(57)【要約】【課題】簡単、低コストで効率的に電気伝導率、移動度、及び不純物準位の特定が可能な弾性表面波を用いた半導体の電気伝導特性の非接触測定方法及びその装置を提供する。【解決手段】両側に入力電極１１及び出力電極１２を備えた平板状の圧電体１３の入力電極１１及び出力電極１２の間の領域に対して、隙間を設けて平板状の半導体１４を平行に配置する第１工程と、入力電極１１に高周波入力電圧を印加して圧電体１３に弾性表面波を発生させ、弾性表面波に伴う交流電界を半導体１４に印加しながら弾性表面波を出力電極１２に向けて移動させて、出力電極１２で弾性表面波による高周波出力電圧を測定する第２工程と、高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔから、弾性表面波が入力電極１１から出力電極１２に移動する伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎを演算し、伝搬率を用いて半導体１４の電気伝導率の相対値を求める第３工程とを有する。【選択図】図２
2010281640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側にそれぞれ入力電極及び出力電極を備えた平板状の圧電体の表面で該入力電極及び該出力電極の間の領域に対して、隙間を設けて平板状の半導体を該圧電体に平行に配置する第１工程と、
前記半導体の温度を変化させて、各温度毎に前記入力電極に高周波入力電圧を印加して前記圧電体の表面に弾性表面波を発生させ、該弾性表面波に伴って発生する交流電界を前記半導体に印加しながら該弾性表面波を前記出力電極に向けて移動させて、該出力電極で該弾性表面波による高周波出力電圧を測定する第２工程と、
各温度で測定した前記高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び前記高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔから、各温度毎に前記弾性表面波が前記入力電極から前記出力電極に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、該伝搬率を用いて前記半導体の電気伝導率の相対値を求める第３工程とを有することを特徴とする半導体の電気伝導特性の非接触測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、前記電気伝導率の前記半導体の温度の逆数に対する温度依存性から前記半導体中の不純物原子の電子の束縛準位を求めることを特徴とする半導体の電気伝導特性の非接触測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、前記高周波入力電圧の前記振幅電圧値Vｉｎ及び周波数をそれぞれ調整し、前記振幅電圧値Vｏｕｔの最大値を求めることを特徴とする半導体の電気伝導特性の非接触測定方法。
【請求項４】
請求項２及び３のいずれか１項に記載の半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、前記圧電体の表面と前記半導体との間に設けられる前記隙間は１〜１０μｍであることを特徴とする半導体の電気伝導特性の非接触測定方法。
【請求項５】
両側にそれぞれ入力電極及び出力電極が設けられた平板状の圧電体を備え、該圧電体の表面で前記入力電極及び前記出力電極の間の領域に対して隙間を設けて平行に配置した平板状の半導体に、前記入力電極に高周波入力電圧を印加して前記圧電体の表面に発生した弾性表面波に伴って発生する交流電界を印加しながら該弾性表面波を前記出力電極に向けて移動させる弾性表面波発生手段と、
前記半導体及び前記弾性表面波発生手段を収納する測定容器と、
前記測定容器内の前記半導体の温度を調整する温度調整手段と、
前記高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び周波数をそれぞれ設定して前記入力電極に該高周波入力電圧を印加する高周波電源と、
前記弾性表面波が前記出力電極に到達した際に発生する高周波出力電圧を測定し振幅電圧値Vｏｕｔを求める電圧測定手段と、
前記振幅電圧値Vｉｎ及び前記振幅電圧値Vｏｕｔから、前記弾性表面波が前記入力電極から前記出力電極に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、該伝搬率を用いて前記半導体の電気伝導率の相対値を求めるデータ処理手段とを有することを特徴とする半導体の電気伝導特性の非接触測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波を用いた半導体の電気伝導特性の非接触測定方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
