(57)【要約】【課題】ベース基板およびバッファ層を含む半導体基板における正孔または電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法を提供する。【解決手段】ベース基板と、ベース基板上に設けられたバッファ層とを有する半導体基板における漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法であって、バッファ層に、電界が印加されるとバッファ層に正孔を注入する材料からなる正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、複数の電極から選択した、少なくとも一つの正孔注入電極を含む第１の一対の電極に電圧または電流を印加した場合における、第１の一対の電極を流れる電流および第１の一対の電極間の電圧を測定する段階と、第１の一対の電極を流れる電流および第１の一対の電極間の電圧に基づいて、半導体基板における正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階とを備える測定方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース基板と、前記ベース基板上に設けられたバッファ層とを有する半導体基板における漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法であって、
前記バッファ層に、電界が印加されると前記バッファ層に正孔を注入する材料からなる正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、
前記複数の電極から選択した、少なくとも一つの前記正孔注入電極を含む第１の一対の電極に電圧または電流を印加した場合における、前記第１の一対の電極を流れる電流または前記第１の一対の電極間の電圧を測定する段階と、
前記第１の一対の電極を流れる電流または前記第１の一対の電極間の電圧に基づいて、前記半導体基板における正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階と
を備える測定方法。
【請求項２】
前記バッファ層に、電界が印加されると前記バッファ層に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、
前記複数の電極から選択した、少なくとも一つの前記電子注入電極を含む第２の一対の電極に電圧または電流を印加した場合における、前記第２の一対の電極を流れる電流または前記第２の一対の電極間の電圧を測定する段階と、
前記第２の一対の電極を流れる電流または前記第２の一対の電極間の電圧に基づいて、前記半導体基板における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階と
をさらに備える請求項１に記載の測定方法。
【請求項３】
正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階において、前記第１の一対の電極に予め定めた大きさの電流が流れる場合の前記第１の一対の電極におけるそれぞれの電極間の電圧を、正孔の移動による前記絶縁破壊電圧とする請求項１または２に記載の測定方法。
【請求項４】
正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階において、前記第１の一対の電極間の電圧が予め定めた大きさである場合に前記第１の一対の電極に流れる電流の大きさを、前記漏洩電流とする請求項１から３のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項５】
前記正孔注入電極はＰ型３−５族化合物半導体に正孔を注入し、前記電子注入電極はＮ型３−５族化合物半導体に電子を注入する
請求項２に記載の測定方法。
【請求項６】
前記半導体基板は、前記バッファ層上に、電界効果トランジスタが形成される多層半導体層を備える
請求項１から５のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項７】
前記多層半導体層の少なくとも一部を除去し、前記バッファ層の少なくとも一部の表面を露出する段階をさらに備え、
前記正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階においては、前記露出された前記バッファ層に、前記正孔注入電極を含む複数の電極を設ける請求項６に記載の測定方法。
【請求項８】
前記露出された前記バッファ層に、電界が印加されると前記バッファ層に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、
前記複数の電極から選択した、少なくとも一つの前記電子注入電極を含む第２の一対の電極の間に電圧または電流を印加した場合における、前記第２の一対の電極を流れる電流または前記第２の一対の電極間の電圧を測定する段階と、
前記第２の一対の電極を流れる電流または前記第２の一対の電極間の電圧に基づいて、前記半導体基板における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階と
をさらに備える請求項７に記載の測定方法。
【請求項９】
前記正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階において、前記バッファ層においてアクセプタ不純物となる原子を構成要素とする単体または化合物を含む材料を前記バッファ層の表面に配置した後に、前記バッファ層を加熱する請求項１から８のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項１０】
前記電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階において、前記バッファ層においてドナー不純物となる原子を構成要素とする単体または化合物を含む材料を前記バッファ層の表面に配置した後に、前記バッファ層を加熱する請求項２に記載の測定方法。
【請求項１１】
前記第１の一対の電極を流れる電流または前記第１の一対の電極間の電圧を測定する段階において、前記第１の一対の電極の間に、直流電圧または直流電流を印加する請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項１２】
前記正孔注入電極は、ＡｕＺｎ、ＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／ＷＳｉのうち少なくとも一つを含む請求項１から１１のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項１３】
