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明細書 :顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2018-018869 (P2018-018869A)
公開日 平成30年2月1日(2018.2.1)
発明の名称または考案の名称 顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法
国際特許分類 H01L  21/66        (2006.01)
FI H01L 21/66 N
請求項の数または発明の数 3
出願形態 OL
全頁数 8
出願番号 特願2016-145940 (P2016-145940)
出願日 平成28年7月26日(2016.7.26)
新規性喪失の例外の表示 申請有り
発明者または考案者 【氏名】塩島 謙次
出願人 【識別番号】504145320
【氏名又は名称】国立大学法人福井大学
個別代理人の代理人 【識別番号】100110814、【弁理士】、【氏名又は名称】高島 敏郎
審査請求 未請求
テーマコード 4M106
Fターム 4M106AA10
4M106BA05
4M106BA14
4M106CA17
4M106CA21
4M106DH32
4M106DJ17
4M106DJ20
要約 【課題】 顕微光応答法の利用によるさらに高度な結晶評価技術を得ることを目的とするもので、前記界面における異なる物理現象を評価できるようにする。
【解決手段】 界面にレーザー光を照射することによって得られた光応答スペクトルから二以上の障壁高さが存在すると判断した場合に、各々の障壁高さ(qφB1,qφB2,・・)によって光電子収率(Photoyield:Y)が変位する変位点(hνs)を境として、この変位点(hνs)と基礎吸収の開始点(hνb)との間のhνs<hν1<hνbとなる光子エネルギーhν1のレーザー光Iと、hνb<hν2<hνp(hνp:光電子収率Yのピーク値)となる光子エネルギーhν2のレーザー光IIとを前記界面に照射し、レーザー光I,IIのそれぞれを前記界面に対して走査させながら、レーザー光I,IIのそれぞれについて前記界面における二次元的な光電子収率Yの分布及び/又は光電流像を得るようにした。
【選択図】 図4
特許請求の範囲 【請求項1】
顕微光応答法によって半導体結晶成長層の界面を評価する方法において、
前記界面にレーザー光を照射することによって得られた光応答スペクトルから二以上の障壁高さ(qφB1<qφB2<・・・)が存在すると判断した場合に、
各々の障壁高さ(qφB1,qφB2,・・,qφBn,qφBn+1・・・)によって光電子収率(Photoyield:Y)が変位する変位点(hνs)を境として、前記変位点(hνs)と基礎吸収の開始点(hνb)との間のhνs<hν1<hνbとなる光子エネルギーhν1のレーザー光Iと、hνb<hν2<hνp(hνp:光電子収率Yのピーク値)となる光子エネルギーhν2のレーザー光IIとを前記界面に照射し、
レーザー光I,IIのそれぞれを前記界面に対して相対的にX-Y方向に走査させながら、前記レーザー光I,IIのそれぞれについて前記界面における二次元的な光電子収率Yの分布及び/又は光電流像を得ること、
を特徴とする顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法。
【請求項2】
前記界面がNiショットキー電極と3C-SiC結晶成長層との界面である場合に、前記レーザー光Iとして赤色レーザー光を用い、前記レーザー光IIとして緑色レーザー光を用いたことを特徴とする請求項1に記載の顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法。
【請求項3】
前記半導体結晶成長層の表面に電気的に接続された第一の回路及び裏面に電気的に接続された第二の回路と、前記第一の回路と前記第二の回路とを選択的に切り換える切換手段とを有する光電流測定手段を準備し、
前記表面にレーザー光を照射したときに前記第一の回路を流れる光電流値を測定した後、
前記切換手段によって前記第二の回路を選択し、
前記裏面にレーザー光を照射したときに前記第二の回路を流れる光電流値を測定すること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、ショットキー電極と半導体結晶成長層との界面を顕微光応答法により評価する界面評価方法に関し、前記界面における異なる物理現象を評価できるように改良された顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本発明の発明者は、金属/半導体界面及び半導体/半導体界面を非破壊で評価する方法として、1989年に「顕微光応答法」(ケンビヒカリオウトウホウ)を提案した(非特許文献1~4参照)。
「顕微光応答法」とは、図6に示すように、例えば半導体110の表面に金属(ショットキー電極112)を形成した試料100において、金属(ショットキー電極112)と半導体110との界面113にバンドギャップ(Eg)以下のレーザー光Lを半導体110側から照射すると、内部光電子放出効果によって金属(ショットキー電極112)と半導体110の裏面の電極(オーミック電極115)との間に光電流が発生するという現象を利用したものである。
