JP2009145223A - キャリア濃度測定装置およびキャリア濃度測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】無機化合物半導体のキャリア濃度を非破壊で簡易に測定する。
【解決手段】非破壊キャリア濃度測定装置１００は、テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を記憶する記憶部１０１と、試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光１０５を照射する光照射部１０３と、照射されたテラヘルツ光１０５に対する無機化合物半導体の反射光１０８を検出する検出部１０９と、照射されたテラヘルツ光１０５と反射光１０８とを対比して無機化合物半導体の反射率の実測値を算出する反射率算出部１１１と、記憶された相関関係を参照し、反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取る読取部１１３と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】非破壊キャリア濃度測定装置１００は、テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を記憶する記憶部１０１と、試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光１０５を照射する光照射部１０３と、照射されたテラヘルツ光１０５に対する無機化合物半導体の反射光１０８を検出する検出部１０９と、照射されたテラヘルツ光１０５と反射光１０８とを対比して無機化合物半導体の反射率の実測値を算出する反射率算出部１１１と、記憶された相関関係を参照し、反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取る読取部１１３と、を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、不純物をドープした無機化合物半導体のキャリア濃度を測定するキャリア濃度測定装置および方法に関する。
無機化合物はＴＯフォノン周波数（横光学フォノン周波数）からＬＯフォノン周波数（縦光学フォノン周波数）の帯域で誘電率が負になることから、高反射することが知られている。（非特許文献１、２）
テラヘルツ光による反射測定装置でキャリア濃度を求める方法は、特許文献１に記載されている。これは測定材料にテラヘルツ光を照射した状態で、磁場を加えるとホール効果による電場が生じる。この電場を観測することでホール係数を測定し、キャリア濃度を求める方法である。テラヘルツ光源に、フェムト秒レーザーを用いたテラヘルツ波発生装置を用いている。生じる電場の応答時間は数ピコ秒であり、周波数が０．５〜２．０ＴＨｚのテラヘルツ光を発振する。
テラヘルツ光による透過率測定から半導体材料の物性情報を検査する方法が特許文献２に記載されている。これは透過測定を行い、半導体の吸収損失から、物性情報を同定する方法である。
特開２００５−３１５７０８号公報
特開２００２−５８２８号公報
Ｋ．Ａ．Ｍａｓｌｉｎ，Ｃ．Ｐａｔｅｌ ａｎｄ Ｔ．Ｊ．Ｐａｒｋｅｒ、"Ｆａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ ａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｉｎｃｂｌｅｎｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｔ ３００Ｋ．"Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３２（１９９１）、Ｐ．３０３−３１０
「Ｃｈａｒｌｅｓ．Ｋｉｔｔｅｌ 固体物理学入門」上巻、第７版、宇野良清、津屋昇、森田章、山下次郎訳（丸善株式会社、１９９８）、Ｐ．３２１−３２８
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
特許文献１に記載の方法では、テラヘルツ波照射と同時に、磁場を与える機構を設ける必要があり装置が高価で大型になる。また、数ピコ秒の電場を捉えるためには特殊な回路を必要とする。さらにテラヘルツ波の発振する周波数が０．５〜２ＴＨｚの範囲で限定される。
特許文献２に記載の透過測定では、反射損失と吸収損失の両方を含んだ情報のため、反射損失を見積もる必要があり、物性情報の算出工程は複雑になる。実際に測定した窒化ガリウム（ＧａＮ）の透過測定と反射測定結果を図１２に示す。図１２のグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、左縦軸は透過率、右縦軸は反射率を示す。透過率データが０〜０．２の範囲で推移するのに対して、反射率データは０から１まで推移する。したがって、吸収損失を測定するためには、透過と反射の測定をしなければいけないことを示している。しかも、吸収損失を測定するためには、厚み、表面状態を揃える必要があるため、破壊検査である。
本発明は、上記問題を解決するために、無機化合物半導体のキャリア濃度を非破壊で簡易に測定することを目的とする。
本発明によれば、不純物をドープした無機化合物半導体のキャリア濃度を測定するキャリア濃度測定装置であって、
テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を記憶する記憶部と、
試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射する光照射部と、