不純物がドープされた半導体の電気伝導特性、例えば電気伝導率を測定することで、半導体の性能、信頼性、劣化等の判定が可能なため、簡便な方法で電気伝導率を高感度かつ高精度で測定する必要が生じている。このため、ホール測定法や四探針法等の接触測定法を用いて、半導体の電気伝導率の測定が従来より行なわれている。
一方、半導体の抵抗率（電気伝導率）の非接触測定法として、半導体試料に所定のエネルギー準位に存在するキャリア（電子）を励起するのに適した波長の励起光を照射すると共に電磁波を照射し、半導体試料の表面に発生する渦電流を検知して抵抗率を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２１２３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ホール測定法や四探針法等の接触測定方法では、測定しようとする半導体製品から測定用の試料を作製して電極を取付ける必要があり、測定効率が低く、しかも半導体製品を直接測定することができないという問題がある。更に、電極の取付け作業上の制約から、電極間の距離を小さくすることに限界があり、測定時に試料中に存在する電界の強度を大きくできないことから、半導体中の電子に十分なエネルギーを与えることができず、電気伝導率の測定から不純物準位（半導体中の不純物原子の電子の束縛準位）を測定できないという問題がある。
一方、特許文献１に記載された発明では、特定波長の励起光を発生させるために専用光源を準備したり、分光器で特定波長の光を分光しなけらばならず、測定装置が複雑になってコストが上昇するという問題が発生すると共に、測定が煩雑になるいう問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、簡単、低コストで効率的に電気伝導率を測定できると共に、電気伝導率から移動度、不純物準位の特定が可能な弾性表面波を用いた半導体の電気伝導特性の非接触測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法は、両側にそれぞれ入力電極及び出力電極を備えた平板状の圧電体の表面で該入力電極及び該出力電極の間の領域に対して、隙間を設けて平板状の半導体を該圧電体に平行に配置する第１工程と、
前記半導体の温度を変化させて、各温度毎に前記入力電極に高周波入力電圧を印加して前記圧電体の表面に弾性表面波を発生させ、該弾性表面波に伴って発生する交流電界を前記半導体に印加しながら該弾性表面波を前記出力電極に向けて移動させて、該出力電極で該弾性表面波による高周波出力電圧を測定する第２工程と、
各温度で測定した前記高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び前記高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔから、各温度毎に前記弾性表面波が前記入力電極から前記出力電極に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、該伝搬率を用いて前記半導体の電気伝導率の相対値を求める第３工程とを有する。
【０００７】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、前記電気伝導率の前記半導体の温度の逆数に対する温度依存性から、前記半導体中の不純物原子の電子の束縛準位を求めることができる。
【０００８】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、前記高周波入力電圧の前記振幅電圧値Vｉｎ及び周波数をそれぞれ調整し、前記振幅電圧値Vｏｕｔの最大値を求めることが好ましい。
【０００９】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、前記圧電体の表面と前記半導体との間に設けられる前記隙間は１〜１０μｍであることが好ましい。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定装置は、両側にそれぞれ入力電極及び出力電極が設けられた平板状の圧電体を備え、該圧電体の表面で前記入力電極及び前記出力電極の間の領域に対して隙間を設けて平行に配置した平板状の半導体に、前記入力電極に高周波入力電圧を印加して前記圧電体の表面に発生した弾性表面波に伴って発生する交流電界を印加しながら該弾性表面波を前記出力電極に向けて移動させる弾性表面波発生手段と、
