(57)【要約】      （修正有）【課題】精度が高い測定が可能で評価後に電極を容易に除去できるワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の測定方法及び測定装置を提供する。【解決手段】評価装置は、ワイドギャップ半導体表面に接触し、ショットキー電極として作用する第１電極２０ａと、擬似的オーミック電極として作用する第２電極２０ｂと、を形成する水銀プローブ２０、電圧パルス発生部、インピーダンス測定部、単色光照射部及び制御部を備えており、ワイドギャップ半導体への単色分光照射による欠陥準位からの光励起に伴うフォトキャパシタンスの過渡応答を利用してワイドギャップ半導体に残存する欠陥準位情報を検出・分析する。水銀プローブ２０を用いることにより、ワイドギャップ半導体にあらかじめ電極を形成する必要がなく、更に非侵襲であるため、バンドギャップ電子物性測定後に、簡単に元の状態に戻すことができる。【選択図】図３
2014027193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のワイドギャップ半導体または測定に用いる単色光に対し透光性を有する基板に形成されたワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法であって、
前記ワイドギャップ半導体の表面に接触し、ショットキー電極として作用する第１電極と、擬似的オーミック電極として作用する第２電極と、を形成する水銀プローブを用意し、
前記水銀プローブにより、前記ワイドギャップ半導体にパルス電圧を印加し、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ内準位に電荷注入を行い、
前記ワイドギャップ半導体に対し、前記水銀プローブが接触する面の反対側の面から、光励起を生じさせる波長及び強度の単色光を照射し、
前記パルス電圧印加後の単色光照射環境下でのインピーダンスを測定し、このインピーダンスに基づいて、照射した前記単色光の波長と、キャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性を評価することを特徴とするワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法。
【請求項２】
前記第１電極はドット状に形成され、前記第２電極は前記第１電極を囲むリング状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法。
【請求項３】
前記水銀プローブを複数用意し、複数箇所のバンドギャップ電子物性を同時に評価可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法。
【請求項４】
前記ワイドギャップ半導体は、窒化物、酸化物、または有機物からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法。
【請求項５】
板状のワイドギャップ半導体または測定に用いる単色光に対し透光性を有する基板に形成されたワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置であって、
前記ワイドギャップ半導体の表面に接触し、ショットキー電極として作用する第１電極と、擬似的オーミック電極として作用する第２電極と、を形成する水銀プローブと、
前記水銀プローブにより前記ワイドギャップ半導体にパルス電圧を印加可能な電圧パルス発生手段と、
前記ワイドギャップ半導体に対し、前記水銀プローブが接触する面の反対側の面から単色光を波長が可変で照射可能な単色光照射手段と、
前記ワイドギャップ半導体のインピーダンスを検出するインピーダンス測定手段と、を備え、
前記パルス電圧印加後の単色光照射環境下でのインピーダンスを測定し、このインピーダンスに基づいて、照射した前記単色光の波長と、キャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性を評価することを特徴とするワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置。
【請求項６】
前記第１電極はドット状に形成され、前記第２電極は前記第１電極を囲むリング状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置。
