(57)【要約】【課題】  顕微光応答法の利用によるさらに高度な結晶評価技術を得ることを目的とするもので、前記界面における異なる物理現象を評価できるようにする。【解決手段】  界面にレーザー光を照射することによって得られた光応答スペクトルから二以上の障壁高さが存在すると判断した場合に、各々の障壁高さ（ｑφＢ１，ｑφＢ２，・・）によって光電子収率（Photoyield:Ｙ）が変位する変位点（ｈνｓ）を境として、この変位点（ｈνｓ）と基礎吸収の開始点（ｈνｂ）との間のｈνｓ＜ｈν１＜ｈνｂとなる光子エネルギーｈν１のレーザー光Ｉと、ｈνｂ＜ｈν２＜ｈνｐ（ｈνｐ：光電子収率Ｙのピーク値）となる光子エネルギーｈν２のレーザー光ＩＩとを前記界面に照射し、レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれを前記界面に対して走査させながら、レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれについて前記界面における二次元的な光電子収率Ｙの分布及び／又は光電流像を得るようにした。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微光応答法によって半導体結晶成長層の界面を評価する方法において、
前記界面にレーザー光を照射することによって得られた光応答スペクトルから二以上の障壁高さ（ｑφＢ１＜ｑφＢ２＜・・・）が存在すると判断した場合に、
各々の障壁高さ（ｑφＢ１，ｑφＢ２，・・，ｑφＢｎ，ｑφＢｎ＋１・・・）によって光電子収率（Photoyield:Ｙ）が変位する変位点（ｈνｓ）を境として、前記変位点（ｈνｓ）と基礎吸収の開始点（ｈνｂ）との間のｈνｓ＜ｈν１＜ｈνｂとなる光子エネルギーｈν１のレーザー光Ｉと、ｈνｂ＜ｈν２＜ｈνｐ（ｈνｐ：光電子収率Ｙのピーク値）となる光子エネルギーｈν２のレーザー光ＩＩとを前記界面に照射し、
レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれを前記界面に対して相対的にＸ−Ｙ方向に走査させながら、前記レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれについて前記界面における二次元的な光電子収率Ｙの分布及び／又は光電流像を得ること、
を特徴とする顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法。
【請求項２】
前記界面がＮｉショットキー電極と3C-SiC結晶成長層との界面である場合に、前記レーザー光Ｉとして赤色レーザー光を用い、前記レーザー光ＩＩとして緑色レーザー光を用いたことを特徴とする請求項１に記載の顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法。
【請求項３】
前記半導体結晶成長層の表面に電気的に接続された第一の回路及び裏面に電気的に接続された第二の回路と、前記第一の回路と前記第二の回路とを選択的に切り換える切換手段とを有する光電流測定手段を準備し、
前記表面にレーザー光を照射したときに前記第一の回路を流れる光電流値を測定した後、
前記切換手段によって前記第二の回路を選択し、
前記裏面にレーザー光を照射したときに前記第二の回路を流れる光電流値を測定すること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキー電極と半導体結晶成長層との界面を顕微光応答法により評価する界面評価方法に関し、前記界面における異なる物理現象を評価できるように改良された顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の発明者は、金属／半導体界面及び半導体／半導体界面を非破壊で評価する方法として、１９８９年に「顕微光応答法」（ケンビヒカリオウトウホウ）を提案した（非特許文献１〜４参照）。
