(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性ＧａＡｓ基板を評価する方法であって、
該ＧａＡｓ基板結晶の熱刺激電流を利用して、該半絶縁性ＧａＡｓ基板に設けられるショットキーゲート電界効果トランジスター(MESFET）素子のドレインコンダクタンス（ｇｄ）の周波数分散特性を評価することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体評価技術に関し、特にＭＥＳＦＥＴ素子のｇｄについての周波数分散特性を該素子を作成することなく評価可能とする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＧａＡｓ半導体の電子素子は半絶縁性基板上に作製される。これは、半絶縁性基板は、素子の分離の効果をその半絶縁性によりもたらすものであるから、該素子分離が容易に達成できるという利点をもつからである。
【０００３】
さらに、上記作用をもたらす該半絶縁性は、深い準位と呼ばれる欠陥により実現されているといわれている（E.J.Johnson, J.A.Kaflas and R.W.Davies, J.Appl.Phys.,54,(1983),24）。しかしながら、該深い準位と呼ばれる欠陥については、まだその性質や振舞に関しては充分解明されていない。実際これら深い準位は結晶の成長環境や結晶が受ける熱履歴により影響されやすいことが知られており、また製造上充分制御することが難しい。
【０００４】
従って、該素子特性に不確定で、不安定な現象等が生じる場合もある。その中の１つが周波数分散である。これは簡単には、素子特性が入力信号の周波数に対し変動する現象である。該周波数分散が存在すると種々の悪影響、例えば広帯域の周波数成分を含む矩形信号等が正しく信号伝達されない、パルス遅延問題や、高周波の素子特性が直流特性と異なる等の原因となる。
【０００５】
従って、この周波数分散を評価することは、該基板の製造、また該基板上に形成されるデバイスの特性光極めて重要である。この周波数分散を測定する従来の手法は、実際に測定されるべき半絶縁性基板上に素子を作製し、該素子に入力した交流信号に対する素子特性の変動を測定することにより評価していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の評価方法では実際に電子素子を形成しなければならず、従って評価に長期間を要するという問題点があった。さらに、この評価方法では得られた評価結果を、直ちに該基板製造の成長条件等に反映させ、制御するということが極めて困難であるという問題もあった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の問題点に鑑み、鋭意研究した結果、実際に、評価されるべき基板上に、素子を作製する必要がなく、迅速に評価可能とする方法を開発するにいたり本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は該く基板の最も重要な特性の１つであるドレインコンダクタンスｇｄの周波数分散特性を素子を作製することなく、評価可能とすることである。さらに詳しくは、本発明の目的は、ＭＥＳＦＥＴ素子の代表的な特性であるドレインコンダクタンスｇｄの周波数分散を、該基板上に素子を作製することなく該基板の特性を用いて評価可能とすることにある。すなわち、該周波数分散を半絶縁性材料の深い準位を電気的に評価する方法である熱刺激電流法を用いて測定することを特徴とする化合物半導体の評価方法を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の、詳細な説明を行う。
【００１０】
一般に、ＧａＡｓ基板特性は電気的（例えばＦＥＴのしきい値、抵抗率、移動度）および光学的（例えばＰＬ、ＣＬ）特性またその面内均一性等を意味し、本発明では特にこれらに加えて電子デバイスの過渡特性（周波数分散、パルス遅延等）にも注目するものである。
【００１１】
熱刺激電流は、半絶縁性半導体基板中の電気的に活性な欠陥である深い準位をエネルギー分光学的に評価できる唯一の方法であり、ＧａＡｓに対してもこの手法を用いた研究が行われている（D.I.Desnica, J.Electron.Material.,21,(1992)463、およびZ-Q.Fang and D.C.Look, Appl.Phys. Lett., 59,(1991)48)。この評価法を用いると、半定量的ではあるが深い準位を形成する欠陥の濃度を熱刺激電流信号のピーク強度により知ることができるものである。
【００１２】
本発明者らの知見によれば、該深い準位が起因して生じる現象であるＭＥＳＦＥＴ素子のｇｄ特性の周波数分散と、該深い準位の濃度を半定量的に知ることができる熱刺激電流信号強度との相関について調べた結果以下の傾向があることを見出した。
【００１３】
始めに各パラメータについて説明しておく。
【００１４】
ＭＥＳＦＥＴのｇｄ特性とは、ＭＥＳＦＥＴが持つ三端子、ゲート、ドレイン、ソースのうちドレイン・ソース間に印加された電圧の微小変動ΔＶｄｓに対するドレイン電流の変動ΔＩｄｓの比で示される。
【００１５】
このΔＶｄｓの周波数を掃引させて、周波数分散を測定する。
【００１６】
ｇｄ（ｆ）＝ΔＩｄｓ（ｆ）／ΔＶｄｓ（ｆ）