ベース基板と、前記ベース基板上に設けられたＮ型３−５族化合物半導体を含むバッファ層と、前記バッファ層上に設けられ、電界効果トランジスタが形成される多層半導体層とを有する半導体基板における漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法であって、
前記多層半導体層の少なくとも一部を除去し、前記バッファ層の少なくとも一部の表面を露出する段階と、
前記バッファ層に、電界が印加されると前記Ｎ型３−５族化合物半導体に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、
前記複数の電極から選択した、少なくとも一つの前記電子注入電極を含む一対の電極の間に電圧または電流を印加した場合における、前記一対の電極を流れる電流または前記一対の電極間の電圧を測定する段階と、
前記一対の電極を流れる電流または前記一対の電極間の電圧に基づいて、前記半導体基板における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階と
を備える測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の電気的特性の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、シリコン単結晶薄膜の抵抗率を四探針法により測定する抵抗率測定方法が記載されている。また、特許文献１に記載の抵抗率測定方法は、キャリアの種類を特定しない測定方法を開示する。
（特許文献１）特開２００１−２７４２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、「ＦＥＴ」と称する場合がある）のような半導体デバイスには、電子または正孔の何れか一種類のモノキャリアによって電流を流す電子素子がある。従って、より正確に半導体基板の電気的特性を評価するには、従来の測定方法に加え、電子または正孔の何れか一方のキャリアについての電気的特性も測定できる測定方法を用いることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ベース基板と、ベース基板上に設けられたバッファ層とを有する半導体基板における漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法であって、バッファ層に、電界が印加されるとバッファ層に正孔を注入する材料からなる正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、複数の電極から選択した、少なくとも一つの正孔注入電極を含む第１の一対の電極に電圧または電流を印加した場合における、第１の一対の電極を流れる電流および第１の一対の電極間の電圧を測定する段階と、第１の一対の電極を流れる電流および第１の一対の電極間の電圧に基づいて、半導体基板における正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階とを備える測定方法を提供する。
【０００５】
当該測定方法は、バッファ層に、電界が印加されるとバッファ層に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、複数の電極から選択した、少なくとも一つの電子注入電極を含む第２の一対の電極に電圧または電流を印加した場合における、第２の一対の電極を流れる電流および第２の一対の電極間の電圧を測定する段階と、第２の一対の電極を流れる電流および第２の一対の電極間の電圧に基づいて、半導体基板における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階とをさらに備えてもよい。
【０００６】
正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階においては、例えば、第１の一対の電極に予め定めた大きさの電流が流れる場合の第１の一対の電極におけるそれぞれの電極間の電圧を、正孔の移動による絶縁破壊電圧とする。また、正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階においては、例えば、第１の一対の電極間の電圧が予め定めた大きさである場合に第１の一対の電極に流れる電流の大きさを、漏洩電流とする。
【０００７】
当該測定方法で用いる正孔注入電極は、例えばＰ型３−５族化合物半導体に正孔を注入し、電子注入電極は、例えばＮ型３−５族化合物半導体に電子を注入する。また、当該測定方法で測定する半導体基板は、バッファ層上に、電界効果トランジスタが形成される多層半導体層を備えてもよい。この場合には、多層半導体層の少なくとも一部を除去し、バッファ層の少なくとも一部の表面を露出する段階をさらに備え、正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階においては、露出されたバッファ層に、正孔注入電極を含む複数の電極を設けてもよい。
【０００８】
当該測定方法により多層半導体層を備える半導体基板の電気的特性を測定する場合には、露出されたバッファ層に、電界が印加されるとバッファ層に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、複数の電極から選択した、少なくとも一つの電子注入電極を含む第２の一対の電極の間に電圧または電流を印加した場合における、第２の一対の電極を流れる電流および第２の一対の電極間の電圧を測定する段階と、第２の一対の電極を流れる電流および第２の一対の電極間の電圧に基づいて、半導体基板における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階とをさらに備えてもよい。
【０００９】
当該測定方法においては、正孔注入電極を含む複数の電極を設ける段階において、バッファ層においてアクセプタ不純物となる原子を構成要素とする単体または化合物を含む材料をバッファ層の表面に配置した後に、バッファ層を加熱してもよい。また、電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階において、バッファ層においてドナー不純物となる原子を構成要素とする単体または化合物を含む材料をバッファ層の表面に配置した後に、バッファ層を加熱してもよい。第１の一対の電極を流れる電流および第１の一対の電極間の電圧を測定する段階においては、第１の一対の電極の間に、直流電圧または直流電流を印加してもよい。正孔注入電極は、例えば、ＡｕＺｎ、ＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／ＷＳｉのうち少なくとも一つを含む。
【００１０】