照射されたテラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射光を検出する検出部と、
照射されたテラヘルツ光の強度に対する反射光の強度の比率を求めることにより、無機化合物半導体の反射率の実測値を算出する反射率算出部と、
を有し、
記憶された相関関係を参照し、反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取る読取部と、
を有することを特徴とするキャリア濃度測定装置
が提供される。
テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を記憶する記憶部と、
試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射する光照射部と、
照射されたテラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射光を検出する検出部と、
照射されたテラヘルツ光の強度に対する反射光の強度の比率を求めることにより、無機化合物半導体の反射率の実測値を算出する反射率算出部と、
を有し、
記憶された相関関係を参照し、反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取る読取部と、
を有することを特徴とするキャリア濃度測定装置
が提供される。
この発明によれば、無機化合物半導体のテラヘルツ光に対する反射率と、キャリア濃度との相関関係を記憶するため、テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率を実測することにより、試料のキャリア濃度を取得することができる。したがって、無機化合物半導体のキャリア濃度を非破壊で簡易に測定することができる。
また、本発明によれば、不純物をドープした無機化合物半導体のキャリア濃度を測定するキャリア濃度測定方法であって、
テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を取得するステップと、
試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射するステップと、
照射されたテラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射光を検出する検出部と、
照射されたテラヘルツ光の強度に対する反射光の強度の比率を求めることにより、無機化合物半導体の反射率の実測値を算出するステップと、
を含み、
記憶された相関関係を参照し、算出された反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取るステップと、
含むことを特徴とするキャリア濃度測定方法
が提供される。
テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を取得するステップと、
試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射するステップと、
照射されたテラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射光を検出する検出部と、
照射されたテラヘルツ光の強度に対する反射光の強度の比率を求めることにより、無機化合物半導体の反射率の実測値を算出するステップと、
を含み、
記憶された相関関係を参照し、算出された反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取るステップと、
含むことを特徴とするキャリア濃度測定方法
が提供される。
本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要もなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でよい。
また、本発明のキャリア測定方法には複数の工程を順番に記載してあるが、その記載の順番は複数の工程を実行する順番を限定するものではない。このため、本発明のキャリア測定方法を実施するときには、その複数の工程の順番は内容的に支障しない範囲で変更することができる。
さらに、本発明のキャリア測定方法の複数の工程は個々に相違するタイミングで実行されることに限定されない。このため、ある工程の実行中に他の工程が発生すること、ある工程の実行タイミングと他の工程の実行タイミングとの一部ないし全部が重複していること、等でもよい。
本発明によれば、無機化合物半導体のキャリア濃度を非破壊で容易に測定することができる。
本実施の形態は、不純物をドープした無機化合物半導体のキャリア濃度を測定するキャリア濃度測定装置である。図１は、本実施形態の非破壊キャリア濃度測定装置１００を模式的を示すブロック図である。
本実施の形態の非破壊キャリア濃度測定装置１００は、テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率と、キャリア濃度との相関関係を記憶する記憶部１０１と、試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光１０５を照射する光照射部１０３と、照射されたテラヘルツ光１０５に対する無機化合物半導体の反射光１０８を検出する検出部１０９と、照射されたテラヘルツ光１０５および反射光１０８に基づいて、無機化合物半導体の反射率の実測値を算出する反射率算出部１１１と、記憶された相関関係を参照し、反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を読み取る読取部１１３と、を有する。