【請求項７】
前記水銀プローブを複数備え、複数箇所のバンドギャップ電子物性を同時に評価可能であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の多機能デバイス用半導体において、バンドギャップ電子物性はデバイス特性に直結する極めて重要なファクターであり、その測定技術は重要である。超高速大容量データ通信が可能な携帯移動体通信や高度交通システムの実現に向けて、窒化物半導体の高周波パワーデバイスは開発途上にある。その実用化には、窒化物半導体ウエハの製造工程とデバイス特性の両面を結びつけるウエハの点欠陥レベルの品質管理が極めて重要となる。そこで、バンドギャップ電子物性の測定技術として、例えば、非特許文献１には、半導体の表面にＰｔなどの貴金属によりショットキー電極を形成するＳｉやＧａＡｓ等のバンドギャップ電子物性測定技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Simon M. Sze，"Physics of Semiconductor Devices" 2nd Edition, Chapter5."Metal-Semiconductor Contacts" (p.１４5-311),JohnWiley & Sons, 1981 (published simultaneously in Canada)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、物性測定に必要な良好なショットキーダイオードが作製できないため、ＧａＮ、ＺｎＯなどのワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性は十分に測定することができない。
また、測定するワイドギャップ半導体に良好なショットキー特性を示す電極形成プロセスが必要であるが、評価後に電極を除去できないので、そのウエハはデバイスの製造に使用することができなくなり、高価なウエハを評価のみに使用するとともに、インラインプロセスとして適用できないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、精度が高い測定が可能で評価後に電極を容易に除去できるワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性の測定方法及び測定装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、板状のワイドギャップ半導体または測定に用いる単色光に対し透光性を有する基板に形成されたワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法であって、前記ワイドギャップ半導体の表面に接触し、ショットキー電極として作用する第１電極と、擬似的オーミック電極として作用する第２電極と、を形成する水銀プローブを用意し、前記水銀プローブにより、前記ワイドギャップ半導体にパルス電圧を印加し、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ内準位に電荷注入を行い、前記ワイドギャップ半導体に対し、前記水銀プローブが接触する面の反対側の面から、光励起を生じさせる波長及び強度の単色光を照射し、前記パルス電圧印加後の単色光照射環境下でのインピーダンスを測定し、このインピーダンスに基づいて、照射した前記単色光の波長と、キャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性を評価する、という技術的手段を用いる。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、ワイドギャップ半導体への単色分光照射による欠陥準位からの光励起に伴うフォトキャパシタンスの過渡応答を利用してワイドギャップ半導体に残存する欠陥準位情報を検出・分析することができる。これにより、ワイドギャップ半導体の深い準位や価電子帯情報などのバンドギャップ電子物性測定を高感度に行うことができる。