前記半導体及び前記弾性表面波発生手段を収納する測定容器と、
前記測定容器内の前記半導体の温度を調整する温度調整手段と、
前記高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び周波数をそれぞれ設定して前記入力電極に該高周波入力電圧を印加する高周波電源と、
前記弾性表面波が前記出力電極に到達した際に発生する高周波出力電圧を測定し振幅電圧値Vｏｕｔを求める電圧測定手段と、
前記振幅電圧値Vｉｎ及び前記振幅電圧値Vｏｕｔから、前記弾性表面波が前記入力電極から前記出力電極に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、該伝搬率を用いて前記半導体の電気伝導率の相対値を求めるデータ処理手段とを有している。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法及び第２の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定装置においては、高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎと高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔから、弾性表面波が入力電極から出力電極に移動するまでの伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、伝搬率を用いて半導体の電気伝導率の相対値を求めるので、簡便な方法で効率的に半導体の電気伝導率を測定することができる。その結果、例えば、シリコン結晶太陽電池の性能を左右する不純物の影響を電気伝導率の測定から評価することができ、シリコン結晶太陽電池の出荷前の性能検査や、使用中のシリコン結晶太陽電池の劣化判定を効率的かつ安価に行うことができる。
【００１２】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、電気伝導率の半導体の温度の逆数に対する温度依存性から、半導体中の不純物原子の電子の束縛準位を求める場合、電気伝導率の温度依存性は、束縛準位に束縛されている電子が熱励起されて伝導帯に遷移することに対応しているので、束縛準位を容易に決定することができると共に、電子（キャリア）の濃度及び移動度の温度依存性を求めることもできる。
【００１３】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び周波数をそれぞれ調整し、振幅電圧値Vｏｕｔの最大値を求める場合、伝搬率を高感度かつ高精度で測定することができる。
【００１４】
第１の発明に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法において、圧電体の表面と半導体との間に設けられる隙間が１〜１０μｍである場合、弾性表面波（ひずみ波）が半導体中に侵入するのを防止でき、交流電界による作用の影響だけを取出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定装置の説明図である。
【図２】同非接触測定装置の弾性表面波発生手段の説明図である。
【図３】弾性表面波発生手段の入力電極の説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法の説明図である。
【図５】アンチモンをドープしたシリコンの電気伝導率の温度依存性の説明図ある。
【図６】アンチモンをドープしたゲルマニウムの電気伝導率の温度依存性の説明図である。
【図７】ゲルマニウムの電気伝導率の温度依存性を示すグラフである。
【図８】ゲルマニウムの電気伝導率の温度依存性を複数の直線領域で近似した場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定装置（以下、単に非接触測定装置という）１０は、両側にそれぞれ入力電極１１及び出力電極１２が設けられて水平に配置された平板状の圧電体１３（例えば、ＬｉＮｂＯ３板）を備え、圧電体１３の表面で入力電極１１及び出力電極１２の間の領域に対して隙間Gを設けて平行に配置した平板状の、例えば不純物原子がドナーとしてドープされた半導体（例えば、シリコン、ゲルマニウム）１４に、入力電極１１に高周波入力電圧を印加して圧電体１３の表面に発生した弾性表面波に伴って発生する交流電界を印加しながら弾性表面波を出力電極１２に向けて移動させる弾性表面波発生手段１５を有している。
【００１７】