「顕微光応答法」とは、図６に示すように、例えば半導体１１０の表面に金属（ショットキー電極１１２）を形成した試料１００において、金属（ショットキー電極１１２）と半導体１１０との界面１１３にバンドギャップ（Ｅｇ）以下のレーザー光Ｌを半導体１１０側から照射すると、内部光電子放出効果によって金属（ショットキー電極１１２）と半導体１１０の裏面の電極（オーミック電極１１５）との間に光電流が発生するという現象を利用したものである。
【０００３】
「顕微光応答法」では、半導体１１０のバンドキャップ（禁制帯幅：Ｅｇ）よりも小さく、界面１１３の障壁高さ（qφΒ）よりも大きい条件（qφΒ＜ｈν＜Ｅｇ）を満たす光子エネルギー（ｈν）のレーザー光Ｌを界面１１３に集光しながら照射し、発生する光電流の値を測定する。単位フォトン数当たりの光電流を光電子収率（Photoyield:Ｙ）とすると、Ｙは光子エネルギーに対してファウラーの式（Ｙ＝（ｈν−qφΒ）２）を満足する。そして、レーザー光Ｌを試料１００に対してＸ−Ｙ方向に走査させることで得られる光電子収率Ｙのばらつきから、界面１１３の不均一性が評価できる。また、Ｘ−Ｙ平面における前記のばらつきから、図７（ａ）に示すような光電流像を得ることができる。このようにして得られた顕微光応答法による光電流像は、実証のために得た図７（ｂ）の顕微鏡像と高精度に一致している。
【０００４】
さらに、光子エネルギー（qφΒ＜ｈν＜Ｅｇの要件を満たすｈν１，ｈν２・・・）の異なる複数のレーザー光を照射して光電子収率Ｙを測定し、図８に示すように光電子収率Ｙの平方根をプロットしたものが光応答（Photoresponce:ＰＲ）スペクトルである。そして、光子エネルギーｈν１，ｈν２・・・ごとの複数のプロットを結ぶ直線とＸ軸との交点を、界面の障壁高さ（ｅＶ）として得ることができる。
なお、半導体／半導体のヘテロ界面では、両半導体のバンドギャップ（Ｅｇ１，Ｅｇ２）に対し、Ｅｇ１＜ｈν＜Ｅｇ２となる光子エネルギーｈνのレーザー光を用いることで、金属／半導体の界面と同様に評価を行うことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Okumura, K. Shiojima,, Jap. J. Appl. Phys., 28,  L 1108 (1989).
【非特許文献２】K. Shiojima, T. Okumura, Journal of Crystal Growth., 103, 234 (1990)
【非特許文献３】M. Shingo, J. Liang, N. Shigekawa, M. Arai and K. Shiojima, SSDM2015, Sept. 29, 2015, Sapporo Japan.
【非特許文献４】宮崎周司「高分解能顕微光応答法によるショットキー接合の微視的評価及び積層電極の構造最適化」東京都立大学  １９９７年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような利点を有する顕微光応答法の用途をさらに発展させることを目的としたもので、前記界面における異なる物理現象を評価できるように改良された顕微光応答法による結晶成長層の界面評価方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の評価方法は、顕微光応答法によって半導体結晶成長層の界面を評価する方法において、前記界面にレーザー光を照射することによって得られた光応答スペクトルから二以上の障壁高さ（ｑφＢ１＜ｑφＢ２＜・・・）が存在すると判断した場合に、各々の障壁高さ（ｑφＢ１，ｑφＢ２，・・，ｑφＢｎ，ｑφＢｎ＋１・・・）によって光電子収率（Photoyield:Ｙ）が変位する変位点（ｈνｓ）を境として、前記変位点（ｈνｓ）と基礎吸収の開始点（ｈνｂ）との間のｈνｓ＜ｈν１＜ｈνｂとなる光子エネルギーｈν１のレーザー光Ｉと、ｈνｂ＜ｈν２＜ｈνｐ（ｈνｐ：光電子収率Ｙのピーク値）となる光子エネルギーｈν２のレーザー光ＩＩとを前記界面に照射し、レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれを前記界面に対して相対的にＸ−Ｙ方向に走査させながら、前記レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれについて前記界面における二次元的な光電子収率Ｙの分布及び／又は光電流像を得る方法としてある。