また、水銀プローブの電極を用いることにより、水銀は仕事関数が大きく良好なショットキー電極として作用する第１電極を形成可能であり、大きな表面張力を有する液体電極を形成することができるため、再現性が高いバンドギャップ電子物性測定が可能である。ワイドギャップ半導体にあらかじめ電極を形成する必要がなく、更に非侵襲であるため、バンドギャップ電子物性測定後に、簡単に元の状態に戻すことができる。これにより、例えば、ウエハ製造プロセスで欠陥準位を測定し、得られた欠陥準位情報を次の結晶成長条件に反映させたり、デバイス特性と欠陥準位の関係を１：１で対応付けるという、欠陥準位のインラインプロセス評価が可能となる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法において、前記第１電極はドット状に形成され、前記第２電極は前記第１電極を囲むリング状に形成されている、という技術的手段を用いる。
【０００９】
各電極を請求項２に記載の発明のように構成することにより、電界集中がなく一様となるため、測定精度を向上させることができ、好ましい。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法において、前記水銀プローブを複数用意し、複数箇所のバンドギャップ電子物性を同時に評価可能である、という技術的手段を用いる。
【００１１】
請求項３に記載の発明のように、水銀プローブを複数用意し、複数箇所のバンドギャップ電子物性を同時に評価することにより、ワイドギャップ半導体の面内の欠陥準位マッピングを行うことができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法において、前記ワイドギャップ半導体は、窒化物からなる、という技術的手段を用いる。
【００１３】
現状、窒化物系の半導体は他の半導体に比べ欠陥が多く結晶性が低いため、バンドギャップ電子物性測定の重要性は高い。本発明のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法は、請求項４に記載の発明のように、バンドギャップが広い窒化物からなるワイドギャップ半導体に好適に適用することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、板状のワイドギャップ半導体または測定に用いる単色光に対し透光性を有する基板に形成されたワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置であって、前記ワイドギャップ半導体の表面に接触し、ショットキー電極として作用する第１電極と、擬似的オーミック電極として作用する第２電極と、を形成する水銀プローブと、前記水銀プローブにより前記ワイドギャップ半導体にパルス電圧を印加可能な電圧パルス発生手段と、前記ワイドギャップ半導体に対し、前記水銀プローブが接触する面の反対側の面から単色光を波長が可変で照射可能な単色光照射手段と、前記ワイドギャップ半導体のインピーダンスを検出するインピーダンス測定手段と、を備え、前記パルス電圧印加後の単色光照射環境下でのインピーダンスを測定し、このインピーダンスに基づいて、照射した前記単色光の波長と、キャパシタンス又はコンダクタンスの変化率との対応関係により前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性を評価する、という技術的手段を用いる。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、ワイドギャップ半導体への単色分光照射による欠陥準位からの光励起に伴うフォトキャパシタンスの過渡応答を利用してワイドギャップ半導体に残存する欠陥準位情報を検出・分析することができる。これにより、ワイドギャップ半導体の深い準位や価電子帯情報などのバンドギャップ電子物性測定を高感度に行うことができる。
また、水銀プローブの電極を用いることにより、水銀は仕事関数が大きく良好なショットキー電極として作用する第１電極を形成可能であり、大きな表面張力を有する液体電極を形成することができるため、再現性が高いバンドギャップ電子物性測定が可能である。ワイドギャップ半導体にあらかじめ電極を形成する必要がなく、更に非侵襲であるため、バンドギャップ電子物性測定後に、簡単に元の状態に戻すことができる。これにより、例えば、ウエハ製造プロセスで欠陥準位を測定し、得られた欠陥準位情報を次の結晶成長条件に反映させたり、デバイス特性と欠陥準位の関係を１：１で対応付けるという、欠陥準位のインラインプロセス評価が可能となる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置において、前記第１電極はドット状に形成され、前記第２電極は前記第１電極を囲むリング状に形成されている、という技術的手段を用いる。