また、非接触測定装置１０は、半導体１４及び弾性表面波発生手段１５を収納する測定容器１６と、測定容器１６内の半導体１４の温度を調整する温度調整手段１７と、高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び周波数をそれぞれ設定して入力電極１１に高周波入力電圧を印加する高周波電源１８と、弾性表面波が出力電極１２に到達した際に発生する高周波出力電圧を測定し振幅電圧値Vｏｕｔを求める電圧測定手段の一例であるピークボルト計１９とを有している、更に、非接触測定装置１０は、高周波電源１８から入力される振幅電圧値Vｉｎ及びピークボルト計１９から入力される振幅電圧値Vｏｕｔから、弾性表面波が入力電極１１から出力電極１２に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、伝搬率を用いて半導体１５の電気伝導率の相対値を求めるデータ処理手段の一例であるパーソナルコンピュータ２０とを有している。以下詳細に説明する。
【００１８】
ここで、圧電体１３及び半導体１４の各サイズに制約はないが、本実施の形態では、入力電極１１と出力電極１２を結ぶ方向を圧電体１３の長手方向、長手方向に直交する方向を圧電体１３の幅方向として、圧電体１３の幅は８〜１５ｍｍ（例えば１０ｍｍ）、長手方向の長さは２５〜３５ｍｍ（例えば３０ｍｍ）、厚さは０．３〜０．８ｍｍ（例えば０．５ｍｍ）である。また、圧電体１３に隙間１４を設けて平行に配置する半導体１４において、圧電体１３の長手方向と同じ方向を半導体１４の長手方向、半導体１４の長手方向に直交する方向を半導体１４の幅方向として、半導体１４の幅は８〜１５ｍｍ（例えば          １０ｍｍ）、長さは８〜１５ｍｍ（例えば１０ｍｍ）、厚さは０．２〜０．８ｍｍ（例えば          ０．５ｍｍ）である。
【００１９】
図２、図３に示すように、入力電極１１は、圧電体１３表面上の一方側において互いに噛み合うように対向して形成された第１、第２の櫛形電極２１、２２を有している。そして、第１、第２の櫛形電極２１、２２は、Ｗの距離を設けて対向して平行に配置された電極基部２３、２４をそれぞれ有している。また、第１の櫛形電極２１には電極基部２３から電極基部２４側に直角に突出する第１の電極歯状部２５が、発生させる弾性表面波の波長λに相当する距離だけ離れて平行に並べて設けられ、第２の櫛形電極２２には第１の櫛形電極２１の隣合う第１の電極歯状部２５間に電極基部２４から電極基部２３側に直角に突出するように第２の電極歯状部２６がλの距離だけ離れて平行に並べて設けられている。なお、電極基部２３、２４の幅は、例えば、０．００１〜０．１ｍｍである。
【００２０】
ここで、第１の電極歯状部２５は、幅がλ／８、長さが距離Ｗの９０〜９５％で、λ／８の間隔を有して平行に配置され基側が電極基部２３に接続する対となる第１の素電極２７、２７aを備え、第２の電極歯状部２６は、幅がλ／８、長さが距離Ｗの９０〜９５％で、λ／８の間隔を有して平行に配置され基側が電極基部２４に接続する対となる第２の素電極２８、２８aを備えている。そして、隣り合う第１の素電極２７（２７ａ）と第２の素電極２８ａ（２８）の間の距離はλ／８である。更に、第１、第２の電極歯状部２５、２６において、一側に配置される第１、第２の素電極２７a、２８aの質量は、他側に配置される第１、第２の素電極２７、２８の質量と異なる（例えば０．５倍以上１倍未満、又は１倍を超え１．５倍以下となる）ように調整されている。そして、電極基部２３、２４は、第１、第２のリード線２９、３０を介して高周波電源１８の出力部（図示せず）に接続されている。なお、電極基部２３、２４間の距離Ｗは、半導体１４の幅に応じて設定し、半導体１４の幅をＭとした場合、例えば、Ｍの０．５〜０．８倍である。
【００２１】
出力電極１２は、入力電極１１と同様の構成となって、互いに噛み合うように対向して圧電体１３表面上の他方側において形成された第１、第２の櫛形電極３１、３２を有し、第１、第２の櫛形電極３１、３２は、Ｗの距離を設けて対向して平行に配置され電極基部３３、３４をそれぞれ有している。そして、電極基部３３、３４は、第１、第２のリード線３５、３６を介してピークボルト計１９の信号入力部（図示せず）に接続されている。
【００２２】
入力電極１１において、一側に配置される第１、第２の素電極２７a、２８aの質量を、他側に配置される第１、第２の素電極２７、２８の質量より、例えば大きくすることで、第１の素電極２７と第２の素電極２８a間及び第１の素電極２７ａと第２の素電極２８間で励起された励起波が第１、第２の素電極２７a、２８aに衝突した際の反射係数を大きくすることができる。これにより、第１の素電極２７と第２の素電極２８a間及び第１の素電極２７ａと第２の素電極２８間で励起波と反射波との位相差を一方向では同位相に、他方向では逆位相にすることができ、表面弾性波を一方向にのみ励振することができる。また、出力電極１２を入力電極１１と同様の構成とすることで、出力電極１２では、到達した弾性表面波による高周波出力電圧を効果的に測定することができる。