本発明の第２の態様においては、ベース基板と、ベース基板上に設けられたＮ型３−５族化合物半導体を含むバッファ層と、バッファ層上に設けられ、電界効果トランジスタが形成される多層半導体層とを有する半導体基板における漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法であって、多層半導体層の少なくとも一部を除去し、バッファ層の少なくとも一部の表面を露出する段階と、バッファ層に、電界が印加されるとＮ型３−５族化合物半導体に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む複数の電極を設ける段階と、複数の電極から選択した、少なくとも一つの電子注入電極を含む一対の電極の間に電圧または電流を印加した場合における、一対の電極を流れる電流および一対の電極間の電圧を測定する段階と、一対の電極を流れる電流および一対の電極間の電圧に基づいて、半導体基板における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階とを備える測定方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体基板２００および測定装置２４０の一例を示す。
【図２】半導体基板２００の漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法のフローチャートを示す。
【図３】半導体基板２００の電流または電圧を測定した結果得られた電圧電流特性の一例を示す。
【図４】半導体基板２００、測定装置２４０、および測定装置５４０の一例を示す。
【図５】半導体基板２００の漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法のフローチャートを示す。
【図６】多層半導体基板７００の漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法のフローチャートを示す。
【図７】多層半導体基板７００および測定装置２４０の一例を示す。
【図８】多層半導体基板７００および測定装置５４０の一例を示す。
【図９】多層半導体基板７００、測定装置２４０、および測定装置５４０の一例を示す。
【図１０】半導体基板２００および測定装置１０５０の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、半導体基板２００および測定装置２４０の一例を示す。半導体基板２００は、ベース基板２１０およびバッファ層２２０を有する。バッファ層２２０は、ベース基板２１０上にエピタキシャル成長した半導体である。バッファ層２２０は、一例として、下部バッファ層２２２および上部バッファ層２２４を有する。バッファ層２２０の上には、後述する測定方法において、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２からなる一対の電極が設けられる。
【００１３】
測定装置２４０は、２つの測定探針２４８、スイッチ２４２、電流計２４４、および直流電圧源を有する。測定装置２４０は、２つの測定探針２４８のそれぞれを正孔注入電極２３０または正孔収集電極２３２に接触させることにより、半導体基板２００の漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する。
【００１４】
正孔注入電極２３０は、電界が印加されると、バッファ層２２０に正孔を注入する材料を含む。正孔収集電極２３２は、電界が印加されると、バッファ層２２０から正孔を収集する材料を含む。バッファ層２２０が大きな抵抗を有する場合には、バッファ層２２０に強制的に正孔を注入することにより、バッファ層２２０に正孔が注入される。
【００１５】
例えば、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に電圧または電流を印加することにより、正孔注入電極２３０からバッファ層２２０に正孔が注入され、バッファ層２２０から正孔収集電極２３２に正孔が収集される。バッファ層２２０に正孔を注入して、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２の間の電流または電圧を測定することにより、正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定することができる。バッファ層２２０上には正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２以外の電極が設けられていてもよい。
【００１６】
なお、バッファ層２２０に正孔を注入する場合に、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２の間に過大な電圧を印加すると、なだれ状に過大電流が流れる場合がある。このような場合には、漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定することができないので、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２には、予め定められた範囲内の電圧を印加する。
【００１７】
図２は、半導体基板２００の漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法のフローチャートを示す。当該測定方法は、半導体基板２００を準備する段階Ｓ１１０、バッファ層２２０に正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を設ける段階Ｓ１３０、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に電圧または電流を印加した場合における、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を流れる電流、または、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２の間の電圧を測定する段階Ｓ１５０、ならびに、当該電流または電圧に基づいて、半導体基板２００における正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ１７０を備える。
【００１８】
正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を設ける段階Ｓ１３０においては、例えば、バッファ層２２０上に金属を蒸着し、またはパターニングすることによって、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を形成する。正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を設ける段階Ｓ１３０においては、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２以外の電極を設けてもよい。
【００１９】