【０００８】
一例として、前記界面がＮｉショットキー電極と3C-SiC結晶成長層との界面である場合は、前記レーザー光Ｉとして波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の赤色レーザー光を用い、前記レーザー光ＩＩとして波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度の緑色レーザー光を用いるとよい。
この方法によれば、複数のレーザー光Ｉ，ＩＩによって得られる光電子収率Ｙの分布及びこれから得られる光電流像から、同一の界面について、光電子収率Ｙの変位点と基礎吸収との間及び基礎吸収と光電子収率Ｙのピーク値との間の異なる物理現象を評価することが可能になる。
【０００９】
本発明においては、請求項３に記載するように、前記半導体結晶成長層の表面に電気的に接続された第一の回路及び裏面に電気的に接続された第二の回路と、前記第一の回路と前記第二の回路とを選択的に切り換える切換手段とを有する光電流測定手段を準備し、前記表面にレーザー光を照射したときに前記第一の回路を流れる光電流値を測定した後、前記切換手段によって前記第二の回路を選択し、
前記裏面にレーザー光を照射したときに前記第二の回路を流れる光電流値を測定するようにしてもよい。
このようにすれば、前記半導体結晶成長層の表面の光電流値を測定した後にただちに裏面の光電流値の測定を開始させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［試料］
図１は、この実施形態における試料の構成を説明する概略図である。
導電性半導体で形成された支持基板１１の表面に導電性半導体を結晶成長させて半導体結晶成長層１０を形成する。半導体結晶成長層１０の表面にオーミック電極１５ａとショットキー電極１２を形成し、支持基板１１の裏面にオーミック電極１５ｂを形成する。そして、半導体結晶成長層１０とショットキー電極１２との界面が第一の界面１３として形成され、半導体結晶成長層１０と支持基板１１との界面が第二の界面１４として形成されている。
【００１１】
［装置概要］
この実施形態における顕微光応答法のための光電流値の測定装置の概略を図２に示す。
測定装置は、オーミック電極１５ａとオーミック電極１５ｂとを電気的に接続する回路Ｉと、オーミック電極１５ａとショットキー電極１２とを電気的に接続する回路IIと、回路Ｉと回路IIとの間に設けられたスイッチ１８と、オーミック電極１５ａとスイッチ１８との間に設けられた電流計１７とを有する。
【００１２】
また、支持基板１１側には、レーザー光を変調させることで光子エネルギーが異なる複数のレーザー光（この実施形態では第一のレーザー光Ｌ１及び第二のレーザー光Ｌ２）を照射することのできる図示しないレーザー光照射装置と、レーザー光Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを第一の界面１３及び第二の界面１４に向けて集光するためのレンズ２０が設けられている。また、前記レーザー光照射装置は、波長の異なる複数のレーザー光を照射することが可能なレーザー光源を備えている。
【００１３】
上記構成の測定装置では、図２（ａ）に示すように、スイッチ１８をショットキー電極１２側に切り換えて回路ＩＩを閉じ、焦点をショットキー電極１２と半導体結晶成長層１０との間の第一の界面１３に合わせて第一のレーザー光Ｌ１を照射する。第一のレーザー光Ｌ１をレンズ２０によって第一の界面１３に集光させつつ、図示しないＸ−Ｙ移動テーブルによって試料１をＸ方向とＹ方向に移動させながら第一の界面１３を走査させ、電流計１７によって光電流値を測定する。第一の界面１３における障壁高さの不均一性を評価するには、変調によって光子エネルギーを異ならせた第一のレーザー光Ｌ１を、第一の界面１３の同一地点に照射して複数の光応答（ＰＲ）スペクトルを得ればよい。
【００１４】
