霍爾效應量測(霍爾量測)是對試片通電流的同時施加磁場並量測霍爾電壓,以求出載子極性、載子濃度與遷移率的半導體基本電性評估手法。與電阻率量測搭配,即可一次分別取得這3項數值。
掌握「為什麼光有電阻率還不夠」,就能理解這個手法的定位。半導體的電阻率 ρ = 1/(qnμ),只由載子濃度 n 與遷移率 μ 的乘積決定。也就是說,即使電阻率相同,也無法區分「載子多但不易移動的材料」與「載子少但很容易移動的材料」。霍爾效應量測能獨立求出 n,因此可由 μ = 1/(qnρ) 單獨求出遷移率。這是四點探針法等電阻率量測做不到的。
實際量測的標準做法是與范德堡法搭配。在試片四個角落設置電極,先在零磁場下求出電阻率,再施加磁場量測對角端點間的霍爾電壓。此時分別反轉磁場方向與電流方向,共進行8種量測並取平均。這是為了抵消熱電動勢(席貝克效應、能斯特效應)及電極位置偏差造成的偏移電壓;若省略這個步驟,遷移率有時會偏差數成。
一邊改變溫度一邊量測,可取得的資訊會更多。從液態氮溫度(77K)掃描到數百 K,由載子濃度的溫度相依性可讀出施體、受體的活化能與補償程度,由遷移率的溫度相依性可判別主導的散射機制(低溫為雜質散射,高溫為晶格振動造成的散射)。這是調查新材料特性時的標準量測方式。
適用範圍涵蓋塊材基板、磊晶層、薄膜、二維材料等,相當廣泛,但也有其極限。在導電性基板上的磊晶層這類並存並聯導電路徑的結構中,量測值會成為兩者的平均,無法進行單純的分析。此外在遷移率極低的材料中,霍爾電壓本身很小,確保 S/N 比便成為課題。強磁場與交流霍爾量測,就是用來因應這個問題的方法。