【００１７】
各電極を請求項６に記載の発明のように構成することにより、電界集中がなく一様となるため、測定精度を向上させることができ、好ましい。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、請求項５または請求項６に記載のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定装置において、前記水銀プローブを複数備え、複数箇所のバンドギャップ電子物性を同時に評価可能である、という技術的手段を用いる。
【００１９】
請求項７に記載の発明のように、水銀プローブを複数用意し、複数箇所のバンドギャップ電子物性を同時に評価することにより、ワイドギャップ半導体の面内の欠陥準位マッピングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ワイドギャップ半導体材料を備えた評価試料の断面説明図である。
【図２】評価装置の構成を示す説明図である。
【図３】水銀プローブの第１電極及び第２電極の構成を示す説明図である。
【図４】バンド構造の測定方法を示す説明図である。
【図５】本発明で測定可能なバンド構造の概念図である。
【図６】実施例１に係るＧａＮの容量−電流特性を示す説明図である。
【図７】実施例１に係るＧａＮの測定例であり、入射光エネルギーとキャパシタンスの変化量の関係を示す説明図である。
【図８】実施例２に係るＩｎＧａＮの測定例であり、入射光エネルギーとキャパシタンスの変化量の関係を示すスペクトルの測定電圧（深さ領域）依存性を示す説明図である。
【図９】水銀プローブの変更例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態について、サファイア基板上に形成されたＧａＮ薄膜のバンドギャップ電子物性評価を例に図を参照して説明する。
【００２２】
まず、評価対象となるワイドギャップ半導体を用意する。本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、サファイア基板１１上にｕｄ（ｕｎｄｏｐｅ）−ＧａＮ膜１２を介してｎ−ＧａＮ膜１３を積層して形成された評価試料１を用意した。
【００２３】
図２に示すように、評価装置２は、水銀プローブ２０、電圧パルス発生部２１、インピーダンス測定部２２、単色光照射部２３及び制御部２４を備えている。
【００２４】
水銀プローブ２０の構成は、電極構成を除き、水銀を電極として用いてＣ−Ｖ（容量−電圧）特性の測定に用いられる公知の水銀プローブの構成を採用することができる。
【００２５】
図３に示すように、水銀プローブ２０は、ワイドギャップ半導体表面、ここではｎ−ＧａＮ膜１３に接触し、ショットキー電極として作用する第１電極２０ａと、擬似的オーミック電極として作用する第２電極２０ｂと、を形成する。水銀は仕事関数が大きいため、第１電極２０ａを良好なショットキー電極として作用する電極として形成可能である。
【００２６】
第１電極２０ａ及び第２電極２０ｂの形状は任意であるが、本実施形態では、第１電極２０ａは中心部に円形のドット状に形成され、第２電極２０ｂは第１電極２０ａを取り囲むようにリング状に形成されている。各電極をこのように構成することにより、電界集中がなく一様となるため、測定精度を向上させることができ、好ましい。
なお、第１電極２０ａは楕円や多角形でもよいし、第２電極２０ｂはＣ型の形状や矩形状などでもよい。
【００２７】
第１電極２０ａと第２電極２０ｂとの間隔は、水銀プローブ２０の大きさを小さくするとともに、測定時のワイドギャップ半導体の抵抗成分を小さくするという観点からできるだけ小さくすることが好ましい。
【００２８】
第１電極２０ａとワイドギャップ半導体との界面に形成される電子空乏層容量を高精度で測定できるように、第１電極２０ａの面積に対する第２電極２０ｂの面積比を大きく維持したまま、第１電極２０ａの面積を小さくすることで接合容量を低減することが好ましく、例えば、第１電極２０ａをφ０．１〜２ｍｍに形成し、第２電極２０ｂの面積を第１電極２０ａの面積の３０倍以上に形成することが好ましい。例えば、接合容量を１．０ｎＦ以下とすることにより、分解能１０ｆＦの高分解能測定を可能とする。
【００２９】