図２（ｂ）に示すように、スイッチ１８をオーミック電極１５ｂ側に切り換え、焦点を支持基板１１と半導体結晶成長層１０との間の第二の界面１４に合わせて第二のレーザー光Ｌ２を照射する。第二のレーザー光Ｌ２をレンズ２０によって第二の界面１４に集光させつつ、図示しない移動テーブルによって試料１をＸ方向とＹ方向に移動させながら第二の界面１４を走査させる。電流値の変化から、半導体結晶成長層１０の表裏両面（第一の界面１３及び第二の界面１４）を、非破壊的に評価することができる。
【００１５】
この実施形態の試料１では、第一の界面１３において図３に示すようなＰＲスペクトルが得られた。この実施形態の光子エネルギーのピーク（ｈνｐ）は、支持基板１１のバンドギャップＥｇに近いものであった。
図３のＰＲスペクトルにおける低エネルギー側領域（符号Ａで示す領域）の拡大図を図４に示す。図４に示すように、低エネルギー側領域Ａには光電流が急激に増加する点が二カ所に見られた。一つは、二つの異なる直線領域（ｉ），(ii)が重なることで急激に増加する変位点（ｈνs）であり、一つは基礎吸収の開始点（ｈνｂ）であると予測できる。
【００１６】
変位点（ｈνs）の左側の領域では、複数のｈνのプロットとファウラーの式から一つの直線（ｉ）を得ることができ、この直線（ｉ）から障壁高さｑφＢ１を求めることができる。変位点（ｈνs）の右側の領域では、得られた光電子収率Ｙから直線（ｉ）の分を差し引く（例えば図４の例ではＹｃ1/2−ａ＝ｂ）ことで、二つ目の直線(ii)を得ることができる。
このようにして得られた二つの障壁高さｑφＢ１及びｑφＢ１から、半導体結晶成長層１０の第一の界面１３は異なる面方位で形成されていると推測できる。
【００１７】
そして、ｑφＢ２＜ｈν１＜ｈνsの条件を満たす光子エネルギーｈν１のレーザー光Ｉと、ｈνｂ＜ｈν２＜ｈνｐの条件を満たす光子エネルギーｈν２のレーザー光ＩＩを第一の界面１３に照射し、レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれをＸ−Ｙ方向に走査させることで、レーザー光Ｉ，ＩＩのそれぞれにおける光電流像を得ることができる。これにより、照射するレーザー光Ｉ，ＩＩの光子エネルギーに応じた異なる光電流像を得ることができる。
【００１８】
また、照射するレーザー光Ｉ，ＩＩの光子エネルギーに応じた異なる光電子収率Ｙの値の分布を得ることで、同一の界面（第一の界面１３）の異なる物理現象を評価することが可能になる。
以下に具体的な実施例を示す。
【００１９】
［実施例］
［試料１］
11-20方向に０．７°のオフ角を持つp+-4H-SiC基板上に、Alドープ×1015のp型3C-SiCを厚さ３０μmでエピタキシャル成長させた。3C-SiCの表面にTi/Al/Niオーミック電極を蒸着し、Ar雰囲気中で１０００℃、５分間のシンターを行った後、直径１mmのNi(厚さ２０nm)ショットキー電極を蒸着した。
【００２０】
［ＰＲスペクトル］
この試料１のＰＲスペクトルは、図３におけるピーク値ｈνｐが支持基板１１であるp+-4H-SiCのバンドギャップＥｇ（３．２６ｅＶ）に近い値であり、二つの障壁高さはそれぞれｑφＢ１＝１．３３ｅＶ及びｑφＢ２＝１．８５ｅＶであった。二つの障壁高さが重なることで光電流が大きく増加する変位点の光子エネルギーｈνｓは１．８５ｅＶで、基礎吸収の開始によって光電流が急激に増加する変位点の光子エネルギーｈνｂは２．２ｅＶであった。
【００２１】
［レーザー光の選択］
上記の試料１の第一の界面１３に対して用いるレーザー光Ｉは、ｈνｓ（１．８５ｅＶ）＜ｈν１＜ｈνｂ（２．２ｅＶ）の範囲内であって、ｑφＢ２＝１．８５ｅＶに近い光子エネルギーｈν１のものが好ましい。この実施例では、光子エネルギーｈν１のレーザー光Ｉとして波長６６０nm（ｈν１＝１．８８ｅＶ）の赤色レーザー光を用いた。
また、レーザー光ＩＩは、ｈνｂ（２．２ｅＶ）＜ｈν２＜ｈνｐ（３．２６ｅＶ）の範囲内であって、ｈνｂに近い光子エネルギーｈν２のものが好ましい。この実施例では、光子エネルギーｈν２のレーザー光ＩＩとして、波長５１６nm（ｈν３＝２．４ｅＶ）の緑色レーザー光を用いた。
【００２２】
