JPH01181434A - Beam modulated spectroscope - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、半導体材料のキャラクタリゼーションや半導
体デバイスの開発に用いられるビーム変調分光装置に関
するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a beam modulation spectrometer used in the characterization of semiconductor materials and the development of semiconductor devices.
（従来技術・発明が解決しようとする課題〕半導体結晶
のエネルギーバンド構造パラメータを実験的に決定する
方法として、従来から変調分光法が知られている。この
方法では、結晶に外部からパルス状の電界、圧力、また
は温度に加え、これにより引ぎ起こされる誘電率の変化
分のみを分光ビームの反射率変化分としてロックイン増
幅器などによりフエーズセンシチイブに検出する。(Prior Art/Problem to be Solved by the Invention) Modulation spectroscopy has been known as a method for experimentally determining the energy band structure parameters of semiconductor crystals.In this method, pulsed In addition to electric field, pressure, or temperature, only the change in permittivity caused by this is phase-sensitively detected as a change in reflectance of the spectral beam using a lock-in amplifier or the like.
そのため、測定時のバックグラウンド雑音を除去でき、
極めて高精度な分光測定が可能となる。Therefore, background noise can be removed during measurement.
Extremely high-precision spectroscopic measurements are possible.
特に、最も＾い測定精度が得られる電界変調分光法は、
現在、半導体物理現象の理解だけでなく、エレクトロニ
クス用半導体材料の重要なキャラクタリゼーション技術
となっている。しかし、電界変調分光法には、以下の問
題がある。即ち、（１）結晶に局所的な高電界（１０’
Ｖ／ｃｍ以上）を印加するため、その表面にショットキ
ー電極等を形成する必要がある。そのため、電子（また
は正孔）濃度が１０″〜１０”ａｓ４の範囲内にある結
晶のみが測定対象となり、電子（または正孔）濃度が１
０’ｃ＊’以上の結晶や半絶縁性結晶には適用できない
。In particular, electric field modulation spectroscopy, which provides the highest measurement accuracy,
Currently, it has become an important technology not only for understanding semiconductor physical phenomena but also for the characterization of semiconductor materials for electronics. However, electric field modulation spectroscopy has the following problems. That is, (1) a local high electric field (10'
V/cm or more), it is necessary to form a Schottky electrode or the like on the surface. Therefore, only crystals with an electron (or hole) concentration within the range of 10" to 10" as4 are to be measured, and the electron (or hole) concentration is 1
It cannot be applied to crystals of 0'c*' or more or semi-insulating crystals.
（２）ショットキー電極やオーミック電極など金属電極
を必要とするため、非破壊の測定ができない。(2) Since metal electrodes such as Schottky electrodes and ohmic electrodes are required, non-destructive measurements cannot be performed.
（３）技術的にショットキー電極の形成可能な、せいぜ
い１−までの領域にわたる平均的情報が得られ、μｍキ
ャラクタリゼーションがむずかしい。(3) Average information over a region up to 1- at most, which is technically possible to form a Schottky electrode, is obtained, making μm characterization difficult.
上記問題点のため、電界変調分光法は、近年急速に開発
の進んでいる半絶縁性結晶やエピタキシャル成長ＭＩ１
Ｍのμｍキャラクタリゼーションに対しては全く無力で
あった。そのため、これに代わる新しい、かつ汎用的な
測定法の開発が切望されていた。Due to the above-mentioned problems, electric field modulation spectroscopy has been developed using semi-insulating crystals and epitaxial growth MI1, which have been rapidly developed in recent years.
It was completely powerless for μm characterization of M. Therefore, there has been a strong desire to develop a new and versatile measurement method to replace this.