電圧パルス発生部２１は、水銀プローブ２０により所定の電圧パルスをワイドギャップ半導体、ここではｎ−ＧａＮ膜１３に印加する。
【００３０】
インピーダンス測定部２２は、水銀プローブ２０により形成される第１電極２０ａと第２電極２０ｂとの間のインピーダンスを測定することにより、ワイドギャップ半導体のインピーダンス変化を測定する。
【００３１】
単色光照射部２３は、ワイドギャップ半導体に対し、水銀プローブ２０が接触する面の反対側の面から単色光（例えば、波長領域３００〜２０００ｎｍ）を照射可能に構成されている。単色光照射部２３は、例えば、ハロゲン光源、モノクロメータ及びフィルターを備えており、ＧａＮの第１電極２０ａに対応する領域に、所定の波長、強度の単色光を所定のタイミングで照射する。ここで、単色光を集光し、第１電極２０ａとワイドギャップ半導体との界面に照射される強度を高めるために、集光用レンズやコリメータなどを備えることもできる。
【００３２】
制御部２４は、電圧パルス発生部２１、インピーダンス測定部２２及び単色光照射部２３を制御し、条件設定部／測定制御部２５、演算部２６などを備えている。
【００３３】
条件設定部／測定制御部２５は、単色光照射部２３に対して光照射のタイミング、波長、強度を設定制御し、電圧パルス発生部２１に対して電圧パルスの強度（パルス電圧）、パルス期間、印加タイミングを制御し、インピーダンス測定部２２に対しては、インピーダンス測定のタイミング等を制御する。
【００３４】
演算部２６は、インピーダンス測定部２２で測定されたインピーダンスの値を収集し、照射光データ（エネルギー換算値）、電圧パルスの印加タイミング、強度などのデータを得て、インピーダンスとの対応関係を演算・検出する。
【００３５】
次に、評価装置２による評価試料１の測定方法について説明する。
【００３６】
まず、評価試料１をｎ−ＧａＮ膜１３が下向きになるように図示しない保持部材により保持した後に、下方から水銀プローブ２０を接触させて、ワイドギャップ半導体表面に第１電極２０ａ及び第２電極２０ｂを形成する。
なお、評価試料１をｎ−ＧａＮ膜１３が上向きになるように保持し、上方から水銀プローブ２０を接触させる構成を採用することもできる。
【００３７】
次に、図５（Ａ）に示すような光を遮断した状態で、第２電極２０ｂと第１電極２０ａとの間にゼロバイアス、もしくは、順方向電圧パルスを数マイクロ秒から数十秒印加することで、ｎ−ＧａＮ膜１３のバンドギャップ内準位に電荷注入を行う。ここで、陽極は第１電極２０ａ、陰極は第２電極２０ｂである。パルスの電圧値、パルス幅などは、評価対象である半導体材料への電荷注入性に応じて設定することができる。
【００３８】
パルス電圧印加後、第２電極２０ｂと第１電極２０ａに印加する電圧を測定電圧とし、光励起を生じさせる所定の波長及び強度の単色光を水銀プローブ２０が接触する面の反対側の面、つまり、サファイア基板１１側からｎ−ＧａＮ膜１３の第１電極２０ａに対応する領域に、一定時間（例えば、ｎ−ＧａＮ膜１３のキャパシタンスＣが飽和するのに要する時間）照射する。ｎ−ＧａＮ膜１３に単色光を照射すると、図６に示すようなバンドギャップ内で、浅い準位が短時間に熱励起し、続いて光学励起が発生する。この光学励起は、本実施形態において測定しようとするバンドギャップの深い準位からの励起を含んでいる。
【００３９】
インピーダンス測定部２２は、図５（Ｃ）に示すような、この熱励起及び光励起に基づくｎ−ＧａＮ膜１３のキャパシタンスＣの時間応答を測定する。
【００４０】
以上の測定により、所定の波長の光照射に対するキャパシタンスの比の関係（変化率）が得られる。図５（Ｂ）に示すように、照射する単色光の波長を、例えば１６００〜３００ｎｍの範囲で、低エネルギー側から高エネルギー側に変更して繰り返し測定し、各分光波長毎に光励起に伴うフォトキャパシタンスの過渡応答特性を測定することにより、演算部２６により、入射光のエネルギーとキャパシタンスの変化率との関係を得ることができる。入射光のエネルギーが欠陥準位に、キャパシタンスの変化率が欠陥濃度にそれぞれ対応する。これにより、半導体材料のバンドギャップ内準位を、エネルギー的に浅い方向から深い方向へ順次検出することができる。
【００４１】
キャパシタンスの変化率を、インピーダンスの測定周波数を変えて測定し、測定周波数依存性を調べることにより、バンドギャップ内準位情報が適切に得られる測定周波数を設定し、高キャリア濃度のｎ−ＧａＮ膜１３のバンドギャップ内準位情報を評価することができる。また、測定電圧を可変することで膜厚深さ方向分布が測定評価できる。