【００２３】
測定容器１６は、半導体１４及び弾性表面波発生手段１５を収納する密閉容器で、測定時に内部を真空状態に保つ真空ポンプ３７が接続されている。また、温度調節手段１７は、測定容器１６内に設けられ半導体１４に当接して半導体１４の冷却及び加熱を行うヒータを備えた試料ホルダー３８と、試料ホルダー３８に冷却媒（例えば、液体窒素、液体水素、液体ヘリウム）を供給する冷却機３９と、ヒータに電力を供給して半導体１４の温度を制御する温度制御器４０とを有している。なお、試料ホルダー３８には、図示しない温度センサ（例えば熱電対）が設けられ、温度センサからの信号はパーソナルコンピュータ２０に入力され、半導体１４の温度が記録される。これによって、半導体１４の温度を所定の温度に保つことができ、入力電極１１に高周波入力電圧を印加して圧電体１３の表面に弾性表面波を発生させると、弾性表面波に伴って発生する交流電界を所定の温度の半導体１４に印加しながら弾性表面波を出力電極１２に向けて移動させることができる。
【００２４】
続いて、本発明の一実施の形態に係る半導体の電気伝導特性の非接触測定方法について説明する。
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、両側にそれぞれ入力電極１１及び出力電極１２を備えた平板状の圧電体１３の表面で入力電極１１及び出力電極１２の間の領域の幅方向両側に長手方向に沿って絶縁膜４１（例えば、４フッ化エチレン樹脂製の膜）を配置する。次いで、試料ホルダー３８に取付けられた半導体１４の長手方向と圧電体１３の長手方向とを一致させて、絶縁膜４１を介して半導体１４を圧電体１３の上方に配置する。これにより、圧電体１３の表面で入力電極１１及び出力電極１２の間の領域に対して隙間Gを設けて半導体１４を配置することができる（第１工程）。ここで、絶縁膜４１の厚みＴ、すなわち隙間Gの距離は、１〜１０μｍ、例えば５μｍである。
【００２５】
半導体１４の配置が終了すると、測定容器１６を密閉して真空ポンプ３７で測定容器１６内を真空にする。そして、冷却機３９から試料ホルダー３８に冷却媒を供給し温度制御器４０でヒータに供給する電力を調整して半導体１４の温度を予め設定した測定温度に保持する。次いで、高周波電源１８から入力電極１１に設定した周波数の高周波入力電圧を印加すると、圧電体１３が励振して弾性表面波ＳＡＷが発生し出力電極１２に向けて移動する。このとき、弾性表面波ＳＡＷに伴って交流電界Ｅが発生する。ここで、半導体１４は、圧電体１３の表面で入力電極１１及び出力電極１２の間の領域に対して隙間Gを設けて配置されているので、半導体１４には弾性表面波ＳＡＷは伝達せず、入力電極１１から出力電極１２に向けて移動する弾性表面波ＳＡＷに伴う交流電界Ｅのみが半導体１４に印加され、弾性表面波ＳＡＷが出力電極１２に到達すると、出力電極１２では高周波出力電圧が測定される。そして、半導体１４を測定温度に保持した際の高周波出力電圧の測定が終了すると、温度制御器４０で半導体１４の温度を次の測定温度に向けて変化させ、半導体１４の温度が測定温度に保持された時点で高周波出力電圧を測定することを繰り返す（第２工程）。
【００２６】
弾性表面波ＳＡＷが出力電極１２に到達すると、出力電極１２に発生する高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔがピークボルト計１９で測定され、ピークボルト計１９から振幅電圧値Vｏｕｔの値がパーソナルコンピュータ２０に入力される。一方、パーソナルコンピュータ２０には、高周波電源１８から入力電極１１に印加した高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎが入力されているので、パーソナルコンピュータ２０では、高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔから、弾性表面波ＳＡＷが入力電極１１から出力電極１２に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算する。
【００２７】
圧電現象においては、機械エネルギーと電気エネルギーは相互変換可能で、その変換率は圧電体１３の特性で決まる電気機械結合係数で規定される。このため、電気エネルギーが減衰すると、機械エネルギーも減衰する関係にある。ここで、半導体１４に交流電界Ｅが印加されると、半導体１４中の伝導電子が印加された交流電界Ｅの作用で振動し、交流電界Ｅの電気エネルギーの一部がジュール熱に変換され、電気エネルギーが減衰する。従って、入力電極１１で発生した弾性表面波ＳＡＷに伴って発生する交流電界Ｅを半導体１４に印加しながら弾性表面波ＳＡＷが出力電極１２に向けて移動する場合、弾性表面波ＳＡＷに伴って発生する交流電界Ｅの電気エネルギーは弾性表面波ＳＡＷの移動に伴って減衰するため、入力電極１１で発生した弾性表面波ＳＡＷも出力電極１２に到達した時点で減衰している。