電流または電圧を測定する段階Ｓ１５０においては、測定装置２４０の２つの測定探針２４８のそれぞれを、正孔注入電極２３０または正孔収集電極２３２に接触させる。次に、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に直流の電圧を印加し、その状態において正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を流れる電流値を測定する。具体的には、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２の間に印加する電圧を変化させながら正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を流れる電流値を測定する。
【００２０】
漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ１７０においては、例えば、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に予め定めた大きさの電流が流れる場合の正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２の間の電圧を、正孔の移動による絶縁破壊電圧とする。また、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２の間の電圧が予め定めた大きさである場合に正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に流れる電流の大きさを、漏洩電流としてもよい。
【００２１】
測定した絶縁破壊電圧が予め定めた電圧値よりも小さい場合に、半導体基板２００を不良品であると判定してもよい。また、測定した漏洩電流が予め定めた電流値よりも大きい場合に、測定した半導体基板２００を不良品であると判定してもよい。
【００２２】
ベース基板２１０は、ベース基板２１０に形成される他の構成要素を支持するに十分な機械的強度を有する基板である。例えば、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板、Ｇｅ基板、ＧＯＩ（ｇｅｒｍａｎｉｕｍ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、Ｓｉ基板、またはＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。ベース基板２１０は、例えば単結晶基板である。ベース基板２１０は、サファイア基板、ガラス基板、またはＰＥＴフィルム等の樹脂基板であってもよい。
【００２３】
バッファ層２２０は、例えばエピタキシャル成長法により、ベース基板２１０に接して形成されている。半導体基板２００は、ベース基板２１０とバッファ層２２０との間に他の半導体層を有してもよい。バッファ層２２０は、単層の半導体層であってもよく、多層の半導体層によって構成されてもよい。例えば、バッファ層２２０は、それぞれ組成の異なる下部バッファ層２２２および上部バッファ層２２４によって構成される。
【００２４】
バッファ層２２０は、一例として、ベース基板２１０の表面に残留する不純物に起因する、ベース基板２１０の上に形成される半導体素子の特性劣化を防ぐ。バッファ層２２０は、上層に形成される半導体層からの漏洩電流を抑制してもよい。バッファ層２２０は、上層に形成される半導体層の格子間距離と、ベース基板２１０の格子間距離との差を緩衝する緩衝層として機能してもよい。バッファ層２２０は、上層に形成される半導体の結晶質を確保する機能を有してもよい。バッファ層２２０は、例えば３−５族化合物半導体である。
【００２５】
バッファ層２２０はキャリアトラップを含んでもよい。キャリアトラップとして、ホウ素原子または酸素原子を例示できる。バッファ層２２０は、例えば、キャリアトラップとして酸素原子を添加した化合物半導体ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）またはＡｌｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＰ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）である。当該化合物半導体に酸素原子を添加することにより、当該半導体に深いトラップ準位を形成することができる。当該深いトラップ準位によって、バッファ層２２０を通過するキャリアが捕獲される。その結果、バッファ層２２０上に形成される他の半導体層とバッファ層２２０の下にあるベース基板２１０との間の漏洩電流を防止できる。
【００２６】
キャリアトラップを含むバッファ層２２０の膜厚方向の抵抗率は、組成、酸素原子ドープ濃度、および膜厚によって決まる。例えば、バッファ層２２０がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）である場合には、Ａｌ組成が高いほど抵抗率が高い。ただし、Ａｌ組成は結晶品質を損なわない範囲の大きさであることが好ましく、実用上ｘは０．３〜０．５程度である。また、酸素原子ドープ濃度は、結晶品質を損なわない範囲で高い方が望ましい。そこで、酸素原子の濃度は、１×１０１８［ｃｍ−３］以上、１×１０２０［ｃｍ−３］以下であることが好ましい。バッファ層２２０の膜厚は成長時間に支障がない範囲で厚い方が望ましい。
【００２７】
バッファ層２２０は、複数のＰ型３−５族化合物半導体を有してもよい。例えば、当該複数の３−５族化合物半導体のうち相互に隣接する２つの３−５族化合物半導体は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）とＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１，ｘ＜ｙ）とのヘテロ接合、ＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＰ（０≦ｐ≦１，０≦ｑ≦１）とＡｌｒＩｎｓＧａ１−ｒ−ｓＰ（０≦ｒ≦１，０≦ｓ≦１，ｐ＜ｒ，０≦ｒ＋ｓ≦１）とのヘテロ接合、または、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）とＡｌｐＩｎｑＧａ１−ｐ−ｑＰ（０≦ｐ≦１，０≦ｑ≦１，０≦ｐ＋ｑ≦１）とのヘテロ接合を形成する。
【００２８】
例えば、バッファ層２２０に含まれる下部バッファ層２２２がＰ型半導体層ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であり、上部バッファ層２２４がＰ型半導体層ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）であり、ｘ＞ｙである場合に、Ｐ型半導体層ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがＰ型半導体層ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓより高いＡｌ組成を有する。その結果、バッファ層２２０は、バッファ層２２０の下面と上面との間でキャリアが移動することを抑制するだけの広いエネルギーバンドギャップを有する。バッファ層２２０が広いバンドギャップを有すると、バッファ層２２０がエネルギーバリアとなり、上部バッファ層２２４から下部バッファ層２２２へのキャリアの移動を阻害し、漏洩電流の発生を抑制する。
