JPH04250646A - 半導体結晶評価方法 - Google Patents
半導体結晶評価方法Info
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- JPH04250646A JPH04250646A JP2375991A JP2375991A JPH04250646A JP H04250646 A JPH04250646 A JP H04250646A JP 2375991 A JP2375991 A JP 2375991A JP 2375991 A JP2375991 A JP 2375991A JP H04250646 A JPH04250646 A JP H04250646A
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体結晶の評価方法に
関し、更に詳しくは、光励起によって半導体結晶中に誘
起せられるフリーキャリアーの寿命の測定を利用した半
導体結晶評価方法に関する。
関し、更に詳しくは、光励起によって半導体結晶中に誘
起せられるフリーキャリアーの寿命の測定を利用した半
導体結晶評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】室温付近の半導体結晶では、ほとんどの
電子は、価電子帯にあり、一部の電子が熱的に励起され
て伝導帯に存在する。このような半導体結晶にバンドギ
ャップよりも大きな光子エネルギーの光を照射すると、
伝導帯中に電子が、価電子帯中に正孔がそれぞれ励起さ
れる。伝導帯中の電子及び価電子帯中の正孔をフリーキ
ャリアーという。
電子は、価電子帯にあり、一部の電子が熱的に励起され
て伝導帯に存在する。このような半導体結晶にバンドギ
ャップよりも大きな光子エネルギーの光を照射すると、
伝導帯中に電子が、価電子帯中に正孔がそれぞれ励起さ
れる。伝導帯中の電子及び価電子帯中の正孔をフリーキ
ャリアーという。
【０００３】励起されたフリーキャリアーは、半導体結
晶中を拡散し、一定の確率で再結合を起こし消滅する。 このとき、バンドギャップと同じ光子エネルギーの光を
外に放出する。このような再結合を発光再結合という。 励起されたフリーキャリアーの再結合過程には、発光再
結合の他に、非発光再結合と呼ばれるものもある。一般
に半導体結晶中には、不純物や格子欠陥などに起因する
トラップと呼ばれるキャリアーの捕獲中心が多数存在す
る。フリーキャリアーがトラップに捕まると、前述のよ
うな発光再結合は起こらずにフリーキャリアーは消滅す
る。このようなフリーキャリアーの消滅過程を非発光再
結合という。
晶中を拡散し、一定の確率で再結合を起こし消滅する。 このとき、バンドギャップと同じ光子エネルギーの光を
外に放出する。このような再結合を発光再結合という。 励起されたフリーキャリアーの再結合過程には、発光再
結合の他に、非発光再結合と呼ばれるものもある。一般
に半導体結晶中には、不純物や格子欠陥などに起因する
トラップと呼ばれるキャリアーの捕獲中心が多数存在す
る。フリーキャリアーがトラップに捕まると、前述のよ
うな発光再結合は起こらずにフリーキャリアーは消滅す
る。このようなフリーキャリアーの消滅過程を非発光再
結合という。
【０００４】光照射によって励起されたフリーキャリア
ーは、前記２通りの過程のいずれかで消滅する。発光再
結合により放出される光の強度は、フリーキャリアーの
数に比例するので、ｔ＝Ｏで照射光を切った後の発光強
度の時間変化は、フリーキャリアーの寿命を反映するこ
とになる。すなわちトラップが多数存在すれば、単位時
間当りにトラップに捕獲されるフリーキャリアー数が多
くなり、発光強度は速く減少する。通常、フリーキャリ
アーの寿命は、濃度が１／ｅに減少するまでの時間τで
表わす。
ーは、前記２通りの過程のいずれかで消滅する。発光再
結合により放出される光の強度は、フリーキャリアーの
数に比例するので、ｔ＝Ｏで照射光を切った後の発光強
度の時間変化は、フリーキャリアーの寿命を反映するこ
とになる。すなわちトラップが多数存在すれば、単位時
間当りにトラップに捕獲されるフリーキャリアー数が多
くなり、発光強度は速く減少する。通常、フリーキャリ
アーの寿命は、濃度が１／ｅに減少するまでの時間τで
表わす。
【０００５】フリーキャリアーの寿命τは、トラップ濃
度ＮＴ と一定の関係があり、（１）式で与えられる。
度ＮＴ と一定の関係があり、（１）式で与えられる。
【０００６】１／τ＝σｖＮＴ
（１）
（１）
【０００７】ここでσは、捕獲断面積、
ｖはフリーキャリアーの熱速度である。（１）式から、
寿命τが長いほど、トラップ濃度ＮＴ が少ないことに
なる。半導体結晶が理想的であれば、ＮＴ はＯである
ので、寿命τが長いほど、結晶は完全に近い状態である
といえる。従って、τの大小により、半導体結晶の結晶
性の比較を行なうことができる。従来、このようなキャ