また、非破壊キャリア濃度測定装置１００は、試料設置部１０７を備える。試料設置部１０７は、試料となる無機化合物半導体を設置する。
無機化合物半導体には、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＳｂ等を用いてもよい。
無機化合物半導体にドープする不純物（添加物）には、たとえば、ｎ型（ドナー）として珪素、窒素またはリン等を用いることができる。
記憶部１０１で記憶される反射率とキャリア濃度の相関関係は、誘電率を介して、式（１）〜式（４）で表される。各パラメーターを表１に示す。下記式（１）〜（４）を用いて反射率の計算を行うことができる。非特許文献３から式を引用している。自由電子のプラズマ振動数ωｐは式２から求まり、キャリア濃度Ｎを含んでいる。式（２）から求めたプラズマ振動数ωｐを式１に代入し、誘電率εを求める。求めた誘電率εは式（３）で表され、誘電率のルート（√ε）の実数部が屈折率ｎ、虚数部が消衰係数κである。式（４）から屈折率ｎと消衰係数κを用いて反射率Ｒを求める。したがって、キャリア濃度Ｎが変化すると、反射率Ｒが変化する。
（非特許文献３）Ｒ．Ｔ．Ｈｏｌｍ，Ｊ．Ｗ．Ｇｉｂｓｏｎ ａｎｄ Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋ"Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｂｕｌｋ ａｎｄ ｅｐｉｔａｘｉａｌ−ｆｉｌｍ ｎ−ｔｙｐｅ ＧａＡｓ．"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４８（１９７７）Ｐ．２１２‐２２３
以上のように、相関関係を表す反射率は、式（１）〜（４）に基づき、キャリア濃度から無機化合物半導体の誘電率を算出し、算出された誘電率から予測反射率を算出し、算出された予測反射率と、キャリア濃度との相関関係を求めることができる。求めた予測反射率と、キャリア濃度との相関関係は記憶部１０１に記憶する。
光照射部１０３は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長：５３２ｎｍ）を、ＫＴＰ結晶を使用した光パラメトリック発振器に入射し、１．３μｍ帯の二波長を発振させ、その二波長をＤＡＳＴ結晶（４−ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌａｂａｚｏｌｉｕｍ−ｔｏｓｙｌａｔｅ）に入射して１．５〜４０ＴＨｚのテラヘルツ帯域の光波を照射する。なお、試料となる無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射することができれば、ＤＡＳＴ結晶の変わりに他の結晶を使用しても差し支えない。また、フェムト秒レーザーを使用して発振したテラヘルツ帯域の光波を使用しても差し支えない。光照射部１０３は、照射した光の波長、光量、試料に対する入射角等の情報を記憶部１０１に記憶する。
検出部１０９は、検出した反射光の入射角を反射率算出部１１１に送出する。検出部１０９は、ＤＴＧＳ（Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ Ｔｒｉｇｌｙｃｉｎｅ Ｓｕｌｆａｔｅ）検出器を用いることができる。
反射率算出部１１１は、検出部１０９が検出した反射光の入射角、光量等の情報が検出部１０９受け付ける。記憶部１０１に記憶された照射光の情報と、受け付けた反射光の情報とから反射率の実測値を算出することができる。算出された反射率は、読取部１１３に送出する。また、算出された反射率は、記憶部１０１に記憶してもよいし、出力してもよい。
反射率は、以下のように測定することができる。まず、試料設置部１０７に参照板（例えば、金ミラー）を置く。照射光が金ミラーで反射した光を照射光強度と定義する。次に、試料設置部１０７に化合物半導体を置く。照射光が化合物半導体で反射した光を反射光強度と定義する。反射光強度を照射光強度で割った値を反射率として測定する。
読取部１１３は、記憶部１０１を参照し、記憶された相関関係に基づいて、反射率算出部１１１から受け付けた反射率からキャリア濃度を取得する。読取部１１３は、取得されたキャリア濃度を出力することができる。
また、式（１）〜（４）を用いて、テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率がキャリア濃度に依存して変化する測定帯域のテラヘルツ光に対する反射率（測定反射率）を求める。また、テラヘルツ光に対する無機化合物半導体の反射率がキャリア濃度に依存して変化しない参照帯域のテラヘルツ光に対する反射率（参照反射率）を求める。こうすることにより、測定反射率と、参照反射率とを対比して予測反射率比を算出することができる。算出された予測反射率比と、キャリア濃度との相関関係は、記憶部１０１に記憶することができる。
光照射部１０３は、測定帯域のテラヘルツ光および参照帯域のテラヘルツ光を試料にそれぞれ照射する。反射率算出部１１１は、測定帯域のテラヘルツ光を照射したとき算出された反射率と、参照帯域のテラヘルツ光を照射したとき算出された反射率と、を対比して、反射率比の実測値を算出する。読取部１１３は、記憶部１０１に記憶された反射率比と、キャリア濃度との相関関係を参照し、算出された反射率比の実測値に対応するキャリア濃度を読み取ることができる。