【0003】
「顕微光応答法」では、半導体110のバンドキャップ(禁制帯幅:Eg)よりも小さく、界面113の障壁高さ(qφΒ)よりも大きい条件(qφΒ<hν<Eg)を満たす光子エネルギー(hν)のレーザー光Lを界面113に集光しながら照射し、発生する光電流の値を測定する。単位フォトン数当たりの光電流を光電子収率(Photoyield:Y)とすると、Yは光子エネルギーに対してファウラーの式(Y=(hν-qφΒ)を満足する。そして、レーザー光Lを試料100に対してX-Y方向に走査させることで得られる光電子収率Yのばらつきから、界面113の不均一性が評価できる。また、X-Y平面における前記のばらつきから、図7(a)に示すような光電流像を得ることができる。このようにして得られた顕微光応答法による光電流像は、実証のために得た図7(b)の顕微鏡像と高精度に一致している。
【0004】
さらに、光子エネルギー(qφΒ<hν<Egの要件を満たすhν,hν・・・)の異なる複数のレーザー光を照射して光電子収率Yを測定し、図8に示すように光電子収率Yの平方根をプロットしたものが光応答(Photoresponce:PR)スペクトルである。そして、光子エネルギーhν,hν・・・ごとの複数のプロットを結ぶ直線とX軸との交点を、界面の障壁高さ(eV)として得ることができる。
なお、半導体/半導体のヘテロ界面では、両半導体のバンドギャップ(Eg1,Eg2)に対し、Eg1<hν<Eg2となる光子エネルギーhνのレーザー光を用いることで、金属/半導体の界面と同様に評価を行うことができる。
【先行技術文献】
【0005】

【非特許文献1】T. Okumura, K. Shiojima,, Jap. J. Appl. Phys., 28, L 1108 (1989).
【非特許文献2】K. Shiojima, T. Okumura, Journal of Crystal Growth., 103, 234 (1990)
【非特許文献3】M. Shingo, J. Liang, N. Shigekawa, M. Arai and K. Shiojima, SSDM2015, Sept. 29, 2015, Sapporo Japan.
【非特許文献4】宮崎周司「高分解能顕微光応答法によるショットキー接合の微視的評価及び積層電極の構造最適化」東京都立大学 1997年9月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明はこのような利点を有する顕微光応答法の用途をさらに発展させることを目的としたもので、前記界面における異なる物理現象を評価できるように改良された顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の評価方法は、顕微光応答法によって半導体結晶成長層の界面を評価する方法において、前記界面にレーザー光を照射することによって得られた光応答スペクトルから二以上の障壁高さ(qφB1<qφB2<・・・)が存在すると判断した場合に、各々の障壁高さ(qφB1,qφB2,・・,qφBn,qφBn+1・・・)によって光電子収率(Photoyield:Y)が変位する変位点(hνs)を境として、前記変位点(hνs)と基礎吸収の開始点(hνb)との間のhνs<hν1<hνbとなる光子エネルギーhν1のレーザー光Iと、hνb<hν2<hνp(hνp:光電子収率Yのピーク値)となる光子エネルギーhν2のレーザー光IIとを前記界面に照射し、レーザー光I,IIのそれぞれを前記界面に対して相対的にX-Y方向に走査させながら、前記レーザー光I,IIのそれぞれについて前記界面における二次元的な光電子収率Yの分布及び/又は光電流像を得る方法としてある。
【0008】
一例として、前記界面がNiショットキー電極と3C-SiC結晶成長層との界面である場合は、前記レーザー光Iとして波長が600nm~700nm程度の赤色レーザー光を用い、前記レーザー光IIとして波長が500nm~550nm程度の緑色レーザー光を用いるとよい。
この方法によれば、複数のレーザー光I,IIによって得られる光電子収率Yの分布及びこれから得られる光電流像から、同一の界面について、光電子収率Yの変位点と基礎吸収との間及び基礎吸収と光電子収率Yのピーク値との間の異なる物理現象を評価することが可能になる。
【0009】
本発明においては、請求項3に記載するように、前記半導体結晶成長層の表面に電気的に接続された第一の回路及び裏面に電気的に接続された第二の回路と、前記第一の回路と前記第二の回路とを選択的に切り換える切換手段とを有する光電流測定手段を準備し、前記表面にレーザー光を照射したときに前記第一の回路を流れる光電流値を測定した後、前記切換手段によって前記第二の回路を選択し、
前記裏面にレーザー光を照射したときに前記第二の回路を流れる光電流値を測定するようにしてもよい。