リアー寿命を光学的に測定する方法としては、文献「Ｊ
ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
６２巻（１９８７）」の３０５５頁及び、２９４６
頁によれば、光励起されたフリーキャリアーが発光再結
合することによる蛍光強度の時間依存性を測定する蛍光
寿命測定法や、あるいは、文献「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃ Ｌｅｔｔｅｒ ５１巻（１９８７）」４３９
頁及び、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔ
ｅｒ ５７巻（１９８６）」２４９頁に記載されてい
るように、光励起されたフリーキャリアーによるマイク
ロ波吸収の時間変化を測定する方法などがある。
ｖはフリーキャリアーの熱速度である。（１）式から、
寿命τが長いほど、トラップ濃度ＮＴ が少ないことに
なる。半導体結晶が理想的であれば、ＮＴ はＯである
ので、寿命τが長いほど、結晶は完全に近い状態である
といえる。従って、τの大小により、半導体結晶の結晶
性の比較を行なうことができる。従来、このようなキャ
リアー寿命を光学的に測定する方法としては、文献「Ｊ
ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
６２巻（１９８７）」の３０５５頁及び、２９４６
頁によれば、光励起されたフリーキャリアーが発光再結
合することによる蛍光強度の時間依存性を測定する蛍光
寿命測定法や、あるいは、文献「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈ
ｙｓｉｃ Ｌｅｔｔｅｒ ５１巻（１９８７）」４３９
頁及び、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔ
ｅｒ ５７巻（１９８６）」２４９頁に記載されてい
るように、光励起されたフリーキャリアーによるマイク
ロ波吸収の時間変化を測定する方法などがある。
【０００８】フリーキャリアーの寿命は、通常数＋ｐＳ
〜数μＳまで、対象とする半導体結晶の種類、製法、結
晶性の違いにより広い範囲にわたっている。従って、蛍
光寿命の測定には高速の信号処理系とストリークカメラ
などの高感度かつ高速の光検出器などが必要となる。ま
た、フリーキャリアーによるマイクロ波吸収の時間変化
を測定する場合も同様に、高速の信号処理系と高速のマ
イクロ波吸収測定系が必要となる。さらに、いずれの測
定法でも、寿命τよりも短いパルス幅のパルス光源が必
要である。十分な強度のパルス光を得るためには、モー
ドロック機構や、Ｑスイッチ機構を備えた高価なレーザ
ー装置が必要である。また、パルス幅が寿命と同程度あ
るいは、寿命よりも長い場合には、デコンボリューショ
ンと呼ばれる数値処理を行なう必要がある。
〜数μＳまで、対象とする半導体結晶の種類、製法、結
晶性の違いにより広い範囲にわたっている。従って、蛍
光寿命の測定には高速の信号処理系とストリークカメラ
などの高感度かつ高速の光検出器などが必要となる。ま
た、フリーキャリアーによるマイクロ波吸収の時間変化
を測定する場合も同様に、高速の信号処理系と高速のマ
イクロ波吸収測定系が必要となる。さらに、いずれの測
定法でも、寿命τよりも短いパルス幅のパルス光源が必
要である。十分な強度のパルス光を得るためには、モー
ドロック機構や、Ｑスイッチ機構を備えた高価なレーザ
ー装置が必要である。また、パルス幅が寿命と同程度あ
るいは、寿命よりも長い場合には、デコンボリューショ
ンと呼ばれる数値処理を行なう必要がある。
【０００９】一般に、前記の高速信号処理系や、高速光
検出器、パルス光源などの装置は、高価であり、従って
、前記方法の実施には多大の費用と時間を要するという
問題点がある。
検出器、パルス光源などの装置は、高価であり、従って
、前記方法の実施には多大の費用と時間を要するという
問題点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題点を解決するために、半導体結晶の結晶性を、簡便
かつ短時間に評価するための方法を提供することである
。
問題点を解決するために、半導体結晶の結晶性を、簡便
かつ短時間に評価するための方法を提供することである
。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半絶縁性を有する半導体結晶に、該半導
体結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーの
連続光を照射し、該半導体結晶から発せられる発光の強
度を測定し、該発光強度の該照射光強度に対する依存度
を求めることを特徴とする。更に、前記発光測定が、該
半導体結晶中の電子と正孔の、不純物や格子欠陥を介し