参照帯域はＴＯフォノン周波数とＬＯフォノン周波数の間の高反射帯域とすることができる。
以下、図面を参照して本実施形態に係わる非破壊キャリア濃度測定装置の構成についてさらに具体的に説明する。
図２は、非破壊キャリア濃度測定装置の構成図の一例を示す。テラヘルツ光発振装置として、非特許文献４に記載のＤＡＳＴ結晶１１を用いた光パラメトリック発振器３を用いている。光パラメトリック発振器３の励起光２にはＮｄ：ＹＡＧレーザー１の第二高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いている。励起光２を光パラメトリック発振器３に入射する。光パラメトリック発振器３内は、反射鏡４と透過鏡５で構成する一台の共振器内に結晶角度が僅かに異なるＫＴＰ結晶（ＫＴｉＯＰＯ４結晶）が２個設置されている。ＫＴＰ結晶６とＫＴＰ結晶７から異なる１．３μｍ帯の二波長９を発振させることができる。１．３μｍ帯の二波長９を反射鏡８と反射鏡１０で反射させ、ＤＡＳＴ結晶１１に入射すると非線形光学効果により１．５ＴＨｚ以上４７ＴＨｚ以下のテラヘルツ光１２（図２ではテラヘルツ波）を取り出すことができる。発振したテラヘルツ光１２を反射鏡１３で反射させ、無機化合物半導体１４に照射する。無機化合物半導体１４で反射したテラヘルツ光１２を反射鏡１５で反射し、ＤＴＧＳ検出器１６（図２では、ＤＴＧＳ）で受光する。
（非特許文献４）Ｈ．Ｉｔｏ， Ｋ． Ｓｕｉｚｕ， Ｔ． Ｙａｍａｓｈｉｔａ， Ａ． Ｎａｗａｈａｒａ ａｎｄ Ｔ． Ｓａｔｏ， "Ｒａｎｄｏｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ Ｂｒｏａｄ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−Ｗａｖｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ ４−Ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ−Ｎ−ｍｅｔｈｙｌ−４−ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ Ｔｏｓｙｌａｔｅ Ｃｒｙｓｔａｌ，"Ｊｐｎａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４６ （２００７） ｐ．７３２１−７３２４
つづいて、図１の装置を用いたＧａＮのキャリア濃度の測定方法について説明する。まず、式（１）〜式（４）を用いて無機化合物半導体のテラヘルツ光に対する反射率と、キャリア濃度との相関関係を求める。図３は、計算から導いたＧａＮの周波数に対する反射率の関係を示す図である。図３で示すグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、縦軸は反射率を示す。また、図３のグラフにはキャリア濃度１．０×１０１６、１．０×１０１８および５．０×１０１８［ａｔｏｍ／ｃｍ３］のＧａＮについての計算結果が示されている。反射率１７ＴＨｚ以上２０ＴＨｚ以下の帯域でキャリア濃度の変化によらず全反射する。また、１ＴＨｚ以上１６ＴＨｚ以下の帯域で、キャリア濃度の変化に応じて反射率が変化する。２１ＴＨｚ以上２３ＴＨｚ以下においても、キャリア濃度の変化により、反射率が変動している。したがって、１７ＴＨｚ以上２０ＴＨｚ以下の帯域を参照帯域とし、１ＴＨｚ以上１６ＴＨｚ以下または２１ＴＨｚ以上２３ＴＨｚ以下の帯域を測定帯域とすることができる。図４は、計算から導いたＧａＮの反射率とキャリア濃度の関係を示す。
図４で示すグラフの横軸は反射率、縦軸はキャリア濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を示す。具体的には、図４の反射率は、参照帯域のテラヘルツ光に対する反射率を１として、他の帯域のテラヘルツ光に対する反射率を求める。記憶部１０１は、図４で表される相関関係を示すデータを記憶する。
つづいて、キャリア濃度が未知のＧａＮの試料を用意し、試料設置部１０７に設置する。光照射部１０３は、参照帯域として高反射帯域の１７ＴＨｚ以上２０ＴＨｚ以下のテラヘルツ光を一光波、測定帯域としてキャリア濃度に応じて反射率が変化する１ＴＨｚ以上１６ＴＨｚ以下、または、２１ＴＨｚ以上２３ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を一光波、計二光波を試料にそれぞれ照射する。
検出部１０９は、照射された参照帯域のテラヘルツ光に対する試料の反射光を検出する。また、検出部１０９は、照射された測定帯域のテラヘルツ光に対する試料の反射光を検出する。
反射率算出部１１１は、照射された参照帯域のテラヘルツ光と検出された反射光とを対比して、参照反射率を算出する。また、反射率算出部１１１は、照射された測定帯域のテラヘルツ光と検出された反射光とを対比して、測定反射率を算出する。反射率算出部１１１は、測定反射率と参照反射率とを対比して反射率の実測値を算出する。
読取部１１３は、記憶部１０１に記憶された図４で示す相関関係図を参照し、算出された反射率の実測値に対応する試料のキャリア濃度を縦軸から読み取る。このようにして、試料のキャリア濃度を測定することができる。
つづいて、本実施の形態の効果について説明する。本発明者等は鋭意研究した結果、不純物をドープした無機化合物半導体はテラヘルツ波の反射率とキャリア濃度の間に相関関係があり、二光波でキャリア濃度を算出できることを見出した。これにより、非破壊で無機化合物半導体のキャリア濃度を測定することができる。