なお、比較用として、ｈνｂ（２．２ｅＶ）＜ｈν３＜ｈνｐ（３．２６ｅＶ）の条件を満たす別の波長４５０nm（ｈν＝２．７６）の青色レーザー光（レーザー光IIIも準備した。
これらのレーザー光I,II,IIIを、p-3C-SiC（半導体結晶成長層１０）とショットキー電極１２との間の第一の界面１３に集光・走査させて光電子収率Ｙの分布を測定し、それぞれのレーザー光I,II,IIIにおける界面の光電流像を得た。
【００２３】
その結果を、図５に示す。
図５（ａ）は赤色レーザー光の照射によって得た光電流像で、検証のために得た同一界面の顕微鏡像（図５（ｄ））と高精度に一致している。これは、3C-SiC表面の面方位の違いが反映されているものと思われる。また、赤色レーザー光を用いたときのＹ値の分布は、ドメイン境界において他の領域と比べて５〜１０倍増加した。このことから、ドメイン境界領域では低障壁層が形成されているものと予測できる。
【００２４】
図５（ｂ）は緑色レーザー光の照射によって得た光電流像で、ドメイン領域とドメイン境界とを示すコントラストが図５（ａ）のものとは逆になっている。また、緑色レーザー光を用いたときのＹ値の分布は、赤色レーザー光を用いたときと異なり、ドメイン境界でＹ値が約５０%減少した。これは、ドメイン境界では多くの表面欠陥が存在し、基礎吸収によって発生した電子−正孔対が欠陥を介して再結合する確率が高いためと予測できる。図５（ｂ）の光電流像は、界面近傍の欠陥濃度を反映しているものと思われる。
【００２５】
図５（ｃ）は青色レーザー光の照射によって得た光電流像で、緑色レーザー光と同様に、ドメイン領域とドメイン境界とを示すコントラストが図５（ａ）のものと逆になっていると認められるものの、その光電流像は不鮮明であった。
このように本発明では、光子エネルギーｈνの異なる複数のレーザー光を用いて励起キャリアの種類を変えることで、同一の界面に対して異なる物理現象を評価することができる。
【００２６】
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明に限定されるものではない。
例えば、波長の異なる複数のレーザー光を合波して同時照射できるレーザー光源を用いることで、単一色のレーザー光を切り替ながら照射する場合よりも照射時間を大幅に短縮することができる。
また、上記の説明では障壁高さが二つの場合を例に挙げて説明したが、本発明では三つ以上の障壁高さが存在する場合にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この実施形態における試料及び装置の概略構成を説明する概略図である。
【図２】スイッチをショットキー電極側に切り換えた場合とオーミック電極に切り換えた場合を示す図である。
【図３】この実施形態におけるＰＲスペクトルを示すグラフである。
【図４】図３のＰＲスペクトルにおける低エネルギー側領域（符号Ａで示す領域）の拡大図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、赤、緑、青のレーザー光を第一の界面に照射させて得られた顕微光応答法による実施例の光電流像であり、（ｄ）は同一界面における検証のための顕微鏡像である。
【図６】顕微光応答法の原理を説明する図で、試料及び装置の概略構成を説明する図である。
【図７】図７（ａ）は、図６の試料及び装置を用いた顕微光応答法の光電流像を示す写真、図７（ｂ）は実証のために得た顕微鏡像の写真である。
【図８】異なる光子エネルギーにおける光応答スペクトルのグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１        試料
１１      支持基板
１２      ショットキー電極（第二の電極）
１３      第一の界面
１４      第二の界面
１５ａ，１５ｂ  オーミック電極
１７      電流計
１８      スイッチ
【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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