このようにすれば、前記半導体結晶成長層の表面の光電流値を測定した後にただちに裏面の光電流値の測定を開始させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
[試料]
図1は、この実施形態における試料の構成を説明する概略図である。
導電性半導体で形成された支持基板11の表面に導電性半導体を結晶成長させて半導体結晶成長層10を形成する。半導体結晶成長層10の表面にオーミック電極15aとショットキー電極12を形成し、支持基板11の裏面にオーミック電極15bを形成する。そして、半導体結晶成長層10とショットキー電極12との界面が第一の界面13として形成され、半導体結晶成長層10と支持基板11との界面が第二の界面14として形成されている。
【0011】
[装置概要]
この実施形態における顕微光応答法のための光電流値の測定装置の概略を図2に示す。
測定装置は、オーミック電極15aとオーミック電極15bとを電気的に接続する回路Iと、オーミック電極15aとショットキー電極12とを電気的に接続する回路IIと、回路Iと回路IIとの間に設けられたスイッチ18と、オーミック電極15aとスイッチ18との間に設けられた電流計17とを有する。
【0012】
また、支持基板11側には、レーザー光を変調させることで光子エネルギーが異なる複数のレーザー光(この実施形態では第一のレーザー光L1及び第二のレーザー光L2)を照射することのできる図示しないレーザー光照射装置と、レーザー光L1,L2のそれぞれを第一の界面13及び第二の界面14に向けて集光するためのレンズ20が設けられている。また、前記レーザー光照射装置は、波長の異なる複数のレーザー光を照射することが可能なレーザー光源を備えている。
【0013】
上記構成の測定装置では、図2(a)に示すように、スイッチ18をショットキー電極12側に切り換えて回路IIを閉じ、焦点をショットキー電極12と半導体結晶成長層10との間の第一の界面13に合わせて第一のレーザー光L1を照射する。第一のレーザー光L1をレンズ20によって第一の界面13に集光させつつ、図示しないX-Y移動テーブルによって試料1をX方向とY方向に移動させながら第一の界面13を走査させ、電流計17によって光電流値を測定する。第一の界面13における障壁高さの不均一性を評価するには、変調によって光子エネルギーを異ならせた第一のレーザー光L1を、第一の界面13の同一地点に照射して複数の光応答(PR)スペクトルを得ればよい。
【0014】
図2(b)に示すように、スイッチ18をオーミック電極15b側に切り換え、焦点を支持基板11と半導体結晶成長層10との間の第二の界面14に合わせて第二のレーザー光L2を照射する。第二のレーザー光L2をレンズ20によって第二の界面14に集光させつつ、図示しない移動テーブルによって試料1をX方向とY方向に移動させながら第二の界面14を走査させる。電流値の変化から、半導体結晶成長層10の表裏両面(第一の界面13及び第二の界面14)を、非破壊的に評価することができる。
【0015】
この実施形態の試料1では、第一の界面13において図3に示すようなPRスペクトルが得られた。この実施形態の光子エネルギーのピーク(hνp)は、支持基板11のバンドギャップEgに近いものであった。
図3のPRスペクトルにおける低エネルギー側領域(符号Aで示す領域)の拡大図を図4に示す。図4に示すように、低エネルギー側領域Aには光電流が急激に増加する点が二カ所に見られた。一つは、二つの異なる直線領域(i),(ii)が重なることで急激に増加する変位点(hνs)であり、一つは基礎吸収の開始点(hνb)であると予測できる。
【0016】
変位点(hνs)の左側の領域では、複数のhνのプロットとファウラーの式から一つの直線(i)を得ることができ、この直線(i)から障壁高さqφB1を求めることができる。変位点(hνs)の右側の領域では、得られた光電子収率Yから直線(i)の分を差し引く(例えば図4の例ではYc1/2-a=b)ことで、二つ目の直線(ii)を得ることができる。
このようにして得られた二つの障壁高さqφB1及びqφB1から、半導体結晶成長層10の第一の界面13は異なる面方位で形成されていると推測できる。
【0017】
そして、qφB2<hν1<hνsの条件を満たす光子エネルギーhν1のレーザー光Iと、hνb<hν2<hνpの条件を満たす光子エネルギーhν2のレーザー光IIを第一の界面13に照射し、レーザー光I,IIのそれぞれをX-Y方向に走査させることで、レーザー光I,IIのそれぞれにおける光電流像を得ることができる。これにより、照射するレーザー光I,IIの光子エネルギーに応じた異なる光電流像を得ることができる。
【0018】
また、照射するレーザー光I,IIの光子エネルギーに応じた異なる光電子収率Yの値の分布を得ることで、同一の界面(第一の界面13)の異なる物理現象を評価することが可能になる。
以下に具体的な実施例を示す。
【0019】
[実施例]
[試料1]
11-20方向に0.7°のオフ角を持つp+-4H-SiC基板上に、Alドープ×1015のp型3C-SiCを厚さ30μmでエピタキシャル成長させた。3C-SiCの表面にTi/Al/Niオーミック電極を蒸着し、Ar雰囲気中で1000℃、5分間のシンターを行った後、直径1mmのNi(厚さ20nm)ショットキー電極を蒸着した。