本実施の形態のキャリア濃度測定装置によれば、計算上、活性イオンとして働く自由電子をキャリアとして扱う。自由電子をキャリアと定義し、計算からキャリア濃度を求めることができる。計算から導かれるキャリア濃度はＳＩＭＳおよびホール測定と一致している。したがって、キャリア濃度を測定することができる。
また、本実施の形態の装置を用いた非破壊キャリア濃度測定法によれば、ＧａＮを試料としたとき、参照帯域として高反射帯域の１７ＴＨｚ以上２０ＴＨｚ以下のテラヘルツ光を一光波、測定帯域としてキャリア濃度に応じて反射率が変化する１ＴＨｚ以上１６ＴＨｚ以下、または、２１ＴＨｚ以上２３ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を一光波、計二光波による反射率測定を行う方法であり、キャリア濃度を非破壊で短時間に測定することが可能となる。
たとえば、ホール測定では、ハンダを温めて、電極を付けて、四端子を電極に合わせて、接触測定を行う。電極を付けるために、試料となる無機化合物半導体を平面に加工する必要がある。測定後で試料を製品として使用する場合は電極を除去し、再加工が必要となる。
一方、本実施の形態のキャリア濃度測定装置では、ウエハーホルダーに乗せて、測定するのみである。平坦に加工する必要はなく、ａｓ ｇｒｏｗｎの状態で測定することができる。したがって、前準備として加工する時間は必要ない。そして、二つのテラヘルツ光を用いるだけでキャリア濃度を測定することができる。測定時間は数秒から数十秒と推測される。したがって、短時間でキャリア濃度を測定することができる。また、非接触測定であるため、測定後は試料を製品として出荷することが可能となる。
（実施例１）
図２で示すキャリア測定装置を用いてＧａＮのキャリア濃度を測定した。無機化合物半導体であるＧａＮのキャリア濃度測定を行った。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。キャリア濃度は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定から２．７×１０１６［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、１．２×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、２．２×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］の試料を用いた。試料は測定面に加工、研磨等を施していないａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶である。
図２で示すキャリア測定装置を用いてＧａＮのキャリア濃度を測定した。無機化合物半導体であるＧａＮのキャリア濃度測定を行った。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である。キャリア濃度は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定から２．７×１０１６［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、１．２×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、２．２×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］の試料を用いた。試料は測定面に加工、研磨等を施していないａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶である。
図５は、ＧａＮの周波数に対する反射率測定結果を示す図である。図５で示すグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、縦軸は反射率を示す。また、図５のグラフにはキャリア濃度２．７×１０１６、１．２×１０１８および２．２×１０１８［ａｔｏｍ／ｃｍ３］のＧａＮについての測定結果が示されている。１ＴＨｚ以上１６ＴＨｚ以下でキャリア濃度により反射率が異なっている。１７ＴＨｚ以上２０ＴＨｚでは高反射している。また、２１ＴＨｚ以上２３ＴＨｚ以下においても、反射率の変化が確認される。
図６は、ＧａＮの反射率とキャリア濃度の計算値と測定値を示す図である。図６で示すグラフの横軸は反射率、縦軸はキャリア濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を示す。図６には、高反射である帯域からテラヘルツ波を一光波、キャリア濃度により変化する帯域からテラヘルツ光を一光波、計二光波の反射率の対比から求めた反射率に対するキャリア濃度の計算値とＳＩＭＳ測定値が示される。図６から、測定した反射率から求めたキャリア濃度とＳＩＭＳ測定によるキャリア濃度が一致している。二つの波長のテラヘルツ光を用いるだけで、キャリア濃度を算出できることが示される。
（実施例２）
図２で示すキャリア測定装置を用いてＳｉＣ（炭化珪素）のキャリア濃度を測定した。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ０．２ｍｍ以上〜０．７ｍｍ以下のａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶である。キャリア濃度はホール測定から２．７×１０１７［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、４．２×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］の試料を用いた。