【００２９】
バッファ層２２０は、複数のＰ型半導体層を有してもよい。複数のＰ型半導体層の各層が原子単位の厚さを有し、バッファ層２２０が全体として超格子を構成してもよい。そのような場合には、多数のヘテロ接合により、多数のエネルギーバリアが形成されるので、より効果的に漏洩電流を防止することができる。
【００３０】
バッファ層２２０は、ＰＮ接合を構成するＰ型半導体層およびＮ型半導体層を有してもよい。例えば、上部バッファ層２２４がＰ型半導体層であって、下部バッファ層２２２がＮ型半導体層である場合に、ＰＮ接合部において空乏領域が形成されるので、バッファ層２２０がキャリアの移動を阻害する。バッファ層２２０は、複数のＰ型半導体層と複数のＮ型半導体層とを含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが、交互に積層されて複数のＰＮ接合を形成する積層構造を有してもよい。当該複数のＰＮ接合が複数の空乏領域を形成してキャリアの移動を阻害するので、効果的に漏洩電流を防止できる。
【００３１】
正孔注入電極２３０は、電界が印加されると、Ｐ型３−５族化合物半導体に対し正孔を注入する材料から構成される。正孔注入電極２３０は、バッファ層２２０に接して、複数形成されてもよい。正孔注入電極２３０の材料として、ＡｕＺｎ、ＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、またはＴｉ／ＷＳｉ等を例示できる。
【００３２】
測定装置２４０を用いて電流または電圧を測定するにあたって、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に測定探針２４８のそれぞれを接触させ、直流電圧源２４６から正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に電圧を印加する。電流計２４４により、当該電圧における電流値を測定する。直流電圧源２４６が出力する電圧を変化させ、変化させた電圧に応じた電流値を測定する。
【００３３】
半導体基板２００は、以下の方法により製造することができる。ベース基板２１０がＧａＡｓ単結晶基板である場合に、その上にＡｌＧａＡｓのバッファ層２２０をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長法として、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ法と称する場合がある）、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＢＥ法と称する場合がある）を例示できる。
【００３４】
ＭＯＣＶＤ法を用いてバッファ層２２０をエピタキシャル成長させるには、まず、ＧａＡｓ単結晶ベース基板２１０の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥した後、減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉の加熱台上に載置する。続いて、炉内を高純度水素で十分に置換した後、ベース基板２１０の加熱を開始する。結晶成長時の基板温度は、５００℃から８００℃であってよい。ベース基板２１０が適切な温度に安定したところで炉内に砒素原料を導入し、続いてガリウム原料またはアルミニウム原料を導入して、ＡｌＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させる。
【００３５】
３族元素原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等を使用することができる。５族元素原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）等を使用できる。エピタキシャル成長条件の一例として、反応炉内圧力０．１ａｔｍ、成長温度６５０℃、成長速度１〜３μｍ／ｈｒを挙げられる。原料のキャリアガスとして、高純度水素を用いることができる。
【００３６】
バッファ層２２０には、キャリアトラップとして酸素原子を添加してよい。酸素原子は、バッファ層２２０をエピタキシャル成長させる間に、水素または不活性ガスに、希釈された酸素ガスを混合したガスを反応炉に導入することにより添加される。有機金属原料に含まれる酸素化合物を用いることにより、バッファ層２２０に酸素原子を添加してもよい。また酸素化合物としてエーテル類等を別途添加することにより酸素原子を添加することもできる。バッファ層２２０に酸素原子を添加することにより、深いトラップ準位が形成され、キャリアの通過が阻害されるので、バッファ層２２０の電気抵抗が高まり、漏洩電流を防止できる。
【００３７】
ベース基板２１０に、例えばＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓを含む下部バッファ層２２２および上部バッファ層２２４を順次エピタキシャル成長させることでバッファ層２２０を形成してもよい。上部バッファ層２２４より多いＡｌを下部バッファ層２２２に添加することにより、バッファ層２２０内に、より広いエネルギーバンドギャップを持たせることができる。その結果生じるエネルギーバリアによってベース基板２１０に向けてのキャリアの移動を阻害して、漏洩電流の発生を抑制することができる。Ａｌの添加量は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）の流量を調整することによって制御できる。
【００３８】
正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を設ける段階Ｓ１３０において、上部バッファ層２２４に接して、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を形成する。電極の形成方法としては、スパッタ法、化学気相成長法（Ｃｈａｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ法と称する場合がある）等を例示できる。例えば、まず、フォトリソグラフィ法によって、正孔注入電極２３０を形成する位置に開口が設けられたレジストマスクを形成する。続いて、スパッタ法によりＡｕＺｎを堆積してから、レジストマスクのリフトオフによって、正孔注入電極２３０を形成することができる。
【００３９】
