Lake Shore低温探针台选型指南！从先进技术到全新应用全方位解析

发布日期：2024-06-27

低温探针台是科学研究和技术开发中非常重要的设备之一。美国Lake Shore公司研发推出的一系列先进的低温探针台，实现了史无前例的精准环境控制和可重复的测量。设备经过专有的热学设计，确保了样品的温度在测试时获得尽可能高的置信度，搭配其研发的ZN50R-CVT探头，能有效减少热胀冷缩效应，确保在大范围温度变化时还能获得稳定的针尖位置，让连续可变温度下的无人值守测量成为可能。该设备典型的应用包括在高低温下的 I-V 和 C-V 曲线测量、微波和光电响应测量、表征可变磁场中的磁输运特性，测量霍尔效应以了解载流子及迁移率，以及其他各种材料研究等。

Lake Shore低温探针台系列

应用领域

主要特征

▪ 最大±2.5T磁场

▪ 低温至1.6K，高温至675K

▪ fA级低漏电测量

▪ 最高67GHz高频探针

▪ 3 kV 高电压探针（定制）

▪ 大温区低温漂探针

▪ 真空腔联用传送样品（定制）

▪ ＜30 nm低振动适用于显微光学测量

▪ 无需翻转磁场快速霍尔效应测试

▪ 多通道高精度低噪声综合电学测量

▪ CV、铁电、半导体分析测试

探针台选型指引一

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探针台选型指引二

应用案例

1. 超导射频 MEMS 滤波器设计

一种新型超导射频 MEMS 开关实现了在电容器组中切换不同的电容值。该电容器组被单片集成到并联带阻谐振器中。图 1 显示了可调谐谐振器的电路模型。该谐振器由一个集总元件螺旋电感器和一个开关电容器组串联组成。图2展示了带有电容器组的单片集成带阻谐振器的图片。该器件的尺寸为 2.7 mm × 1.3 mm，是高品质因数可调谐振器的微型化佳例。

为展示该可调谐谐振器的性能，作者在Lake Shore低温探针台上使用两个地-信号-地（GSG）探针进行测量。图 3 显示了可调谐谐振器在 4 K 时三种状态的测量结果。当所有开关都关闭时（状态 I），谐振频率最初为 1.107 GHz；当第一和第二个开关打开时，谐振频率分别变为 1.057 GHz 和 1.025 GHz。

参考：Raafat R. Mansour, 博士, 教授，电气与计算机工程系，滑铁卢大学

相关配置：

微波探针，可选40 GHz 或 67 GHz

2. DLTS/DLOS用于测量半导体器件中的缺陷

深能级瞬态光谱（DLTS）是一种测量各种器件中半导体和界面缺陷的强大技术。对于基于宽带隙的器件，深能级光谱（DLOS）能够探测深度超过~1eV的热极限，并探测少数载流子半带隙中的缺陷。传统上，这些技术都在肖特基或 p-n 结上进行。近年来，这些技术也开始应用于金属-绝缘体-半导体电容器 (MISCaps)，以准确量化整个界面带隙的界面态密度。

图4显示了测量界面状态的典型结构，图5显示了图4中样品的热和光学DLTS/DDLOS扫描结果。界面状态与频率色散直接相关，并可能在典型器件中引起许多与性能相关的问题，如漏电通路、瞬态阈值电压偏移、噪声等。

Lake Shore 低温探针台非常适合进行DLTS测试，因为它可以在很宽的范围内扫描温度，并提供方便的光学通道，以便用单色光照射样品进行 DLOS测试。作者专为此研究定制了适用变温探针，可以扫描数百开尔文的温度，而不会出现触点滑动或破坏精密触点。这在许多其他低温探针台上是不可能实现的。

图4：用于分析绝缘体-半导体界面处界面态密度的金属-绝缘体-半导体结构，特别是使用深层瞬态和光学光谱（DLTS/DLOS）对原子层沉积（ALD）-生长的 Al₂O₃/n-type NH₃-MBE 生长的 GaN 界面进行量化。

图 5：图 4 中 ALD Al₂O₃/GaN 界面处的界面态密度 (Dit)，使用热基 DLTS 测量 GaN 导带 0.8 eV 范围内的态，使用氙 (Xe) 灯测量中隙至 GaN 价带的光激发发射基 DLOS。

参考：Aaron Arehart，博士，教授，电子与计算机工程系，俄亥俄州立大学

相关配置：

光纤探针臂及测试示意

相关配置：

400 to 2100，多模

200 to 900，多模

1290 to 1650 ，单模

适用变温探针

在100K以上至几百K温度范围无需抬针落针

1. 取决于不同的探针台型号

2. 不同的探针材料和电极材料都会影响温度范围

3. 纳米结构与器件低电平测量

新型半导体材料、高温超导体、新型光伏器件和有机电子材料的研究通常需要低电平的源和测量，因为这些材料通常是纳米结构。超小型结构的类型包括二维（2D）纳米电子结构、量子点、多原子层异质结构和有机半导体结构。这些超小结构会受到热耗散的破坏。随着器件结构越来越小，这些小型结构只能承受极低的激励电流和电压，从而使可测量信号降低到接近典型仪器和实验装置的噪声本底。因此，完全表征这些结构所需的最终测量结果是非常低的信号，因此经常被显著水平的电力线、热和其他类型的环境噪声信号污染。