【００４２】
また、発光性欠陥, 非発光性欠陥のいずれも検出できる。
【００４３】
そして、水銀プローブ２０では吸引機構（図示せず）で水銀を除去し、水銀プローブ２０を評価試料１の下方に移動させ、測定を終了する。
【００４４】
本測定方法によれば、１×１０１８ｃｍ−３程度の高キャリア濃度を有するワイドギャップ半導体においてもバンドギャップ電子物性測定が可能である。これにより、１×１０１６〜１×１０１８ｃｍ−３という広いキャリア濃度範囲内のワイドギャップ半導体のバンド構造解析が可能となり、ＧａＮのようにバンドギャップが広い（０．８〜３．４ｅＶ）窒化物半導体の全域に亘って測定できる。高キャリア濃度の測定が可能となることから、従来技術では測定が困難であった半導体表面部のバンドギャップ物性情報を検出できる。
【００４５】
また、水銀プローブ２０を用いることにより、水銀は仕事関数が大きく良好なショットキー電極として作用する第１電極２０ａを形成可能であり、大きな表面張力を有する液体電極を形成することができるため、再現性が高いフォトキャパシタンス測定が可能である。ワイドギャップ半導体に電極を形成する必要がなく、更に非侵襲であるため、バンドギャップ電子物性測定後に、簡単に元の状態に戻すことができる。これにより、例えば、ウエハ製造プロセスで欠陥準位を測定し、得られた欠陥準位情報を次の結晶成長条件に反映させたり、デバイス特性と欠陥準位の関係を１：１で対応付けるという、欠陥準位のインラインプロセス評価が可能となる。
【００４６】
（実施例１）
サファイア基板上に１μｍのｕｄ−ＧａＮ膜を介して３μｍのｎ−ＧａＮ膜を積層して形成された評価試料を用意した。ここで、ｎ−ＧａＮ膜は、キャリア濃度１×１０１７ｃｍ−３以下でＳｉがドープされたＧａＮ膜である。
【００４７】
水銀プローブにより逆バイアスを印加したときのキャパシタンスを測定して容量−電圧特性を評価すると、図６に示すように、容量−電圧特性は、右下がりの直線関係を示した。容量からは空乏層がどこまで伸びているかがわかるため、この容量−電圧特性から、電圧を何Ｖに設定すればｎ−ＧａＮ膜のどの領域を測定しているかがわかるので、測定領域について適切な測定条件を決めた。また、得られた直線の傾きからキャリア濃度を算出することができるため、キャリア濃度のデプスプロファイルから測定電圧に対応する測定領域のキャリア濃度|Ｎｄ−Ｎａ|を得た。
【００４８】
ここで、Ｘ切片より、ビルトインポテンシャルＶｂｉは、０．９９ｅＶと算出され、第１電極とｎ−ＧａＮ膜とにより良好なショットキーダイオードが形成されていることが確認された。
【００４９】
次にハロゲン光源を用いて１６００〜３００ｎｍの単色分光をサファイア基板面から照射し、各分光波長毎に光励起に伴うフォトキャパシタンスの過渡応答特性を測定し、その飽和値から入射光エネルギー（ｅＶ）とフォトキャパシタンスΔＣ／Ｃ０の変化量の関係のスペクトルを得た。図７に、入射光エネルギー（ｅＶ）とフォトキャパシタンスΔＣ／Ｃ０の変化量の関係のスペクトルの測定周波数依存性を示す。ここで、キャパシタンスＣ０は、基準状態（暗状態かつ、非電荷注入状態）での値であり、２|Ｎｄ−Ｎａ|ΔＣ／Ｃ０は、欠陥準位濃度（ｃｍ-3）を示すものである。測定条件は、キャリア注入の電圧パルスはパルス電圧０Ｖ、パルス幅１．０ｓとし、測定電圧は−２Ｖ、インピーダンス測定周波数は１００ｋＨｚとした。第１電極／ｎ−ＧａＮ界面であるショットキー接合面積は５．９７×１０−３ｃｍ２である。
【００５０】
図７に示すように、５つのエネルギー準位（Ｔ１〜Ｔ５）とその濃度というバンドギャップ電子物性を高感度で検出することができた。
【００５１】
（実施例２）
図８に、サファイア基板上に形成されたＩｎＧａＮ膜について、入射光エネルギーとキャパシタンスの変化量の関係のスペクトルの測定電圧依存性を示す。測定試料は、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板にｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（３００ｎｍ、ドナー濃度１×１０１８ｃｍ−３）／ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（３μｍ）を堆積後にｕｄ−ＩｎＧａＮ厚膜（〜１００ｎｍ）を形成したものであり、Ｉｎ組成は約１０％である。測定電圧は、−５、−３、−１Ｖの３水準とした。その他の測定条件は実施例１と同様である。なお、図中の測定電圧−５、−３Ｖの測定結果は縦軸のレンジを５倍に拡大したものを示す。