ない再結合による発光の測定であることを特徴とする。
成するために、半絶縁性を有する半導体結晶に、該半導
体結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーの
連続光を照射し、該半導体結晶から発せられる発光の強
度を測定し、該発光強度の該照射光強度に対する依存度
を求めることを特徴とする。更に、前記発光測定が、該
半導体結晶中の電子と正孔の、不純物や格子欠陥を介し
ない再結合による発光の測定であることを特徴とする。
【００１２】
【作用】本発明方法において対象とする、半絶縁性を有
する半導体結晶とは、該半導体結晶の比抵抗が１×１０
７ Ωｃｍ以上の半導体結晶である。例えば半絶縁性砒
化ガリウム（ＧａＡｓ）、半絶縁性燐化ガリウム（Ｇａ
Ｐ）や半絶縁性テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）などが
一例として上げられる。半導体結晶にバンドギャップ以
上の光子エネルギーの光を照射すると、半導体結晶中に
は過剰のフリーキャリアーが発生する。前記半絶縁性Ｇ
ａＡｓならば、室温で約１．４７ｅＶ、ＧａＰならば約
２．２６ｅＶ、ＣｄＴｅならば約１．５６ｅＶ以上の光
子エネルギーの紫外から赤外域までの光であればよい。 ただし、本発明で測定する発光の光子エネルギーは、ほ
ぼバンドギャップと一致するので、照射光の光子エネル
ギーは、フィルターあるいは分光器などで、発光と明確
に分離できるように選択する必要がある。
する半導体結晶とは、該半導体結晶の比抵抗が１×１０
７ Ωｃｍ以上の半導体結晶である。例えば半絶縁性砒
化ガリウム（ＧａＡｓ）、半絶縁性燐化ガリウム（Ｇａ
Ｐ）や半絶縁性テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）などが
一例として上げられる。半導体結晶にバンドギャップ以
上の光子エネルギーの光を照射すると、半導体結晶中に
は過剰のフリーキャリアーが発生する。前記半絶縁性Ｇ
ａＡｓならば、室温で約１．４７ｅＶ、ＧａＰならば約
２．２６ｅＶ、ＣｄＴｅならば約１．５６ｅＶ以上の光
子エネルギーの紫外から赤外域までの光であればよい。 ただし、本発明で測定する発光の光子エネルギーは、ほ
ぼバンドギャップと一致するので、照射光の光子エネル
ギーは、フィルターあるいは分光器などで、発光と明確
に分離できるように選択する必要がある。
【００１３】本発明で使用する連続光とは、レーザー光
の連続発振光や水銀ランプなどのランプ光源から発せら
れる光をさす。使用する光源はどのようなものでもよい
が、充分な照射強度を得、試料上に効率良く照射光を集
光するためには、レーザー光が望ましい。
の連続発振光や水銀ランプなどのランプ光源から発せら
れる光をさす。使用する光源はどのようなものでもよい
が、充分な照射強度を得、試料上に効率良く照射光を集
光するためには、レーザー光が望ましい。
【００１４】照射の方法としては、照射光を適当な光学
系で０．１〜１ｍｍ程度のビーム径に集光し、試料に照
射するとよい。このとき該試料からは、種々の光子エネ
ルギーの発光が発せられる。これらの発光の原因には、
大きくわけて二つあり、一つは、電子と正孔が不純物や
格子欠陥を介して発光するもので、他の一つは、不純物
や格子欠陥を介さずに発光するもので、すなわち、電子
と正孔が直接に発光再結合したり、励起子を形成した後
で発光再結合するものである。本発明は、後者の不純物
や格子欠陥を介さない場合の発光の強度を測定するもの
である。
系で０．１〜１ｍｍ程度のビーム径に集光し、試料に照
射するとよい。このとき該試料からは、種々の光子エネ
ルギーの発光が発せられる。これらの発光の原因には、
大きくわけて二つあり、一つは、電子と正孔が不純物や
格子欠陥を介して発光するもので、他の一つは、不純物
や格子欠陥を介さずに発光するもので、すなわち、電子
と正孔が直接に発光再結合したり、励起子を形成した後
で発光再結合するものである。本発明は、後者の不純物
や格子欠陥を介さない場合の発光の強度を測定するもの
である。
【００１５】該発光強度の測定は、通常用いられている
、フォトルミネッセンス測定系で行なうのが適当である
。すなわち、該発光をフィルターあるいは分光器などで
分光し、光電子増倍管や半導体光検出器等により発光強
度を測定するものである。フィルターあるいは分光器の
分光波長を発光スペクトルのピーク位置に固定し、照射
光の強度を変えつつ発光強度を記録することにより、照
射光強度に対する発光強度の依存度を測定するものであ
る。照射光強度を２〜３桁変化させたときの、発光強度
を記録し、回帰分析で、発光強度が照射光強度の何乗に
比例するかを求める。照射光の強度変化は、光路に中性
フィルターを挿入する手法で行なうのが有効である。 照射光強度と、発光強度の関係は次式で表わされる。
、フォトルミネッセンス測定系で行なうのが適当である
