(57)【要約】【課題】ＰＲ分光法とは異なる手法により、半導体ヘテロ接合界面のピエゾ電場の非破壊分光測定を行い、ピエゾ電場を解析・評価する方法を提供する。【解決手段】ピエゾ電場の評価方法は、試料に第１の角度で赤外光を照射して第１の吸収スペクトルを測定するステップと、試料に、第１の角度とは異なる第２の角度で赤外光を照射して第２の吸収スペクトルを測定するステップと、測定した第１の吸収スペクトルおよび第２の吸収スペクトルに基づいて、入射光角度依存性のある吸収バンドのピーク位置を特定するステップと、特定されたピーク位置により表される電子エネルギー準位と、ピエゾ電場との関係を表すエネルギー準位式に基づいて、ピエゾ電場の大きさを取得するステップとを有する。【選択図】        図４
2004247380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に第１の角度で赤外光を照射して第１の吸収スペクトルを測定するステップと、
前記試料に、第１の角度とは異なる第２の角度で赤外光を照射して第２の吸収スペクトルを測定するステップと、
測定した前記第１の吸収スペクトルおよび前記第２の吸収スペクトルに基づいて、入射光角度依存性のある吸収バンドのピーク位置を特定するステップと、
特定された前記ピーク位置により表される電子エネルギー準位と、ピエゾ電場との関係を表すエネルギー準位式に基づいて、該ピエゾ電場の大きさを取得するステップと
を有する、ピエゾ電場の評価方法。
【請求項２】
前記ピエゾ電場は、前記試料の半導体ヘテロ接合における格子不整合歪によって誘起された電場である、請求項１に記載のピエゾ電場の評価方法。
【請求項３】
前記第１の吸収スペクトルを測定するステップは、
前記赤外光の波長を所定の範囲で変化させて、予め基準となる基準スペクトルを測定するステップと、
前記赤外光の波長を所定の範囲で変化させて、前記赤外光を試料に照射するステップと、
前記試料を透過した前記赤外光に基づいて、前記第１の吸収スペクトルを算出するステップと
を有するステップを備えた、請求項１に記載のピエゾ電場の評価方法。
【請求項４】
前記第２の吸収スペクトルを測定するステップは、前記試料が載置された回転台を回転させて前記第２の角度で赤外光を照射する、請求項１に記載のピエゾ電場の評価方法。
【請求項５】
前記第２の吸収スペクトルを測定するステップは、
前記試料に照射されて透過した前記赤外光の光軸のずれを検出するステップと、
検出した前記光軸のずれを補正するステップと、
前記試料を透過した前記赤外光に基づいて、前記第２の吸収スペクトルを算出するステップと
を有するステップを備えた、請求項４に記載のピエゾ電場の評価方法。
【請求項６】
試料に赤外光を照射して第１の吸収スペクトルを測定するステップと、
前記試料が載置された回転台を所定の角振動数で振動させて、前記試料に赤外光を照射し、第２の吸収スペクトルを測定するステップと、
測定した前記第１の吸収スペクトルおよび前記第２の吸収スペクトルに基づいて、入射光角度依存性のある吸収バンドのピーク位置を特定するステップと、
特定された前記ピーク位置により表される電子エネルギー準位と、ピエゾ電場との関係を表すエネルギー準位式に基づいて、該ピエゾ電場の大きさを取得するステップと
を有する、ピエゾ電場の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エピタキシャル結晶を破壊することなく結晶中のピエゾ電場を評価する分光測定技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；  ＨＥＭＴ）の特性に対して最も大きな影響を与えるのは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に形成される２次電子ガスの濃度である。２次電子ガスの濃度は、半導体ヘテロ接合に特有の格子不整合歪が誘起するピエゾ電場とよばれる一種の内部電場によって決定される。それゆえ、ＨＥＭＴ用エピタキシャル結晶の品質を検証する上でピエゾ電場を評価することは、重要であると考えられる。
【０００３】