本発明は、これらの欠点を除去するため為されたもので
、パルス状の電子ビーム、または光ビームを変調源とし
て用いる事により、如何なる伝導特性を持つ半導体結晶
に対しても、金属電極を形成することなく、微小領域の
エネルギーバンド構造パラメータを決定することを可能
にしたものである。The present invention was made to eliminate these drawbacks, and by using a pulsed electron beam or light beam as a modulation source, it is possible to form a metal electrode on a semiconductor crystal with any conductive property. This makes it possible to determine the energy band structure parameters of a minute region without having to
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、半導体結晶に分光ビームを照射する光源と、
上記半導体結晶に電子ビームまたは光ビームのパルスを
照射してキャリアを発生させるビームソースと、上記半
導体結晶において上記キせリアが発生したときに引き起
こされる誘電率の変化分を分光ビームの反射率の変化分
として位相検波する検波器とを具備してなることを特徴
とするものである。[Means for Solving the Problems] The present invention provides a light source that irradiates a semiconductor crystal with a spectral beam;
A beam source that generates carriers by irradiating the semiconductor crystal with a pulse of an electron beam or a light beam; and a beam source that generates carriers by irradiating the semiconductor crystal with a pulse of an electron beam or a light beam; The present invention is characterized in that it is equipped with a detector that detects the phase as a variation.
第１図は、本発明の一実施例を示１図である。 FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
この図の装置においては、ビームソース（電子ビームま
たはレーザビームソース）１からのビームをビーム変調
用チョッパ（ライトチ］ツバまたはビームブランキング
装置）３によりパルス電子ビーム１１とし、このパルス
電子ビーム１１を試料（半導体結晶）８に照射する。一
方、白色光源１２からの光を分光器２で分光すると共に
この分光器２により分光されたビーム９を試料８に照射
し、その反射光ビーム１０の強度を光検出器４で受光し
その信号をロックイン増幅器（検波器）５を通してレコ
ーダ７にトレースさせる。エレクトロニックサーボ６は
光検出器４の受光感度を制御するサーボ式高圧電源で、
このエレクトロニックサーボ６により種々の波長を有す
る分光ビーム９に対して光検出器４の直流出力を常に一
定に保持することができる。この条件下では、ロックイ
ン増幅器５の出力は試料８に加えた外部からの変調成分
、即ち電子ビーム１１により変調された反射率信号、の
みを高感度に検出できる。In the apparatus shown in this figure, a beam from a beam source (electron beam or laser beam source) 1 is converted into a pulsed electron beam 11 by a beam modulating chopper (light beam or beam blanking device) 3. A sample (semiconductor crystal) 8 is irradiated. On the other hand, the light from the white light source 12 is separated by a spectrometer 2, and the beam 9 separated by the spectrometer 2 is irradiated onto the sample 8. The intensity of the reflected light beam 10 is received by the photodetector 4 and its signal is is traced by the recorder 7 through the lock-in amplifier (detector) 5. The electronic servo 6 is a servo type high voltage power supply that controls the light receiving sensitivity of the photodetector 4.
This electronic servo 6 allows the DC output of the photodetector 4 to be kept constant for the spectral beams 9 having various wavelengths. Under this condition, the output of the lock-in amplifier 5 can detect only the external modulation component applied to the sample 8, that is, the reflectance signal modulated by the electron beam 11 with high sensitivity.
次にパルス電子ビーム１１を用いることにより得られる
変調効果について説明する。第２図は、半絶縁性結晶に
電子ビームパルス変調を加えた場合の、結晶表面近傍の
バンド変形と表面電界発生の様子を示す。第２図（ａ）
は、電子ビーム１１が照射されない条件下での表面のバ
ンド図であり、反射光測定用入射分光ビーム９の入射領
１１ｉ（ｄ）において表面バンドはフラットであり表面
電界は存在しない。一方、第２図（ｂ）は、電子ビーム
１１が照射されたときのバンドの変形を示す。図に丞し
たように、電子ビーム１１により表面近傍に光。Next, the modulation effect obtained by using the pulsed electron beam 11 will be explained. FIG. 2 shows band deformation near the crystal surface and surface electric field generation when electron beam pulse modulation is applied to a semi-insulating crystal. Figure 2(a)
is a band diagram of the surface under conditions where the electron beam 11 is not irradiated, and the surface band is flat in the incident region 11i (d) of the incident spectral beam 9 for reflected light measurement, and there is no surface electric field. On the other hand, FIG. 2(b) shows the deformation of the band when the electron beam 11 is irradiated. As shown in the figure, the electron beam 11 emits light near the surface.