低温探针台与M81多通道高精度低噪声综合电学测量仪

☆ 利用 M81 克服消除热偏移误差和自热误差的挑战

只要电路中存在不同金属之间的连接，就会产生热偏移电压。在对需要低电平刺激信号的纳米材料进行表征时，热偏移电压可能与测量信号的数量级相当。图 6 显示了一种测试配置，其中热电压误差被建模为叠加元件直流电压。此外，向纳米材料供电很容易导致材料发热，从而可能导致其特性发生变化。

图6：热电压误差建模为直流电压源。在进行低电平测量时，热电压误差是测量误差的重要来源。

源的极性反转、多个测量步骤和测量延迟等都可以消除热偏移误差。M81-SSM 的DC+AC同步信号源和测量可帮助用户确定直流热偏移误差的特性。直流偏压上的交流激励可以消除直流热偏移所需的两次单独的直流电压测量，同时提供样品或器件表征所需的直流偏压。此外，同时结合直流和交流测量，可以更深入地了解被测量器件，并快速地计算电阻、阻抗和来自测量信号的谐波等。

图7：M81一个源可同时叠加DC+AC输出

☆ 在单个测试中表征结构的小信号和大信号性能

结合同步直流和交流信号源和测量优势的另一个例子是同时表征非线性器件的大信号和小信号性能。如图8所示，在变化的直流偏压上叠加交流信号，可产生直接测量微分电导的参数。直流偏置可以单独或同时测量非线性器件的大信号性能，这可能会暴露直流电平非线性特性和其他相关的二阶效应。

图8：将交流和直流信号源与测量相结合，可在微分电导应用中通过一次激励扫描表征非线性器件的小信号和大信号性能。

☆ 超导材料电阻从MΩ级到mΩ级的连续测量

图9：M81的VM-10电压测量模块的无缝量程变化测量，在需要多次量程变化的信号扫描应用中，可显著减少或消除典型的量程变化引起的测量偏移/不连续。

系统采用M81的BCS-10低噪声平衡电流源、VM-10纳伏测量模块（如图9所示）以及M81内部自带的锁相测量模块，可以进行超高精度的低电平电学测量。这样，系统不仅可以轻松地测量超导材料从~1MΩ电阻连续变化至1mΩ级的电阻率（如图10所示），而且由于不需要进行量程切换，因此不会出现数据漂移问题。

图10：M81对超导材料从~1 MΩ连续变化至1 mΩ的电阻测量

4. 超导磁体低温探针台的快速霍尔效应测量

传统的变温霍尔效应测试在低温下一次只能测几个样品，需要经常通过升降温来更换样品，在超导磁体平台的系统可以进行强磁场与极低温环境的霍尔效应测试，而传统的霍尔效应测试方法中需要磁场的正反切换，需要数个小时的时间来完成。面对需要进行多个器件的低温强磁场下的霍尔效应测试时，传统的霍尔效应测试需要耗费大量的测试时间。

Lake Shore配置超导磁体的低温探针台与M91快速霍尔效应测试仪的组合，可以有效的解决上述问题。M91是一款革命性的一体化霍尔分析仪器，它采用了Lake Shore全新FastHall测量专利技术（专利号：9797965和10073151），从根本上改变了霍尔效应的测量方式，在测量过程中无需翻转磁场，尤其是在使用强磁场超导磁体或测量极低迁移率材料时，实现了更快、更精确的测量。同时，M91较短的测量窗口减少了样品参数因测量中的自热或环境温度变化而漂移带来的误差，单向磁场测试模式消除了由于磁场对准误差引起的测量偏差，从而进一步提高了测量结果的质量。

M91快速霍尔测量仪

主要特征：

▪ 革命性的FastHall测试技术

▪ 一体化仪器

▪ 无需磁场翻转

▪ 低迁移率材料的速度可达常规设备100倍

▪ 通过最小化热漂移提高精度

▪ 测试迁移率低至10-3 cm2/V ‍s

▪ 标准电阻范围从10 mΩ~10 MΩ，可选200 GΩ

小结

Lake Shore的低温探针台拥有着1.6K~675K的可选温区、超导磁体/电磁铁、干式或湿式以及多种测量配置如直流、RF、光纤、CV等，还有多种交钥匙的测试选件如M91快速霍尔效应测量、M81多通道高精度低噪声综合电学测试系统等供您选择！欢迎各位新老客户垂询！