。すなわち、該発光をフィルターあるいは分光器などで
分光し、光電子増倍管や半導体光検出器等により発光強
度を測定するものである。フィルターあるいは分光器の
分光波長を発光スペクトルのピーク位置に固定し、照射
光の強度を変えつつ発光強度を記録することにより、照
射光強度に対する発光強度の依存度を測定するものであ
る。照射光強度を２〜３桁変化させたときの、発光強度
を記録し、回帰分析で、発光強度が照射光強度の何乗に
比例するかを求める。照射光の強度変化は、光路に中性
フィルターを挿入する手法で行なうのが有効である。 照射光強度と、発光強度の関係は次式で表わされる。
【００１６】
【数２】
【００１７】ここで、Ｉは発光強度、ψは単位時間当た
りに生成されるキャリアー数で、照射光強度に比例する
量である、ｒは単位時間当たりに１組みの電子、正孔対
が発光再結合により消滅する確率で、結晶固有の定数で
ある。発光強度の照射光強度に対する依存度を明確にす
るために、（２）式を変形すると、（３）のようになる
。
りに生成されるキャリアー数で、照射光強度に比例する
量である、ｒは単位時間当たりに１組みの電子、正孔対
が発光再結合により消滅する確率で、結晶固有の定数で
ある。発光強度の照射光強度に対する依存度を明確にす
るために、（２）式を変形すると、（３）のようになる
。
【００１８】
【数３】
【００１９】τとｒが一定であるならば、Ｓはψが小さ
いところでほとんど２となりψが大きくなるにしたがっ
て連続的に減少し１に近づく。従って、それぞれ、寿命
の異なる２種類の試料について、（３）式のＳを求めれ
ば、２試料の寿命の比が求められる。つまり、２種類の
試料の寿命とＳの値をそれぞれτ１、τ２ 、Ｓ１ 、
Ｓ２ とすれば、ｒは２試料について共通なので、（４
）のようになる。
いところでほとんど２となりψが大きくなるにしたがっ
て連続的に減少し１に近づく。従って、それぞれ、寿命
の異なる２種類の試料について、（３）式のＳを求めれ
ば、２試料の寿命の比が求められる。つまり、２種類の
試料の寿命とＳの値をそれぞれτ１、τ２ 、Ｓ１ 、
Ｓ２ とすれば、ｒは２試料について共通なので、（４
）のようになる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
【実施例】成長直後の結晶及び、成長後にインゴットア
ニールを施した比抵抗約２×１０７ Ωｃｍの半絶縁性
ＧａＡｓ結晶について、本発明により、フリーキャリア
ーの寿命を比較評価した結果を以下に示す。以後、成長
直後の結晶をアズグローン結晶、成長後にインゴットア
ニールを施した結晶をインゴットアニール結晶と呼ぶ。 ＧａＡｓ結晶のバンドギャップは約１．４７ｅＶなので
、照射光の光源には、２．４１ｅＶのアルゴンイオンレ
ーザー光（波長：５１４．５ｎｍ）を用いた。ＧａＡｓ
結晶の場合は、発光スペクトルのピークが１．４３ｅＶ
にあるので、分光波長を該ピークに固定した分光器によ
り該発光を分光し、光電子増倍管で検出し、強度測定を
行なった。測定は室温で行なった。照射光強度は、照射
光の光路中に中性フィルターを挿入して変化させた。
ニールを施した比抵抗約２×１０７ Ωｃｍの半絶縁性
ＧａＡｓ結晶について、本発明により、フリーキャリア
ーの寿命を比較評価した結果を以下に示す。以後、成長
直後の結晶をアズグローン結晶、成長後にインゴットア
ニールを施した結晶をインゴットアニール結晶と呼ぶ。 ＧａＡｓ結晶のバンドギャップは約１．４７ｅＶなので
、照射光の光源には、２．４１ｅＶのアルゴンイオンレ
ーザー光（波長：５１４．５ｎｍ）を用いた。ＧａＡｓ
結晶の場合は、発光スペクトルのピークが１．４３ｅＶ
にあるので、分光波長を該ピークに固定した分光器によ
り該発光を分光し、光電子増倍管で検出し、強度測定を
行なった。測定は室温で行なった。照射光強度は、照射
光の光路中に中性フィルターを挿入して変化させた。
【００２２】測定の結果得られた、発光強度と照射光強
度の関係を図１に示す。図の横軸は照射光強度、縦軸は
発光強度をそれぞれ対数表示で表わしてある。図中、●
印はアズグローン結晶、○印はインゴットアニール結晶
についての測定点をそれぞれ示してある。
度の関係を図１に示す。図の横軸は照射光強度、縦軸は
発光強度をそれぞれ対数表示で表わしてある。図中、●
印はアズグローン結晶、○印はインゴットアニール結晶
についての測定点をそれぞれ示してある。
【００２３】回帰分析の結果、アズグローン結晶では、
発光強度が励起強度の１．７２乗に比例しており、イン
ゴットアニール結晶では、１．６３乗に比例していた。 これらの分析結果をもとに、（４）式からフリーキャリ
アーの寿命の比を計算すると、インゴットアニール結晶
のフリーキャリアー寿命がアズグローン結晶のフリーキ
ャリアー寿命に比べ１．１４倍長いことが分かる。した
がって、本発明により、ＧａＡｓ結晶の結晶性がインゴ