ここで、理想的にはｇｄ値が周波数に依存せず一定であることが望ましいが、 実際には深い準位が引き起こすキャリアの放出捕獲に起因して変動する。ここでは周波数が10Hzのときの値ｇｄ（ｆ＝10Hz）と104Hzのときの値ｇｄ（ｆ＝104Hz）の比で周波数分散を定義することにする。この理由は該周波数変動幅内において該基板を評価するのが好ましいからである。
【００１７】
分散＝ｇｄ（ｆ＝104Hz）／ｇｄ（ｆ＝10Hz）
理想的には該分散＝１であるが通常は、本発明者等の知見によりよれば、1.1〜1.3の値をとることが多い。
【００１８】
熱刺激電流の測定について説明する。
【００１９】
実際の１つの測定の態様としては、(1)まず、測定されるべき該半絶縁性基板の試料片を暗黒状態で極低温まで冷却し、後(2)該試料片に単色光を入射し、非平衡状態を作り、(3)ふたたび暗黒中に戻す。
【００２０】
この条件では、室温ならばただちに平衡状態に復帰するが、極低温であるため、非平衡状態のまま保存され、深い準位にキャリアが捕獲された状態が生じることとなる。ここで、該試料片を昇温しながら該試料片の電流を測定すると暗電流に加えて放出キャリアによる電流成分が検出される。得られる電流信号強度が、該基板の深い準位の欠陥濃度に比例するものであるり、従って該基板の上記分散に影響を及ぼす原因を検出可能である。
【００２１】
通常上記熱刺激電流の測定は、ＧａＡｓ結晶中に存在する代表的な深い準位ＥＬ２を消滅させない条件での入射光条件で測定を行う。実際該条件下で熱刺激電流測定を行った結果を、図１に示す。明らかにＴ1〜Ｔ2と印される６個のピークを持つ熱刺激電流スペクトルが得られる。これらのピークのいずれもが本発明の目的に使用できるものであるが、特に、Ｔ2（活性化エネルギー；0.26eV）とＴ3（0.31eV）のピーク強度比Ｔ2／Ｔ3とｇｄの周波数分散との間に図２に示す様な良好な相関が見出される。
【００２２】
なを、同様な関係は、Ｔ5（0.38eV）とＴ6（0.58eV）の強度比Ｔ5／Ｔ6とｇｄの周波数との間にもみられ、熱刺激電流信号が大きいものが好ましく用いられる。本実験ではＴ2およびＴ3の方がＴ5およびＴ6よりも熱刺激電流信号として大きいので、Ｔ2／Ｔ3の使用が最適と判断した。
【００２３】
このｇｄの周波数分散とＴ2／Ｔ3値の相関を利用することによりＭＥＳＦＥＴのｇｄ特性の周波数分散をあらかじめ知ることが出来る。さらに本発明にかかる測定法は時間およびコストの点で従来の素子を実際作製する場合に比較して格段の優位性を有する。
【００２４】
以下に本発明の実施例を説明し、本発明を具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
【００２５】
【実施例】
液体封止型チョクラルスキー法により作製された４種類のノンドープ半絶縁性４インチ基板を用いてＭＥＳＦＥＴにおけるｇｄの周波数分散および基板結晶の熱刺激電流を測定した。ｇｄの周波数分散特性は、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上にゲート長0.5μmのＭＥＳＦＥＴ構造をイオン注入とフォトリソグラフィー技術を用いて作製し測定を行った。
【００２６】
直流バイアスは、ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓ＝０Ｖ、ドレインソース間電圧Ｖｄｓ＝２Ｖに設定した。交流信号ΔＶｄｓの振幅は0.2Ｖとし、周波数は10Hz〜10kHzまで掃引した。測定は室温で行った。
【００２７】
熱刺激電流測定は、デバイス特性を調べた基板に隣接した基板を試料とした。4mm角に切出した試料片表面上にオーム性電極を形成し、電流測定系の端子と接続する。暗中に保管した試料を310Kまで昇温し初期化し、その後80K以下まで冷却する。ハロゲンランプの光をモノクロメーターを通じて単色化した波長830nmの光を5分間照射した後、その温度で25分間ふたたび暗黒状態で保存した。その後暗黒状態を保持したまま300Kまで一定昇温速度で昇温した。また、電極間には10Ｖのバイアス電圧を印加し熱刺激電流を測定した。典型的な熱刺激電流が図１に示されている。
【００２８】
(4)  得られた測定結果の１つを図２に示す。一般に、ｇｄの周波数分散ｇｄ(104Hz）/ｇｄ（10Hz）は、熱刺激電流の強度比Ｔ2／Ｔ3が大きい場合には小さくなり、逆にＴ2／Ｔ3が小さくなるにつれ周波数分散は大きくなる傾向が見られる。つまり、Ｔ2／Ｔ3の数値から周波数分散の大小が求められることが明らかとなった。
【００２９】
さらに、必要ならば充分な回数の同様な測定を行い上記のさらに信頼性の高い関係も得ることが可能である（例えば、回帰分析を用いる）。
【００３０】
以上説明したように、本発明の評価方法を用いれば、ＭＥＳＦＥＴ素子のgd周波数分散が、素子を形成することなく、基板評価法の１つである熱刺激電流により容易に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半絶縁性ＧａＡｓ基板の典型的な熱刺激電流スペクトルを示すものである。
【図２】ＭＥＳＦＥＴのドレインコンダクタンスｇdの周波数分散ｇd(f=10kHz)/ｇd(f=10Hz)と熱刺激電流におけるピーク強度Ｔ2／Ｔ3との相関を示すものである。
【図１】
0003635755.tif 000002
【図２】
0003635755.tif 000003