正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２は、例えば、ピッチ（電極間の距離）５μｍで形成された長さ０．２ｍｍ、幅０．１ｍｍの矩形状の複数の電極である。正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２は、直径０．０６ｍｍの円形電極と、円形電極の外周部に５μｍ程度の間隙をおいて形成された、円形電極を取り囲む環状電極であってもよい。
【００４０】
正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を設ける段階Ｓ１３０は、Ｐ型３−５族化合物半導体においてアクセプタ不純物となる元素を含む材料を上部バッファ層２２４の表面に配置した後、加熱する段階を含んでもよい。例えば、上部バッファ層２２４の表面における正孔注入電極２３０を形成する部位に、Ｐ型３−５族化合物半導体においてアクセプタ不純物となるＺｎ、Ｍｇ、またはＢｅをイオン注入してから正孔注入電極２３０を形成して、加熱する。イオン注入をした後に加熱をすることによって、正孔注入電極２３０の材料が上部バッファ層２２４に拡散するので、正孔注入電極２３０と上部バッファ層２２４との間の抵抗が小さくなる。
【００４１】
電流または電圧を測定する段階Ｓ２２０において、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２に、測定装置２４０の２つの測定探針２４８のそれぞれを接触させる。次に、直流電圧源２４６により印加する電圧を変化させながら、電流計２４４を用いて電流を測る。直流電圧源２４６の印加電圧を変化させつつ電流値を測定することで２つの電極の間の正孔の移動による電流電圧特性を測定することができる。測定条件の一例として、電界強度が０から０．１ＭＶ／ｃｍの範囲において、０．１ｋＶ／ｃｍのステップで電圧を印加して、各ステップの電流値を測定してよい。
【００４２】
図３は、電流または電圧を測定した結果得られた電流電圧特性の一例である。印加電圧を増加させると、電流が増加する。そこで、電圧Ｖ１のときの電流値を漏洩電流Ｉ１と定義できる。例えば、印加電圧を１０．０（Ｖ）とした場合に流れる電流値を漏洩電流の大きさとすることができる。漏洩電流Ｉｌが予め定められた値未満である半導体基板２００を良品とし、漏洩電流Ｉｌが予め定められた値以上の半導体基板２００を不良品とすることで、半導体基板２００の品質を評価してもよい。
【００４３】
さらに電圧を増加させると、電流が急激に増加する。電流が急増する電圧を絶縁破壊電圧ＶＢと定義できる。例えば、電流が１．０×１０−５（Ａ）となる場合の電圧を絶縁破壊電圧とすることができる。絶縁破壊電圧ＶＢが予め定められた値以上の半導体基板２００を良品とし、絶縁破壊電圧ＶＢが予め定められた値未満の半導体基板２００を不良品とすることで、半導体基板２００の品質を評価してもよい。
【００４４】
図４は、半導体基板２００、測定装置２４０、および測定装置５４０の一例を示す。図１に示す構成に加え、図４に示す実施態様では、半導体基板２００に、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２からなる一対の電極がさらに設けられている。同一の半導体基板２００に、正孔をバッファ層２２０に注入する正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２、ならびに、電子をバッファ層２２０に注入する電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を設けることにより、正孔の移動による電流電圧特性と電子の移動による電流電子特性とを同時に測定できる。
【００４５】
電子注入電極５３０は、電界が印加されると、バッファ層２２０に電子を注入する材料を含む。電子収集電極５３２は、電界が印加されると、バッファ層２２０から電子を収集する材料を含む。電子注入電極５３０は、Ｎ型３−５族化合物半導体に対し電子を注入する材料を含む。電子注入電極５３０および電子収集電極５３２は、バッファ層２２０に接して、複数形成されてよい。電子注入電極５３０および電子収集電極５３２として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極を例示できる。
【００４６】
測定装置５４０は、スイッチ５４２、電流計５４４、直流電圧源５４６、および一対の測定探針５４８を有する。電流電圧特性を測定する場合に、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２に測定探針５４８を接触させ、直流電圧源５４６から電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間に電圧を印加する。印加する電圧を変化させながら電流計５４４により電流を測定して、電子の移動による電流電圧特性を測定する。
【００４７】
図５は、図４に示した半導体基板２００の漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法のフローチャートを示す。本実施態様の測定方法は、図２に示す実施態様における各段階に加え、バッファ層２２０に、電界が印加されるとバッファ層２２０に電子を注入する材料からなる電子注入電極を含む電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を設ける段階Ｓ４４０、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２に電圧または電流を印加した場合における、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を流れる電流、および、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間の電圧を測定する段階Ｓ４６０、ならびに、当該電流または電圧に基づいて、半導体基板２００における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ４８０を備える。
【００４８】
電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を設ける段階Ｓ４４０においては、Ｎ型３−５族化合物半導体においてドナー不純物となる元素を含む材料をバッファ層２２０の表面に配置した後に、半導体基板２００を加熱する。例えば、バッファ層２２０の表面における電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を形成する部位に、Ｎ型３−５族化合物半導体においてドナー不純物となるＳｉをイオン注入してから、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を形成して、半導体基板２００を加熱する。イオン注入してから加熱することによって、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２とバッファ層２２０との間の抵抗が小さくなる。図５のフローチャートでは、この段階Ｓ４４０が段階Ｓ１３０の後にあるが、段階Ｓ４４０は、段階Ｓ１３０の前にあってもよく、段階Ｓ１３０と同時に進行してもよい。