図２で示すキャリア測定装置を用いてＳｉＣ（炭化珪素）のキャリア濃度を測定した。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ０．２ｍｍ以上〜０．７ｍｍ以下のａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶である。キャリア濃度はホール測定から２．７×１０１７［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、４．２×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］の試料を用いた。
図７は、ＳｉＣの周波数に対する反射率測定結果を示す。図７で示すグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、縦軸は反射率を示す。また、図７のグラフにはキャリア濃度２．８×１０１７および３．３×１０１８［ａｔｏｍ／ｃｍ３］のＳｉＣについての測定結果が示されている。２５ＴＨｚ以上２７ＴＨｚ以下で高反射である。１ＴＨｚ以上２４ＴＨｚ以下、および、２８ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下において、キャリア濃度の違いによる反射率の変動が見られる。
図８は、ＳｉＣの反射率とキャリア濃度の計算値と測定値を示す。図８で示すグラフの横軸は反射率、縦軸はキャリア濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を示す。図８には、高反射である帯域からテラヘルツ波を一光波、キャリア濃度により変化する帯域からテラヘルツ光を一光波、計二光波の反射率の対比から求めた反射率に対するキャリア濃度の計算値とホール測定値が示される。測定した反射率から求めたキャリア濃度とホール測定によるキャリア濃度が一致している。
（実施例３）
図２で示すキャリア測定装置を用いてＧａＡｓのキャリア濃度を測定した。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下でａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶である。キャリア濃度はホール測定から３．２×１０１５［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、４．０×１０１７［ａｔｍｓ／ｃｍ３］の試料を用いた。
図２で示すキャリア測定装置を用いてＧａＡｓのキャリア濃度を測定した。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下でａｓ−ｇｒｏｗｎ結晶である。キャリア濃度はホール測定から３．２×１０１５［ａｔｍｓ／ｃｍ３］、４．０×１０１７［ａｔｍｓ／ｃｍ３］の試料を用いた。
図９は、ＧａＡｓの周波数に対する反射率測定結果を示す。図９で示すグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、縦軸は反射率を示す。また、図９のグラフにはキャリア濃度３．２×１０１５および４．０×１０１７［ａｔｏｍ／ｃｍ３］のＧａＡｓについての計算結果が示されている。８．２ＴＨｚ以上８．５ＴＨｚ以下で高反射である。８．６ＴＨｚ以上８．８ＴＨｚ以下においてキャリア濃度の違いによる反射率の変動が見られる。
図１０は、ＧａＡｓの反射率とキャリア濃度の計算値と測定値を示す。図１０で示すグラフの横軸は反射率、縦軸はキャリア濃度［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］を示す。図１０には、高反射である帯域からテラヘルツ波を一光波、キャリア濃度により変化する帯域からテラヘルツ光を一光波、計二光波の反射率の対比から求めた反射率に対するキャリア濃度の計算値とホール測定値が示される。測定した反射率から求めたキャリア濃度とホール測定によるキャリア濃度が一致している。
（実施例４）
図２で示すキャリア測定装置を用いてＡｌＧａＮのキャリア濃度を測定した。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ５μｍである。図１１は、ＡｌＧａＮの周波数に対する反射率測定結果を示す。図１１で示すグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、縦軸は反射率を示す。図１１で示すように、ＡｌＧａＮにおいても、反射率の変動が見られるため、キャリア濃度の異なる試料の反射測定からキャリア濃度を算出できると考えられる。
図２で示すキャリア測定装置を用いてＡｌＧａＮのキャリア濃度を測定した。用いた試料の平面形状は、正方形で１０ｍｍ角以上１５ｍｍ角以下、厚さ５μｍである。図１１は、ＡｌＧａＮの周波数に対する反射率測定結果を示す。図１１で示すグラフの横軸は周波数［ＴＨｚ］、縦軸は反射率を示す。図１１で示すように、ＡｌＧａＮにおいても、反射率の変動が見られるため、キャリア濃度の異なる試料の反射測定からキャリア濃度を算出できると考えられる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以上、本発明の構成について説明したが、本発明は、これに限られず様々な態様を含む。以下はその例示である。