【００５２】
測定電圧が−５、−３、−１Ｖの順、つまり、表面に近いほど、伝導帯下〜１．８ｅＶと〜２．８ｅＶ付近に存在する２つの欠陥準位の準位密度が増加する傾向が認められ、ＩｎＧａＮ表面層のバンドギャップ準位測定も可能であることがわかった。これにより、キャパシタンスの変化率を、測定電圧を変えて測定し、測定電圧依存性を調べることにより、表面層のバンドギャップ準位情報が適切に得られる測定電圧を設定し、表面層のバンドギャップ準位情報を評価することができることが確認された。
【００５３】
（変更例）
現状、窒化物系の半導体は他の半導体に比べ欠陥が多く結晶性が低いため、バンドギャップ電子物性測定の重要性は高く、本発明の測定方法及び装置を好適に用いることができる。
本発明の測定方法及び装置は、上述のＧａＮやＩｎＧａＮに限定されるものではなく、バンドギャップが０．８ｅＶを超えるようなワイドギャップ半導体に好適に適用することができる。例えば、ＡｌＮ、ＢＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化物系、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２などの酸化物系、ダイアモンド、ＳｉＣ、グラフェンなどの炭化物系、トリス（８−キノリノラト）アルミニウムＡｌｑ３などの有機物系の半導体などを挙げることができる。また、ＳｉＣ、ＺｎＯなど板状に形成可能なものは、基板上に形成することなくバルクの状態でも測定可能である。
【００５４】
基板として、サファイア、ＳｉＯ２、ガラスなどからなるものを用いることができる。ここで、基板材料のバンドギャップは評価する半導体膜よりも広い。
【００５５】
本発明の測定方法及び装置によれば、ｐ型、ｎ型いずれのワイドギャップ半導体も評価することができる。ｐ型半導体を評価する場合は、第１電極２０ａが陽極、第２電極２０ｂが陰極となるように構成する。
【００５６】
複数の水銀プローブ２０を用意し、ワイドギャップ半導体の異なる位置でバンドギャップ電子物性を同時に評価することにより、ワイドギャップ半導体の面内の欠陥準位マッピングを行うことができる。また、図９に示すように、第２電極２０ｂを全面に形成し、測定箇所のみ第１電極２０ａを配置するような構成も採用することができる。
【００５７】
［実施形態の効果］
本発明のワイドギャップ半導体のバンドギャップ電子物性測定方法及び測定装置によれば、ワイドギャップ半導体への単色分光照射による欠陥準位からの光励起に伴うフォトキャパシタンスの過渡応答を利用してワイドギャップ半導体に残存する欠陥準位情報を検出・分析することができる。これにより、ワイドギャップ半導体の深い準位や価電子帯情報などのバンドギャップ電子物性測定を高感度に行うことができる。
また、水銀プローブ２０を用いることにより、水銀は仕事関数が大きく良好なショットキー電極として作用する第１電極２０ａを形成可能であり、水銀は仕事関数が大きく、大きな表面張力を有する液体電極を形成することができるため、再現性が高いバンドギャップ電子物性評価が可能である。ワイドギャップ半導体にあらかじめ電極を形成する必要がなく、更に非侵襲であるため、バンドギャップ電子物性測定後に、簡単に元の状態に戻すことができる。これにより、例えば、ウエハ製造プロセスで欠陥準位を測定し、得られた欠陥準位情報を次の結晶成長条件に反映させるという、欠陥準位のインラインプロセス評価が可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１…評価試料
２…評価装置
１１…サファイア基板
１２…ｕｄ−ＧａＮ膜
１３…ｎ−ＧａＮ膜
２０…水銀プローブ
２０ａ…第１電極
２０ｂ…第２電極
２１…電圧パルス発生部（電圧パルス発生手段）
２２…インピーダンス測定部（インピーダンス測定手段）
２３…単色光照射部（単色光照射手段）
２４…制御部
２５…条件設定部／測定制御部
２６…演算部
【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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