种新的可能的溯源途径,具有多种基准阻值的可能(10-8量级准确度),借助于新型量子霍尔电阻样品和标准量子霍尔电阻样品,可以对常温电流比较仪的比例测量准确度进行验证,后续工作中可实现这种溯源技术,新型量子霍尔电阻技术可供开发的计量应用领域还有待进行更深入的发掘。

2.2 新型量子霍尔电阻样品设计

新型量子霍尔电阻的基本设计原理是在标准量子霍尔电阻单元“霍尔棒”的基础上进行并联或串联完成分数或倍数的电路效果。许多研究机构(包括中国计量科学研究院)均已开展了同样原理混联型十进制器件的研制[6,7]。作为比较,新型量子霍尔电阻样品项目的设计特点更倾向于提高工作电流,适应使用常温电流比较仪传递量值,并且能够进行电流比较仪整数比例验证。因此,该型器件结构图形设计较大,结构更加简单,计量应用可靠性高,已通过项目验收,实现了实用化,并联结构数量为整数(如2,4,6,12等)。

用于制作标准量子霍尔电阻样品材料有砷化镓系材料和石墨烯系材料。新型量子霍尔电阻器件为了实现并联电路连接需要采用多层布线的几何结构,其中金属导体层(一般是蒸镀钛金膜)相互交叉的地方为了避免短路需要在2个金属导体层中间生长绝缘材料层(氧化硅/氮化硅),同时在需要导体连接的地方刻蚀窗口通道,再进行甩胶、掩模、曝光、蒸镀、剥离、退火工艺步骤。上述微加工制作过程工艺[8,9]相对成熟。用于计量应用的新型量子霍尔电阻器件研制主要技术难点有3个方面:1)砷化镓二维电子气材料结构设计,二维电子气材料的物性参数与工作中心磁场和量子效应效果有直接的关联,目前存在的主要问题是材料加工过程的可重复性较差。2)微加工流程规范化,梳理部门内部的微加工技术规范是保证和提高实验可重复性的重要基础。3)二维电子气材料电极引出技术。通过系统性电极退火试验和电极线性度测试,可以经验性总结出电极欧姆型接触的制作条件。图1为北京东方计量测试研究所研制的新型量子霍尔电阻样品器件之一,图显示为4并联结构。在图1中,样品分层结构采用Ledit软件设计,主要设计思想为电流电极共用,电压电极共用,实现并联。图1(a)中用浅色点阵标识量子霍尔电阻器件普遍采用的霍尔棒“丰”字形结构,4并联量子霍尔电阻并排设计了4个霍尔棒,器件整体使用总电极层(深色标识)对外界连接使用。每个霍尔棒采用金属连接线进行连接(浅色标识),纵横金属线分成两层,中间用绝缘层分开,只在同组电极的交叉点处开窗口连接。这个设计结构总共六层光刻模板,分别为poly层(霍尔棒图形),金属层1(内部电极,图中不能直接显示),金属层2(横向金属线),绝缘层,窗口层,金属层3(纵向金属线和外界总电极);图1(b)为样品实物图。

图1 4并联新型量子霍尔电阻样品

2.3 新型量子霍尔电阻样品的制作

新型量子霍尔电阻器件半导体工艺制作的主要流程和步骤如下:

(1)霍尔棒的制备:利用光刻法将设计好的霍尔棒图案转移到砷化镓异质结基片上,再通过湿法刻蚀得到所需的霍尔棒结构。刻蚀液配方为H2SO4:H2O2:DI=1:8:100,刻蚀时间30 s,刻蚀深度约200 nm。

(2)欧姆电极的制备[9]:利用紫外光刻机曝光露出电极窗口,然后用电子束蒸发镀膜仪生长Pb/Ge/Au多层金属膜,其厚度分别为22/55/150 nm。剥离后,用快速退火炉对电极进行退火,电极形成欧姆型接触。退火温度420 ℃左右,退火时间根据设备有所不同,约30 s～60 s,H2/N2保护气流速为 1 L/min。

(3)第1层金属连接线的制备:利用光刻法将设计好的第1层金属连接线图案转移到砷化镓霍尔棒衬底上,曝光露出图形线路,用电子束蒸发镀膜仪生长Ti/Au(10/500 nm)金属连接线。

(4)绝缘层的生长:使用等离子气相沉积(PECVD)在器件表面生长Si3N4/SiO2(160/450 nm)绝缘层,该绝缘层主要作用是防止第1与第2层金属连线之间短路。因为还要做第2层金属连接层,所以需要使用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出需要连接的电极窗口。

(5)第2层金属连接线的制备:利用光刻法将设计好的第2层金属连接线图案转移到新生长的绝缘层上,然后用反应离子刻蚀技术把曝光区域内的绝缘层腐蚀掉,再利用电子束镀膜仪生长Ti/Au(10/500 nm)金属连接线。