（１）キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比により無機化合物半導体のキャリア濃度を測定することを特徴とする無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（２）参照帯域はＴＯフォノン周波数とＬＯフォノン周波数の間の高反射帯域であることを特徴とする（１）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（３）無機化合物半導体が窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、参照帯域が１７〜２０ＴＨｚ、測定帯域が１〜１６ＴＨｚまたは２１〜２３ＴＨｚであることを特徴とする（１）または（２）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（４）無機化合物半導体が炭化珪素（ＳｉＣ）であり、使用する参照帯域が２５〜２７ＴＨｚ、測定帯域が２８〜３０ＴＨｚであることを特徴とする（１）または（２）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（５）無機化合物半導体が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、使用する参照帯域が８．２〜８．５ＴＨｚ、測定帯域が８．６〜８．８ＴＨｚであることを特徴とする（１）または（２）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（６）キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比により無機化合物半導体のキャリア濃度を測定することを特徴とする無機化合物半導体のキャリア濃度測定装置。
（７）テラヘルツ帯域の光波を発生させる結晶にＤＡＳＴ結晶を使用することを特徴とする（６）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定装置。
（１）キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比により無機化合物半導体のキャリア濃度を測定することを特徴とする無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（２）参照帯域はＴＯフォノン周波数とＬＯフォノン周波数の間の高反射帯域であることを特徴とする（１）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（３）無機化合物半導体が窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、参照帯域が１７〜２０ＴＨｚ、測定帯域が１〜１６ＴＨｚまたは２１〜２３ＴＨｚであることを特徴とする（１）または（２）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（４）無機化合物半導体が炭化珪素（ＳｉＣ）であり、使用する参照帯域が２５〜２７ＴＨｚ、測定帯域が２８〜３０ＴＨｚであることを特徴とする（１）または（２）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（５）無機化合物半導体が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）であり、使用する参照帯域が８．２〜８．５ＴＨｚ、測定帯域が８．６〜８．８ＴＨｚであることを特徴とする（１）または（２）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定方法。
（６）キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比により無機化合物半導体のキャリア濃度を測定することを特徴とする無機化合物半導体のキャリア濃度測定装置。
（７）テラヘルツ帯域の光波を発生させる結晶にＤＡＳＴ結晶を使用することを特徴とする（６）に記載の無機化合物半導体のキャリア濃度測定装置。
上記に例示した態様によれば、キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比により無機化合物半導体のキャリア濃度を非破壊で短時間に算出することができる。
また、本発明によれば、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、においても、キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比によりキャリア濃度を算出することができる。
また、本発明によれば、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＳｂ、ＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＳｂ、においても、キャリア濃度に依存せず反射率が一定である参照帯域、および、キャリア濃度に依存して反射率が変化する測定帯域の二つの波長のテラヘルツ光を無機化合物半導体に照射し、両光波の反射率の対比によりキャリア濃度を算出することができる。
なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本発明を満足する範囲で各種に変更することができる。
１ Ｎｄ：ＹＡＧレーザー
２ 励起光
３ 光パラメトリック発振器
４ 反射鏡
５ 透過鏡
６ ＫＴＰ結晶