キャリア１３が発生し、伝導帯、及び価電子帯は変形し
、表面に局所した電界が発生する。この条件下では、結
晶表面からの分光反射光１０の強度（ＩＲｌ）は、第２
図（ａ）の反射１１ｆ（ＩＲ）、！：は異なる。したが
って、結晶に電子ビーム１１を照射したことにより発生
した表面電界により、反射光強度において、ΔＩＲ＝Ｉ
Ｒ−ＩＲ１、だけの変化が誘起されたことになる。この
反射光強度差（ΔｌＲ）は、時間に対して、第２図（Ｃ
）に示すごとく、Ｔ２の周期（パルスビームの周期）で
繰り返される。従って、第１図に示した装置構成では、
任意の波長（λ）を有する分光ビーム９に対しパルス電
子ビーム１１により変調された反射強度差（ΔＩＲ）は
、分光入射ビーム９の波長（λ）を走査した時、その値
が測定半導体結晶のバンドＶヤップエネルギー（Ｅａ）
に対応する波長（λｇ）になるところで、急激に増大す
る。そのため、パルス電子ビーム１１の変調周波数に同
期されたロックイン増幅器５を通すことにより、急峻な
スペクトルがレコーグ７上に記録され、ＥＱの値をきわ
めて精度良く求める事が出来る。Carriers 13 are generated, the conduction band and valence band are deformed, and a local electric field is generated on the surface. Under this condition, the intensity (IRl) of the spectral reflected light 10 from the crystal surface is
Reflection 11f (IR) in figure (a),! : is different. Therefore, due to the surface electric field generated by irradiating the crystal with the electron beam 11, in the reflected light intensity, ΔIR=I
This means that a change of only R-IR1 was induced. This reflected light intensity difference (ΔlR) is expressed as a function of time in Figure 2 (C
), it is repeated at a period of T2 (period of the pulsed beam). Therefore, in the device configuration shown in FIG.
The reflection intensity difference (ΔIR) modulated by the pulsed electron beam 11 with respect to the spectral beam 9 having an arbitrary wavelength (λ) is determined by the difference in reflection intensity (ΔIR) of the measured semiconductor crystal when the wavelength (λ) of the spectral incident beam 9 is scanned. Band V Yap Energy (Ea)
It increases rapidly at the wavelength (λg) corresponding to . Therefore, by passing the pulsed electron beam 11 through the lock-in amplifier 5 synchronized with the modulation frequency, a steep spectrum is recorded on the record 7, and the EQ value can be determined with extremely high accuracy.
以上の説明で明らかになったように、本発明に依り、従
来の変調分光法では不可能であった半絶縁性結晶のバン
ドギャップエネルギー（ＥＱ）をＢｖ１度に求めること
が可能になった。更に、金属電極が不用になるので非破
壊での測定が可能となるとともに、ビームを用いるので
、μｍ程度の空間分解能で微小領域のＦｇを決定するこ
とが可能となる。As has become clear from the above description, the present invention has made it possible to determine the bandgap energy (EQ) of a semi-insulating crystal at 1 degree Bv, which was impossible with conventional modulation spectroscopy. Furthermore, since metal electrodes are not required, non-destructive measurement is possible, and since a beam is used, it is possible to determine Fg in a minute area with a spatial resolution on the order of μm.
以上、パルス電子ビームを用いた場合を説明したが、Ｅ
Ｑより大きいエネルギーを有するパルスレーザビームを
用いたときも全く同様の原理による変調効果が生じる。Above, we have explained the case using a pulsed electron beam, but E
A modulation effect based on exactly the same principle occurs when a pulsed laser beam having an energy greater than Q is used.
また、半絶縁性結晶以外の他の伝導特性、ｎ型またはｐ
型、を有する結晶の場合も、同様の原理により、パルス
ビーム照射により高精度なＥＱ決定が可能となることは
明らかである。Also, other conductive properties other than semi-insulating crystals, n-type or p-type
It is clear that even in the case of a crystal having a type , highly accurate EQ determination is possible by pulse beam irradiation based on the same principle.