实物样品见图1(b),样品被固定在直列底座上进行常轨物性测试,正式计量测试时被转移到TO-8型接口底座。需要注意的是,电极配方也可以换成Ni/Ge/Au(5/55/150 nm)多层金属膜[10,11],效果相同。

3 新型样品比对测试与验证

3.1 新型样品过渡比对数据

比对的方法采用过渡比对法[10],所使用的测量仪器为常温电流比较仪(型号MI-6010Q)。过渡电阻阻值为1 kΩ,进行了多种类型标准电阻筛选比较后,优选出一只控温电阻(型号4304-1k)作为比对实验的过渡电阻。

实际操作的比对测试方案步骤如下:

(1)测量系统由标准量子霍尔电阻样品(基准阻值RK/2)、电流比较仪和控温标准电阻1 kΩ组成,测量比例r1;

(2)测量系统由n个并联型量子霍尔电阻样品(基准阻值RK/2/n)、电流比较仪和控温标准电阻 1 kΩ 组成,测量比例r2;

(4)根据比对过程合成相对不确定度UR=5.4×10-8评估新型量子霍尔电阻样与标准量子霍尔电阻样品比对结果。

在具体数据测量方面,首先在相对较长的时间(例如2018年2月至8月期间)使用量子霍尔电阻标定了用于过渡比对的控温电阻漂移状态,4304-1k/1100542控温电阻测试数据见表1。

表1 4304-1k/1100542控温电阻测试数据

该控温电阻6个月漂移规律比较线性,性能稳定,估算年相对漂移率约为4×10-7,每个星期相对漂移约为1.1×10-8。实验室比对全部过程(包括换装样品、状态调试和测量)约需2～3个星期,因此估算电阻漂移造成的相对不确定度U3=3×10-8。

第一组比对数据情况如图2所示,每组测量6次。本次实验所参考使用的标准样品(2并联样品和6并联样品)均为北京东方计量测试研究所研制。

图2 新型量子霍尔电阻样品与标准样品第1组比对图

第二组比对数据情况如图3所示,每组测量8次。本次实验所参考使用的标准样品为某国外计量机构提供的科研样品,4并联样品和6并联样品为北京东方计量测试研究所研制。上述两组比对实验时间间隔约为150 d。

图3 新型量子霍尔电阻样品与标准样品第2组比对图

3.2 新型样品过渡比对数据分析

根据比对实验相对偏差计算方法,计算出两组比对实验的新型量子霍尔电阻样品的相对偏差,统计表如表2所示。

表2 两组比对相对偏差ΔE统计表

表2统计了两组实验的多只新型量子霍尔电阻比对结果,ΔE均小于预估的比对过程合成相对不确定度UR=5.4×10-8。这表明上述研制的新型量子霍尔电阻样品计量准确度符合预期的指标。还需要注意的是,图2和图3的数据整体表现出较好的随机性,但局部数据存在单向漂移的倾向,造成这种情况可能有2个因素:一是控温过渡电阻控温存在某个低频带周期性;二是砷化镓系量子霍尔电阻材料可能存在弛豫性[11]。关于第1个因素,目前已有其余相关数据和证据表明控温电阻可能存在2～4 h左右的控温波动周期,并且不排除还存在24 h以上的波动周期。这将在后续工作中采用无源无控温的超稳电阻技术进行深入研究。关于第2个因素,可通过深入研究石墨烯系材料的计量性能和基础物性,通过进一步的比对进行实验研究。

3.3 采用低温电流比较仪验证比例测量准确度

验证过程基本方法是分别采用低温电流比较仪和常温电流比较仪对新型量子霍尔电阻和过渡电阻进行比例测量,比较2次测量值相对偏差。因低温电流比较仪测量稳定性较高,测量次数可以随意延长,因此只进行一次长时间测量。

之后,采用常温电流比较仪进行同样测量6组,每组测量35次,取后25次平均值。再计算6组平均值的平均值R2DC=999.989 00 Ω±0.000 02 Ω。根据常温电流比较仪技术指标估算相对测量不确定度为U2=2×10-8。

4 结 论

通过过渡比对法验证了新型量子霍尔电阻测量系统的准确度满足实际计量应用的需求。1)实验验证了新型量子霍尔电阻样品基准阻值的相对偏差小于4×10-8;2)使用低温电流比较仪对常温电流比较仪在6并联样品工作点进行了比例测量验证,在比例范围内常温8电流比较仪比例偏差<2×10-8,符合规定的技术指标。新型量子霍尔电阻在两个重要的领域方面可加深开发计量应用:一方面,采用较灵活自由设计的基准阻值可以直接对多种阻值的高稳定标准电阻进行测量或跟踪监测;另一方面,新型量子霍尔电阻技术能够提供10-8量级的多种基准阻值,可以对目前计量机构的常温电流比较仪等电阻比例测量仪器进行校准验证;此外,新型量子霍尔电阻技术在计量中还具有更多应用潜力,后续工作将在交流电阻溯源等方面进行深入研究。