【００２８】
入力電極１１で発生する弾性表面波ＳＡＷの機械エネルギーは入力電極１１に印加した高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎに比例し、出力電極１２で検出される弾性表面波ＳＡＷの機械エネルギーは出力電極１２で測定される高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔに比例する。このため、弾性表面波ＳＡＷが入力電極１１から出力電極１２に移動した際の減衰は、伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎとして求まる。一方、弾性表面波ＳＡＷの減衰と電気エネルギーの減衰（ジュール熱の発生）は比例するので、ジュール熱の発生は伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎに比例する。一方、発生するジュール熱は、交流電界の二乗と電気伝導率の積に比例するので、伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎは電気伝導率に比例する。従って、伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎを半導体１４の電気伝導率の相対値とすることができる。
【００２９】
なお、ピークボルト計１９で出力電極１２に発生する高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔを測定する場合、高周波電源１８で入力電極１１に印加する高周波入力電圧の周波数及び振幅電圧値Vｉｎを調整し、振幅電圧値Vｏｕｔの最大値を求めるようにする。これによって、伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎを高感度かつ高精度で測定することができる。
【００３０】
ここで、半導体１４の電気伝導率σは、電子（キャリアともいう）の電荷をｑ、伝導帯の電子（伝導電子）の濃度をｎ、電子の移動度をμとすると、σ＝ｑｎμとなる。すなわち、電気伝導率σは、伝導電子の濃度ｎ及び移動度μによって変化する。なお、伝導電子は、主に、例えば、半導体１４中にドナーとしてドープされた不純物原子の束縛準位（不純物準位ともいう）に存在する電子（ドナー電子）がフォノン（半導体１４を構成している原子の格子振動）のエネルギーを得て伝導帯に遷移したものである。
【００３１】
一方、弾性表面波ＳＡＷに伴って発生する交流電界Ｅが半導体１４に印加されると、伝導電子は交流電界Ｅにより振動しエネルギーを得る。そして、交流電界Ｅの強さは入力電極１１に印加する高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎに比例するので、振幅電圧値Vｉｎを調整することで、伝導電子の得るエネルギーを調整できる。このため、半導体１４の伝導電子のエネルギーを、半導体１４中にドープした不純物原子の束縛準位中で最も深い準位のエネルギーよりも大きくすると、交流電界でエネルギーを得た伝導電子は、ある確率で束縛準位（不純物ポテンシャル）を透過する可能性がある。そして、伝導電子が束縛準位を透過する際には、共鳴透過（ラムザウアー効果）という現象が起こり、伝導電子は束縛準位に一定時間留まる（トラップされる）ことになる。そして、トラップされた電子は、フォノンのエネルギーを得て、伝導帯に遷移して伝導電子となることができる。従って、共鳴透過が生じると、伝導電子がトラップされる不純物準位にドナー電子が存在することになり、このドナー電子が伝導帯に遷移することで、伝導電子の濃度ｎが変化することになる。
【００３２】
ここで、半導体１４の温度（絶対温度）Tの逆数に対する半導体１４の電気伝導率σの温度依存性を考える。今、ボルツマン定数をｋとして、１／ｋTをｘとおくとき、電気伝導率σの温度依存性ｄσ／ｄｘは、
ｄσ／ｄｘ＝ｑ・（∂μ／∂ｘ）・ｎ−ｑ・μ・｜∂ｎ／∂ｘ｜