次に、本発明の装置を用いて測定した例に基づいて説明
する。第３図は、本発明によるＥＱ測測定用いた試料の
構成図を示すもので、■−■族化合物半導体であるＧａ
Ａｓの半絶縁性結晶基板１４上に、分子線エピタキシ１
フル法により約３μｍ厚のＡ ｊ Ｇ ａ ｏ、
７２ Ａ Ｓ １１膜１５を１０μ０．２８
ｍの間隔（ｐ）で選択的に成長させたもので、変・調用
レーザビーム１１として、直径３μｍのパルスＡｒイオ
ンレーザビームを使用した。入射分光ビーム９の直径（
Ｄ）は約１０００μｍである。第４図は、測定結果を示
すもので、入射分光ビーム９を試料表面に照射しつつ、
Ａｒイオンレーザスポットの位置を約２μｍ間隔で移動
したときに得られたＥ（ｌの面内分布である。図から明
らかなようＧａ Ａｓｌ膜１５１７）１．７２”
” ０．２８ ０．７２
ｅＶのバンドギャップ信号の間に、ＧａＡＳ結晶１４の
バンドギャップ信号、Ｅ Ｑ ＝ １．４３ ｅＶが１
０〜２０μ而の間のスポット位置で検出されており、本
装置の基本性能が確認された。本発明により得られる空
間的分解能は、レーザまたは電子ビームの直径に強く依
存する。限界値はおおよそ１〜２μｍであった。Next, an explanation will be given based on an example measured using the apparatus of the present invention. FIG. 3 shows a configuration diagram of a sample used for EQ measurement according to the present invention.
Molecular beam epitaxy 1 is performed on a semi-insulating crystal substrate 14 of As.
A j Ga o with a thickness of about 3 μm by the full method,
72A S 11 films 15 were selectively grown at intervals (p) of 10 μm and 0.28 m, and a pulsed Ar ion laser beam with a diameter of 3 μm was used as the laser beam 11 for modulation/modulation. The diameter of the incident spectral beam 9 (
D) is approximately 1000 μm. Figure 4 shows the measurement results.While irradiating the sample surface with the incident spectral beam 9,
This is the in-plane distribution of E(l) obtained when the position of the Ar ion laser spot was moved at intervals of about 2 μm.As is clear from the figure, the GaAsl film 1517) was 1.72"
” Between the bandgap signals of 0.28 and 0.72 eV, the bandgap signal of the GaAS crystal 14, E Q = 1.43 eV, is 1
It was detected at a spot position between 0 and 20μ, confirming the basic performance of this device. The spatial resolution obtained by the present invention is strongly dependent on the diameter of the laser or electron beam. The limit value was approximately 1-2 μm.
以上の説明から明らかなように、本発明の装置では、電
子ビームまたは光ビームを変調源として用いるので、試
料表面の微小領域でのバンドギャップエネルギー（Ｅｑ
）を高精度に測定することが出来る。従って、試料表面
をビーム走査することにより、Ｅｇの結晶面内における
２次元分布を測定できるので、化合物半導体固溶体薄膜
結晶の不均一性の定量的評価に利用すれば極めて有効で
ある。また本発明は、如何なる伝導特性を持つ半導体結
晶に対しても、金属電極を形成することなく、微小領域
のエネルギーバンド構造パラメータを決定することが可
能である。As is clear from the above explanation, since the apparatus of the present invention uses an electron beam or a light beam as a modulation source, the band gap energy (Eq
) can be measured with high precision. Therefore, by scanning the sample surface with a beam, it is possible to measure the two-dimensional distribution of Eg within the crystal plane, which is extremely effective when used for quantitative evaluation of the non-uniformity of compound semiconductor solid solution thin film crystals. Furthermore, the present invention makes it possible to determine the energy band structure parameters of a minute region of a semiconductor crystal having any conductive characteristics without forming a metal electrode.