【0020】
[PRスペクトル]
この試料1のPRスペクトルは、図3におけるピーク値hνpが支持基板11であるp+-4H-SiCのバンドギャップEg(3.26eV)に近い値であり、二つの障壁高さはそれぞれqφB1=1.33eV及びqφB2=1.85eVであった。二つの障壁高さが重なることで光電流が大きく増加する変位点の光子エネルギーhνsは1.85eVで、基礎吸収の開始によって光電流が急激に増加する変位点の光子エネルギーhνbは2.2eVであった。
【0021】
[レーザー光の選択]
上記の試料1の第一の界面13に対して用いるレーザー光Iは、hνs(1.85eV)<hν1<hνb(2.2eV)の範囲内であって、qφB2=1.85eVに近い光子エネルギーhν1のものが好ましい。この実施例では、光子エネルギーhν1のレーザー光Iとして波長660nm(hν1=1.88eV)の赤色レーザー光を用いた。
また、レーザー光IIは、hνb(2.2eV)<hν2<hνp(3.26eV)の範囲内であって、hνbに近い光子エネルギーhν2のものが好ましい。この実施例では、光子エネルギーhν2のレーザー光IIとして、波長516nm(hν3=2.4eV)の緑色レーザー光を用いた。
【0022】
なお、比較用として、hνb(2.2eV)<hν3<hνp(3.26eV)の条件を満たす別の波長450nm(hν=2.76)の青色レーザー光(レーザー光IIIも準備した。
これらのレーザー光I,II,IIIを、p-3C-SiC(半導体結晶成長層10)とショットキー電極12との間の第一の界面13に集光・走査させて光電子収率Yの分布を測定し、それぞれのレーザー光I,II,IIIにおける界面の光電流像を得た。
【0023】
その結果を、図5に示す。
図5(a)は赤色レーザー光の照射によって得た光電流像で、検証のために得た同一界面の顕微鏡像(図5(d))と高精度に一致している。これは、3C-SiC表面の面方位の違いが反映されているものと思われる。また、赤色レーザー光を用いたときのY値の分布は、ドメイン境界において他の領域と比べて5~10倍増加した。このことから、ドメイン境界領域では低障壁層が形成されているものと予測できる。
【0024】
図5(b)は緑色レーザー光の照射によって得た光電流像で、ドメイン領域とドメイン境界とを示すコントラストが図5(a)のものとは逆になっている。また、緑色レーザー光を用いたときのY値の分布は、赤色レーザー光を用いたときと異なり、ドメイン境界でY値が約50%減少した。これは、ドメイン境界では多くの表面欠陥が存在し、基礎吸収によって発生した電子-正孔対が欠陥を介して再結合する確率が高いためと予測できる。図5(b)の光電流像は、界面近傍の欠陥濃度を反映しているものと思われる。
【0025】
図5(c)は青色レーザー光の照射によって得た光電流像で、緑色レーザー光と同様に、ドメイン領域とドメイン境界とを示すコントラストが図5(a)のものと逆になっていると認められるものの、その光電流像は不鮮明であった。
このように本発明では、光子エネルギーhνの異なる複数のレーザー光を用いて励起キャリアの種類を変えることで、同一の界面に対して異なる物理現象を評価することができる。
【0026】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限定されるものではない。
例えば、波長の異なる複数のレーザー光を合波して同時照射できるレーザー光源を用いることで、単一色のレーザー光を切り替ながら照射する場合よりも照射時間を大幅に短縮することができる。
また、上記の説明では障壁高さが二つの場合を例に挙げて説明したが、本発明では三つ以上の障壁高さが存在する場合にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】この実施形態における試料及び装置の概略構成を説明する概略図である。
【図2】スイッチをショットキー電極側に切り換えた場合とオーミック電極に切り換えた場合を示す図である。
【図3】この実施形態におけるPRスペクトルを示すグラフである。
【図4】図3のPRスペクトルにおける低エネルギー側領域(符号Aで示す領域)の拡大図である。
【図5】(a)(b)(c)は、赤、緑、青のレーザー光を第一の界面に照射させて得られた顕微光応答法による実施例の光電流像であり、(d)は同一界面における検証のための顕微鏡像である。
【図6】顕微光応答法の原理を説明する図で、試料及び装置の概略構成を説明する図である。
【図7】図7(a)は、図6の試料及び装置を用いた顕微光応答法の光電流像を示す写真、図7(b)は実証のために得た顕微鏡像の写真である。
【図8】異なる光子エネルギーにおける光応答スペクトルのグラフである。
【符号の説明】
【0028】
1 試料
11 支持基板
12 ショットキー電極(第二の電極)
13 第一の界面
14 第二の界面
15a,15b オーミック電極
17 電流計
18 スイッチ
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7