となる。すなわち、ｘの変化に対し移動度μの変化が緩やかなもので、電子濃度ｎはｘに対し急激な変化になる。このため、電気伝導度σの温度依存性から移動度μと電子濃度ｎを分離することができる。半導体１４の温度（絶対温度）Tが低下する（１／ｋTが増加する）のに伴って、半導体１４中の不純物原子の束縛準位が深い準位から順に励起されなくなっていくが、ある温度帯域（あるフォノンエネルギー帯域）においては、特定の束縛準位に占有されているドナー電子が励起されて、電気伝導率σの温度依存性ｄσ／ｄｘは−ｑ・μ・｜∂ｎ／∂ｘ｜、すなわち伝導電子の電子濃度ｎの変化に支配される。逆に、特定の束縛準位よりもフォノンエネルギーが小さくなると、ドナー電子は励起されず、電気伝導率σが減少する。
【００３３】
このため、半導体１４の電気伝導率σの温度Ｔの逆数、例えば１／ｋＴに対する温度依存性を求めると、不純物原子の束縛準位に対応するピーク領域が現れる（図５参照）。そして、ピーク領域の右側部分（１／ｋＴが増加する側）の勾配が∂ｎ／∂ｘに対応し、勾配の値から電子濃度ｎの温度依存性が求まり、全てのピーク領域のバックグランドの値から移動度μの温度依存性が求まる。
【００３４】
なお、不純物原子の束縛準位間のエネルギー差が小さい場合、束縛準位に占有されているドナー電子の励起が連続して起こる。このため、半導体１４の電気伝導率σの半導体１４の温度Ｔの逆数、例えば１／ｋＴに対する温度依存性を求めると、半導体１４の電気伝導率σは連続的に低下する（図６参照）。
【００３５】
不純物原子の束縛準位Ｅｎは、アレニウスプロット法を用い活性化エネルギーから求めた。すなわち、温度Ｔにおいて、不純物原子の束縛準位Ｅｎに占有されているドナー電子がフォノンエネルギーによって励起される場合、束縛準位Ｅｎをドナー電子の活性化エネルギーと言い換えることができ、ドナー電子の励起確率は、ボルツマン定数をｋとしてｅ−Ｅｎ／ｋＴと表せるので、温度Ｔにおける電気伝導率σは、σ０を係数として、σ＝σ０μ（Ｔ）ｅ−Ｅｎ／ｋＴとなる。従って、電気伝導率σの温度Ｔの逆数、例えば１／ｋＴに対する温度依存性に現れるピーク領域の形状、又は電気伝導率σが連続的に低下する領域に対してｅ−Ｅｎ／ｋＴを当てはめることにより、不純物原子の電子（ドナー電子）の束縛準位Ｅｎを求めることができる（第３工程）。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
弾性表面波発生手段のＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）板（長さ３０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）の表面で入力電極及び出力電極の間の領域の両側に長手方向に沿って長さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ５μｍの４フッ化エチレン樹脂膜をそれぞれ配置し、試料ホルダーに取付けられたシリコン板（長さ１５ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）の長手方向をニオブ酸リチウム板の長手方向と一致させて、４フッ化エチレン樹脂膜を介してシリコン板をニオブ酸リチウム板の上方に配置する。なお、シリコン板には不純物原子としてアンチモンがドープされ、抵抗率は１２〜１８Ω・ｃｍ（温度３００Ｋ）である。
【００３７】
次いで、測定容器を密閉して真空ポンプで測定容器内を真空にする。そして、冷却機から試料ステージに冷却媒を供給し温度制御器でヒータに供給する電力を調整してシリコン板の温度を徐々に低下させ、シリコン板の温度が２５０Ｋに到達した時点から、１６Ｋまで１Ｋステップで温度を下げながら、各温度毎に高周波電源から入力電極に２００ＭＨｚの高周波入力電圧を印加して弾性表面波を発生させ、弾性表面波が出力電極に到達した際の高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔを測定した。ここで、高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔを測定する場合、高周波電源で入力電極に印加する高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎを調整し、振幅電圧値の最大値をVｏｕｔとした。
【００３８】
次いで、パーソナルコンピュータで、高周波入力電圧の振幅電圧値Vｉｎ及び高周波出力電圧の振幅電圧値Vｏｕｔから、弾性表面波が入力電極から出力電極に移動する際の伝搬率をVｏｕｔ／Vｉｎとして演算し、伝搬率Vｏｕｔ／Vｉｎをシリコン板の電気伝導率の相対値として、シリコン板の電気伝導率σの１／ｋＴに対する温度依存性を求めた。その結果を図５に示す。
【００３９】