第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図（
ａ）〜（Ｃ）はパルス電子ビーム照射により得られる変
調効果を説明するための図であって、同図（ａ）および
（ｂ）は半絶縁結晶に電子ビームパルス変調を加えた場
合の結晶表面近傍のバンド変形と表面電界発生の状況を
示す図、同図（Ｃ）はパルスビーム照射による表面電界
及び反射光強度差の時間的変化の様子を示す図、第３図
は本発明の装置によるバンドギャップエネルギー測定に
用いた試料の構成図、第４図は第３図の試料を用いた測
定結果を承り図である。
１・・・・・・ビームソース（電子ビームまたはレーザ
ビームソース）、
２・・・・・・分光器、
３・・・・・・ビーム変調用チョッパ（ライトチョッパ
またはビームブランキング装置）、
４・・・・・・光検出器、
５・・・・・・検波器（ロックイン増幅器）、６・・・
・・・エレクトロニックサーボ、７・・・・・・レコー
ダ、
８・・・・・・半導体結晶（試料）、
９・・・・・・入射分光ビーム、
１０・・・・・・反射分光ビーム、
１１・・・・・・パルスレーザビームまたはパルス電子
ビーム、
１２・・・・・・光ｍ（白色光源）、
１３・・・・・・ビーム照射により発生した表面光キャ
リア、
１４・・・・・・半絶縁性ＧａＡｓ結晶基板、１５・・
・・・・ＡＪ Ｇａ Ａｓ薄膜。
０．２８ ０．７２
出願人 日本電信°電話株式会社
第４図Figure 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the present invention, Figure 2 (
Figures a) to (C) are diagrams for explaining the modulation effect obtained by pulsed electron beam irradiation, and Figures (a) and (b) show the crystals when electron beam pulse modulation is applied to a semi-insulating crystal. A diagram showing band deformation near the surface and generation of a surface electric field. Figure (C) is a diagram showing temporal changes in the surface electric field and reflected light intensity difference due to pulsed beam irradiation. Figure 3 shows the device of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the measurement results using the sample shown in FIG. 3. 1... Beam source (electron beam or laser beam source), 2... Spectrometer, 3... Beam modulation chopper (light chopper or beam blanking device), 4 ...Photodetector, 5...Detector (lock-in amplifier), 6...
...Electronic servo, 7... Recorder, 8... Semiconductor crystal (sample), 9... Incident spectral beam, 10... Reflected spectral beam, 11...Pulsed laser beam or pulsed electron beam, 12...Light m (white light source), 13...Surface photocarriers generated by beam irradiation, 14...・Semi-insulating GaAs crystal substrate, 15...
...AJ Ga As thin film. 0.28 0.72 Applicant Nippon Telegraph Telephone Corporation Figure 4
Claims (1)
体結晶に電子ビームまたは光ビームのパルスを照射して
キャリアを発生させるビームソースと、上記半導体結晶
において上記キャリアが発生したときに引き起こされる
誘電率の変化分を分光ビームの反射率の変化分として位
相検波する検波器とを具備してなることを特徴とするビ
ーム変調分光装置。A light source that irradiates a semiconductor crystal with a spectral beam; a beam source that irradiates the semiconductor crystal with a pulse of an electron beam or a light beam to generate carriers; and a dielectric constant that is caused when the carriers are generated in the semiconductor crystal. 1. A beam modulation spectroscopic device comprising: a detector that detects the phase of the change as a change in the reflectance of a spectral beam.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63002210A JPH0787212B2 (en) | 1988-01-08 | 1988-01-08 | Beam modulation spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63002210A JPH0787212B2 (en) | 1988-01-08 | 1988-01-08 | Beam modulation spectrometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01181434A true JPH01181434A (en) | 1989-07-19 |
| JPH0787212B2 JPH0787212B2 (en) | 1995-09-20 |
Family
ID=11522987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63002210A Expired - Lifetime JPH0787212B2 (en) | 1988-01-08 | 1988-01-08 | Beam modulation spectrometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0787212B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004075284A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-02 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Method for judging quality of semiconductor epitaxial crystal wafer and wafer manufacturing method using the same |
| JP2013538339A (en) * | 2010-07-21 | 2013-10-10 | アイメック | Method for determining active dopant profile |
-
1988
- 1988-01-08 JP JP63002210A patent/JPH0787212B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004075284A1 (en) * | 2003-02-21 | 2004-09-02 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Method for judging quality of semiconductor epitaxial crystal wafer and wafer manufacturing method using the same |
| JP2013538339A (en) * | 2010-07-21 | 2013-10-10 | アイメック | Method for determining active dopant profile |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0787212B2 (en) | 1995-09-20 |
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