【００４９】
電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を流れる電流、ならびに、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間の電圧を測定する段階Ｓ４６０において、形成された複数の電子注入電極５３０および電子収集電極５３２に、測定装置５４０の２つの測定探針５４８を接触させる。続いて、直流電圧源５４６により印加する電圧を変化させながら、電流計５４４を用いて電流を測る。
【００５０】
直流電圧源５４６の印加電圧を変化させながら電流値を測定することで、２つの電極間の電子の移動による電流電圧特性を測定することができる。測定条件の一例として、電界強度が０から０．１ＭＶ／ｃｍの範囲において、０．１ｋＶ／ｃｍのステップで電圧を印加して、各ステップの電流値を測定してよい。図５のフローチャートでは、段階Ｓ４６０の測定は、段階Ｓ１５０の測定の後であるが、段階Ｓ１５０の前に行ってもよく、段階Ｓ１５０の測定と同時に行ってもよい。
【００５１】
電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ４８０において、電流または電圧を測定する段階Ｓ４６０で得られた電流電圧特性から、半導体基板２００における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する。図５のフローチャートでは、段階Ｓ４８０が段階Ｓ１７０の後にあるが、段階Ｓ４８０は、段階Ｓ１７０の前にあってもよく、Ｓ１７０と同時に進行してもよい。
【００５２】
電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ４８０において、図３に示す正孔について測定した場合の電流電圧特性のように、ＶＢの値によって、半導体基板２００の耐絶縁破壊の能力を判断することができる。また、一定の電圧Ｖｌにおける漏洩電流Ｉｌの大きさによって、半導体基板２００の漏洩電流を判断してもよい。漏洩電流Ｉｌが所定値未満の半導体基板２００を良品とし、所定値以上の半導体基板２００を不良品とすることで、半導体基板２００の品質評価を行ってもよい。
【００５３】
図６は、多層半導体基板７００の漏洩電流または絶縁破壊電圧の測定方法のフローチャートを示す。図７は、多層半導体基板７００および測定装置２４０の一例を示す。本実施態様においては、半導体基板２００の上に多層半導体層７６０が形成された多層半導体基板７００の漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する。多層半導体基板７００は、ベース基板２１０、バッファ層２２０、および多層半導体層７６０を、この順に有する。
【００５４】
多層半導体層７６０は、半導体層７６２、半導体層７６４、および半導体層７６６を含む。多層半導体層７６０は、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、「ＦＥＴ」と称する場合がある）を形成することができる多層半導体層である。例えば、多層半導体層７６０は、ＦＥＴの一例である高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、「ＨＥＭＴ」と称する場合がある）を形成できる多層半導体層である。半導体層７６４は、２次元キャリアガスによるキャリアチャネルを形成するチャネル層である。半導体層７６２および半導体層７６６は、半導体層７６４にキャリアを供給するキャリア供給層である。
【００５５】
多層半導体層７６０は、図７に示した三層構造に限定したものではなく、二層であってもよく、より多い層によって構成されてもよい。多層半導体層７６０の各層は、半導体基板２００の上に順次エピタキシャルに形成される。エピタキシャル成長法として、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法を例示できる。
【００５６】
図６に示すように、本実施態様の測定方法は、多層半導体基板７００を準備する段階Ｓ６１０、多層半導体層７６０を除去する段階Ｓ６２０、正孔注入電極７３０および正孔収集電極７３２を設ける段階Ｓ６３０、正孔注入電極７３０および正孔収集電極７３２の間の電流電圧特性を測定する段階Ｓ６４０、および、正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ６５０を備える。以下、図７の例を用いて、本実施態様の測定方法を説明する。但し、図１の実施態様と重複する内容について、説明を省略する場合がある。
【００５７】
多層半導体基板７００を準備する段階Ｓ６１０において、多層半導体基板７００を準備する。多層半導体基板７００は、例えば、既に半導体基板２００の上に多層半導体層７６０が形成された多層半導体基板である。
【００５８】
多層半導体層７６０を除去する段階Ｓ６２０において、エッチング等の方法により、多層半導体基板７００の多層半導体層７６０の少なくとも一部を除去して、バッファ層２２０の少なくとも一部の表面を露出する。多層半導体層７６０の全部を除去して、バッファ層２２０の表面の全部を露出することが好ましい。
【００５９】
多層半導体層７６０の一部を除去する場合には、フォトリソグラフィ法により、多層半導体層７６０の表面に、除去予定の部分に開口が設けられるレジストマスクを形成する。その後、リン酸等を用いてエッチングすることによりマスクの開口部の多層半導体層７６０を除去して、バッファ層表面を露出してよい。図７は、多層半導体基板７００の右側一部の多層半導体層７６０を除去した場合を示す。
【００６０】
正孔注入電極７３０および正孔収集電極７３２を設ける段階Ｓ１３０において、露出されたバッファ層２２０に接して、正孔注入電極７３０および正孔収集電極７３２を設ける。正孔注入電極７３０は、電界が印加されると、バッファ層２２０に正孔を注入する材料を含む。正孔収集電極７３２は、電界が印加されると、バッファ層２２０から正孔を収集する材料を含む。正孔注入電極７３０および正孔収集電極７３２を形成する方法は、正孔注入電極２３０および正孔収集電極２３２を形成する方法と同一であってよい。図２に示した方法と同様の方法により、正孔注入電極７３０および正孔収集電極７３２を用いて、多層半導体基板７００における正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定することができる。
【００６１】