図５では、シリコン板の電気伝導率σの１／ｋＴに対する温度依存性には、Ａ〜Ｅの５つのピーク領域が現れるので、各ピーク領域の形状に対してｅ−Ｅｎ／ｋＴを当てはめることにより、アンチモンの電子の活性化エネルギーを求めた。Ａ〜Ｅの５つのピーク領域から求めたアンチモンの電子の活性化エネルギーの値は、１００．４ｍｅＶ、４４．５ｍｅＶ、３２．６ｍｅＶ、３０．２ｍｅＶ、及び１６．６ｍｅＶであった。ここで、Ａのピーク領域から求めた１００．４ｍｅＶはシリコン中の電子の移動度の温度依存性に対応している。一方、Ｂ〜Ｅの各ピーク領域からそれぞれ求めた４４．５ｍｅＶ、３２．６ｍｅＶ、３０．２ｍｅＶ、１６．６ｍｅＶの各準位は、それぞれアンチモンの電子の束縛準位の基底準位、２番目の準位、３番目の準位、及び４番目の準位に対応している。
【００４０】
なお、アンチモンの電子の束縛準位の基底準位、２番目の準位、３番目の準位、及び４番目の準位の各文献値は、４２．７ｍｅＶ、３２．９ｍｅＶ、３０．５ｍｅＶ、１１．５ｍｅＶであり、本方法により、シリコン中のアンチモンの電子の束縛準位が簡便な方法で精度よく求まることが確認できた。また、Ａ〜Ｅの５つのピーク領域の勾配から移動度の温度依存性を求めると、Ｔ３／２と求まった。
【００４１】
（実施例２）
ゲルマニウム板の電気伝導率σの１／ｋＴに対する温度依存性をシリコン板の場合と同様の方法で求めた。なお、ゲルマニウム板には不純物原子としてアンチモンがドープされ、抵抗率は１０〜２５Ω・ｃｍ（温度３００Ｋ）であり、測定温度領域は２７〜３００Ｋである。また、高周波電源から入力電極に印加する高周波入力電圧の周波数は５０ＭＨｚである。その結果を図６に示す。
【００４２】
図６では、ゲルマニウム板の電気伝導率σは、１／ｋＴの増加に対して連続的に低下し、シリコン板の電気伝導率σに現れたピーク領域は観察されなかった。このため、ゲルマニウム板の電気伝導率σを自然対数に変換した変換値の１／ｋＴに対する温度依存性を求めた。その結果を図７に示す。そして、図７に現れる各直線の傾きＦ〜Ｉに対して−Ｅｎ／ｋＴを当てはめることにより、アンチモンの電子の活性化エネルギーを求めた。Ｆ〜Ｉの４つの直線領域から求めたアンチモンの電子の束縛準位Ｅｎの値は、９９．２ｍｅＶ、１０．３ｍｅＶ、５．１ｍｅＶ、及び２．５ｍｅＶであった。ここで、Ｆの直線領域から求めた９９．２ｍｅＶはゲルマニウムの電子の移動度の温度依存性に対応している。一方、Ｇ〜Ｉの各直線領域からそれぞれ求めた１０．３ｍｅＶ、５．１ｍｅＶ、及び２．５ｍｅＶの各準位は、それぞれアンチモンの不純物準位の基底準位、２番目の準位、及び３番目の準位に対応している。なお、アンチモンの電子の束縛準位の基底準位、２番目の準位、及び３番目の準位の各文献値は、１０．３２ｍｅＶ、４．７４ｍｅＶ、及び２．５７ｍｅＶであり、本方法により、ゲルマニウム中のアンチモンの不純物準位が簡便な方法で精度よく求まることが確認できた。
【００４３】
また、図６の電気伝導率σの温度依存性を、図８に示すように、複数の直線領域a、ｂ、ｃで近似し、各直線領域の勾配ｄσ／ｄｘを用いて移動度の温度依存性を求めると、Ｔー１．３／２と求まった。
【００４４】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、不純物原子としてアンチモンをドープしたが、リン等の５族元素、アルミニウム等の３族元素をドープしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
弾性表面波に伴って発生する交流電界を半導体に印加することで、伝導電子が不純物ポテンシャルを共鳴透過するラムザウアー効果が観察されるので、弾性表面波を用いて半導体中の不純物原子の束縛準位に占有された電子に関する量子情報（例えば、束縛準位の電子の波動関数に関する情報）の読み取りや書き込みが可能になると考えられる。このため、量子情報を制御することで、例えば、量子コンピュータを実現することが可能になる。
【符号の説明】
【００４６】
１０：非接触測定装置、１１：入力電極、１２：出力電極、１３：圧電体、１４：半導体、１５：弾性表面波発生手段、１６：測定容器、１７：温度調整手段、１８：高周波電源、１９：ピークボルト計、２０：パーソナルコンピュータ、２１：第１の櫛形電極、２２：第２の櫛形電極、２３、２４：電極基部、２５：第１の電極歯状部、２６：第２の電極歯状部、２７、２７a：第１の素電極、２８、２８a：第２の素電極、２９：第１のリード線、３０：第２のリード線、３１：第１の櫛形電極、３２：第２の櫛形電極、３３、３４：電極基部、３５：第１のリード線、３６：第２のリード線、３７：真空ポンプ、３８：試料ホルダー、３９：冷却機、４０：温度制御器、４１：絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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