７ ＫＴＰ結晶
８ 反射鏡
９ １．３μｍ二波長
１０ 反射鏡
１１ ＤＡＳＴ結晶
１２ テラヘルツ光
１３ 反射鏡
１４ 無機化合物半導体
１５ 反射鏡
１６ ＤＴＧＳ検出器
１００ 非破壊キャリア濃度測定装置
１０１ 記憶部
１０３ 光照射部
１０５ テラヘルツ光
１０７ 試料設置部
１０８ 反射光
１０９ 検出部
１１１ 反射率算出部
１１３ 読取部
２ 励起光
３ 光パラメトリック発振器
４ 反射鏡
５ 透過鏡
６ ＫＴＰ結晶
７ ＫＴＰ結晶
８ 反射鏡
９ １．３μｍ二波長
１０ 反射鏡
１１ ＤＡＳＴ結晶
１２ テラヘルツ光
１３ 反射鏡
１４ 無機化合物半導体
１５ 反射鏡
１６ ＤＴＧＳ検出器
１００ 非破壊キャリア濃度測定装置
１０１ 記憶部
１０３ 光照射部
１０５ テラヘルツ光
１０７ 試料設置部
１０８ 反射光
１０９ 検出部
１１１ 反射率算出部
１１３ 読取部
Claims (11)
- 不純物をドープした無機化合物半導体のキャリア濃度を測定するキャリア濃度測定装置であって、
テラヘルツ光に対する前記無機化合物半導体の反射率と、前記キャリア濃度との相関関係を記憶する記憶部と、
試料となる前記無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射する光照射部と、
照射された前記テラヘルツ光に対する前記無機化合物半導体の反射光を検出する検出部と、
照射された前記テラヘルツ光の強度に対する前記反射光の強度の比率を求めることにより、前記無機化合物半導体の反射率の実測値を算出する反射率算出部と、
記憶された前記相関関係を参照し、前記反射率の実測値に対応する前記試料のキャリア濃度を読み取る読取部と、
を有することを特徴とするキャリア濃度測定装置。 - 前記キャリア濃度から前記無機化合物半導体の誘電率を算出し、算出された前記誘電率から予測反射率を算出し、算出された前記予測反射率と、前記キャリア濃度との相関関係を前記記憶部に記憶することを特徴とする請求項１に記載のキャリア濃度測定装置。
- 前記無機化合物半導体が窒化ガリウム、炭化珪素及び砒化ガリウムのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のキャリア濃度測定装置。
- 前記光照射部は、ＤＡＳＴ結晶を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のキャリア濃度測定装置。
- 前記テラヘルツ光に対する前記無機化合物半導体の反射率が前記キャリア濃度に依存して変化する測定帯域のテラヘルツ光に対する前記反射率を測定反射率とし、前記テラヘルツ光に対する前記無機化合物半導体の前記反射率が前記キャリア濃度に依存して変化しない参照帯域のテラヘルツ光に対する前記反射率を参照反射率とし、前記測定反射率と、前記参照反射率とを対比して予測反射率比を算出し、算出された前記予測反射率比と、前記キャリア濃度との相関関係を前記記憶部に記憶することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のキャリア濃度測定装置。
- 前記光照射部は、前記測定帯域のテラヘルツ光および前記参照帯域のテラヘルツ光を前記試料にそれぞれ照射し、
前記反射率算出部は、前記測定帯域のテラヘルツ光を照射したとき算出された前記反射率と、前記参照帯域のテラヘルツ光を照射したとき算出された前記反射率と、を対比して、反射率比の実測値を算出し、
前記読取部は、記憶された前記反射率比と、前記キャリア濃度との前記相関関係を参照し、算出された前記反射率比の実測値に対応する前記キャリア濃度を読み取ることを特徴とする請求項５に記載のキャリア濃度測定装置。 - 前記参照帯域はＴＯフォノン周波数とＬＯフォノン周波数との間の高反射帯域であることを特徴とする請求項５または６に記載のキャリア濃度測定装置。
- 前記無機化合物半導体が窒化ガリウムであり、
前記測定帯域が１ＴＨｚ以上１６ＴＨｚ以下または２１ＴＨｚ以上２３ＴＨｚ以下であり、
前記参照帯域が１７ＴＨｚ以上２０ＴＨｚ以下であることを特徴とする請求項５乃至７いずれかに記載のキャリア濃度測定装置。 - 前記無機化合物半導体が炭化珪素であり、
前記測定帯域が２８ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下であり、
前記参照帯域が２５ＴＨｚ以上２７ＴＨｚ以下であることを特徴とする請求項５乃至７いずれかに記載のキャリア濃度測定装置。 - 前記無機化合物半導体が砒化ガリウムであり、
前記測定帯域が８．６ＴＨｚ以上８．８ＴＨｚ以下であり、
前記参照帯域が８．２ＴＨｚ以上８．５ＴＨｚ以下であることを特徴とする請求項５乃至７いずれかに記載のキャリア濃度測定装置。 - 不純物をドープした無機化合物半導体のキャリア濃度を測定するキャリア濃度測定方法であって、
テラヘルツ光に対する前記無機化合物半導体の反射率と、前記キャリア濃度との相関関係を取得するステップと、
試料となる前記無機化合物半導体にテラヘルツ光を照射するステップと、
照射された前記テラヘルツ光に対する前記無機化合物半導体の反射光を検出する検出部と、
照射された前記テラヘルツ光の強度に対する前記反射光の強度の比率を求めることにより、前記無機化合物半導体の反射率の実測値を算出するステップと、
記憶された前記相関関係を参照し、算出された前記反射率の実測値に対応する前記試料のキャリア濃度を読み取るステップと、
を含むことを特徴とするキャリア濃度測定方法。
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