図８は、多層半導体基板７００および測定装置５４０の一例を示す。本実施態様においては、多層半導体基板７００の一部の多層半導体層７６０を除去して、露出されたバッファ層２２０の表面に、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を形成する。その後、測定装置５４０を用いて、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間の電子の移動による電流電圧特性を測定する。
【００６２】
本測定方法においては、図６に示した多層半導体基板７００を準備する段階Ｓ６１０、多層半導体層７６０を除去する段階Ｓ６２０、図５に示した複数の電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を設ける段階Ｓ４４０、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間の電流または電圧を測定する段階Ｓ４６０、および電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ４８０を実施する。
【００６３】
多層半導体層７６０を除去する段階Ｓ６２０においては、多層半導体層７６０の一部を除去し、バッファ層２２０の一部の表面を露出する。図５に示した電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を設ける段階Ｓ４４０においては、露出されたバッファ層２２０に接して、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２を形成する。
【００６４】
電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間の電流または電圧を測定する段階Ｓ４６０においては、電子注入電極５３０および電子収集電極５３２の間の電流電圧特性を測定する。最後に、電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する段階Ｓ４８０においては、測定した電流電圧特性から、多層半導体基板７００における電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する。
【００６５】
図９は、多層半導体基板７００、測定装置２４０、および測定装置５４０の一例を示す。本実施態様においては、多層半導体基板７００の一部の多層半導体層７６０を除去することにより露出したバッファ層２２０の表面に、正孔注入電極２３０、正孔収集電極２３２、電子注入電極５３０、および電子収集電極５３２を設ける。これらの電極を用いて、多層半導体基板７００の漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する。
【００６６】
同一の多層半導体基板７００に、正孔注入電極２３０、正孔収集電極２３２、電子注入電極５３０、および電子収集電極５３２を設けることにより、正孔の移動による電流電圧特性と電子の移動による電流電子特性とを同時に測定できる。
【００６７】
以上説明した実施態様においては、電流電圧特性の測定方法として、２つの測定探針を一対の電極に接触させて測定する２端子測定法の例を用いて説明した。電流電圧特性を測定する方法としては、４端子測定法を用いてもよい。４端子測定法としては、直線配列４端子測定法とＶａｎ  Ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法を例示できる。
【００６８】
図１０は、半導体基板２００および測定装置１０５０の一例を示す。測定装置１０５０は、直線配列４端子測定法により半導体基板２００の漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定することができる。図１０に示す構成においては、半導体基板２００のバッファ層２２０の表面に４つの電極１０３０を設けて、測定装置１０５０を用いて、半導体基板２００の漏洩電流を測定する。測定装置１０５０は、スイッチ１０５２、直流電流源１０５４、電圧計１０５６、および４本の測定探針１０５８を有する。
【００６９】
正孔の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する場合には、電極１０３０が正孔注入電極である。電子の移動による漏洩電流または絶縁破壊電圧を測定する場合には、電極１０３０が電子注入電極である。測定方法の一例として、外側の２つの電極１０３０の間に直流電流源１０５４により一定の電流を流して、電圧計１０５６により、内側の２つの電極１０３０の間の電圧を測定する。測定した結果により、内側の２つの電極１０３０の間の電気抵抗を測定することができる。測定した電気抵抗の値により、半導体基板２００の漏洩電流を評価することができる。
【００７０】
前述の各実施態様における２端子測定法は、４端子測定法によって置き換えてよい。また、前述の各実施態様において、半導体基板２００または多層半導体基板７００に、２端子測定用電極および４端子測定用電極を共に形成して、２端子測定および４端子測定を同時に実行してもよい。２端子測定用電極および４端子測定用電極として兼用する電極を設けてもよい。
【００７１】
半導体基板２００または多層半導体基板７００の電気的特性を、それぞれ２端子測定法および４端子測定法により測定する場合に、それぞれの測定において正孔の移動による電流電圧特性を測定してよい。また、それぞれの測定において電子の移動による電流電圧特性を測定してもよい。また、いずれか一方の測定においては正孔の移動による電流電圧特性を測定し、他方の測定においては電子の移動による電流電圧特性を測定してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
２００  半導体基板、２１０  ベース基板、２２０  バッファ層、２２２  下部バッファ層、２２４  上部バッファ層、２３０  正孔注入電極、２３２  正孔収集電極、２４０  測定装置、２４２  スイッチ、２４４  電流計、２４６  直流電圧源、２４８  測定探針、５３０  電子注入電極、５３２  電子収集電極、５４０  測定装置、５４２  スイッチ、５４４  電流計、５４６  直流電圧源、５４８  測定探針、７００  多層半導体基板、７３０  正孔注入電極、７３２  正孔収集電極、７６０  多層半導体層、７６２  半導体層、７６４  半導体層、７６６  半導体層、１０３０  電極、１０５０  測定装置、１０５２  スイッチ、１０５４  直流電流源、１０５６  電圧計、１０５８  測定探針
【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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【図９】
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【図１０】
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