ットアニールで向上することの評価ができた。
発光強度が励起強度の１．７２乗に比例しており、イン
ゴットアニール結晶では、１．６３乗に比例していた。 これらの分析結果をもとに、（４）式からフリーキャリ
アーの寿命の比を計算すると、インゴットアニール結晶
のフリーキャリアー寿命がアズグローン結晶のフリーキ
ャリアー寿命に比べ１．１４倍長いことが分かる。した
がって、本発明により、ＧａＡｓ結晶の結晶性がインゴ
ットアニールで向上することの評価ができた。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、パル
ス光源やストリークカメラなどの高価な測定装置を使用
することなく、通常のフォトルミネッセンス装置で、発
光強度の照射光強度依存度を測定することにより、半絶
縁性半導体結晶の結晶性が比較できる。
ス光源やストリークカメラなどの高価な測定装置を使用
することなく、通常のフォトルミネッセンス装置で、発
光強度の照射光強度依存度を測定することにより、半絶
縁性半導体結晶の結晶性が比較できる。
【図１】本発明の実施例で測定した、発光強度の照射光
強度依存度を表すグラフである。
強度依存度を表すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項１】 半絶縁性を有する半導体結晶に、該半
導体結晶のバンドギャップよりも大きい光子エネルギー
の連続光を照射し、該半導体結晶から発せられる発光の
強度を測定し、該発光強度の該照射光強度に対する依存
度を求めることを特徴とする半導体結晶評価方法。 - 【請求項２】 請求項第１項記載の発光測定が、該半
導体結晶中の電子と正孔の、不純物や格子欠陥を介しな
い再結合による発光の測定であることを特徴とする半導
体結晶評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2375991A JPH04250646A (ja) | 1991-01-25 | 1991-01-25 | 半導体結晶評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2375991A JPH04250646A (ja) | 1991-01-25 | 1991-01-25 | 半導体結晶評価方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04250646A true JPH04250646A (ja) | 1992-09-07 |
Family
ID=12119263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2375991A Pending JPH04250646A (ja) | 1991-01-25 | 1991-01-25 | 半導体結晶評価方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04250646A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6861650B2 (en) | 2001-01-31 | 2005-03-01 | Hamamatsu Photonics K.K. | Electron beam detector, scanning type electron microscope, mass spectrometer, and ion detector |
| JP2013211313A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Mitsubishi Chemicals Corp | 周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法および製造方法 |
-
1991
- 1991-01-25 JP JP2375991A patent/JPH04250646A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6861650B2 (en) | 2001-01-31 | 2005-03-01 | Hamamatsu Photonics K.K. | Electron beam detector, scanning type electron microscope, mass spectrometer, and ion detector |
| JP2013211313A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Mitsubishi Chemicals Corp | 周期表第１３族金属窒化物半導体基板の検査方法および製造方法 |
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