ピエゾ電場に代表される結晶内の内部電場を評価する手法として、一般に、光変調反射（Ｐｈｏｔｏｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ；  ＰＲ）分光法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＰＲ分光法とは、ポンプ光と呼ばれる光を試料に照射することによって引き起こされた反射率変化ΔＲ／Ｒを、プローブ光と呼ばれる光を通して測定する分光技術である。ＰＲ分光法では、反射率変化ΔＲ／Ｒがプローブ光のエネルギーの関数として記録される。内部電場を有する試料は、反射率変化ΔＲ／Ｒがフランツ‐ケルディッシュ振動（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ；  ＦＫＯ）と呼ばれる振動プロファイルを示す。この振動プロファイルの周期は、内部電場の強度により決定される。従って、このフランツ‐ケルディッシュ振動ＦＫＯの周期を解析することにより、内部電場の強度を評価できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１７５３４０号公報（第２頁左下欄５〜８行）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＰＲ分光法を用いてＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面のピエゾ電場を測定・評価することは非常に困難である。具体的には、ＰＲ分光法を利用するとＰＲ信号からピエゾ電場に関する情報を抽出する手続きが複雑になってしまう。その理由は、ＰＲ分光法をＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のエピタキシャル結晶に適用した場合、測定される反射率変化ΔＲ／Ｒはポンプ光照射で生成されるキャリアによるエピタキシャル結晶全体の内部電場変化に起因した信号となり、エピタキシャル結晶を構成する全ての層の内部電場に関する情報を含むからである。
【０００６】
この問題を解決するために、目的とするＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面近傍以外の部分をエッチングして測定するという手法も考えられるが、この手法は試料を破壊しなければならないという別の問題が発生する。しかもこの方法では、エッチングによって試料に導入された欠陥に起因する表面電場が発生する。ＰＲ測定の際、この表面電場に由来する信号は、ピエゾ電場に起因する信号に重畳するため、信号の解析はより複雑になる。
【０００７】
本発明の目的は、ＰＲ分光法とは異なる手法により、半導体ヘテロ接合界面のピエゾ電場の非破壊分光測定を行い、ピエゾ電場を解析・評価する方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のピエゾ電場の評価方法は、試料に第１の角度で赤外光を照射して第１の吸収スペクトルを測定するステップと、前記試料に、第１の角度とは異なる第２の角度で赤外光を照射して第２の吸収スペクトルを測定するステップと、測定した前記第１の吸収スペクトルおよび前記第２の吸収スペクトルに基づいて、入射光角度依存性のある吸収バンドのピーク位置を特定するステップと、特定された前記ピーク位置により表される電子エネルギー準位と、ピエゾ電場との関係を表すエネルギー準位式に基づいて、該ピエゾ電場の大きさを取得するステップとを有する。これにより上記目的が達成される。
【０００９】
また本発明の別の例によるピエゾ電場の評価方法は、試料に赤外光を照射して第１の吸収スペクトルを測定するステップと、前記試料が載置された回転台を所定の角振動数で振動させて、前記試料に赤外光を照射し、第２の吸収スペクトルを測定するステップと、測定した前記第１の吸収スペクトルおよび前記第２の吸収スペクトルに基づいて、入射光角度依存性のある吸収バンドのピーク位置を特定するステップと、特定された前記ピーク位置により表される電子エネルギー準位と、ピエゾ電場との関係を表すエネルギー準位式に基づいて、該ピエゾ電場の大きさを取得するステップとを有する。これによっても上記目的が達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面では、同様の構成および機能を有する要素には、同一の参照符号を付している。
【００１１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態は、赤外吸収分光法を用いた半導体ヘテロ接合界面でのピエゾ電場の非破壊評価方法、および、その方法を実施するのに有用な装置の構成に関する。ピエゾ電場を評価する意義を説明すると、ピエゾ電場は、半導体ヘテロ接合に特有の格子不整合歪によって誘起される。そしてこのピエゾ電場は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に形成される２次電子ガスの濃度を決定する。２次電子ガスは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；  ＨＥＭＴ）の特性に対して最も大きな影響を与える。よって、ＨＥＭＴ用エピタキシャル結晶の品質を検証する上でピエゾ電場を定量的に評価する必要がある。
【００１２】
以下ではまず装置の構成を説明し、その後、その装置を用いた評価方法を説明する。
【００１３】
図１は、実施の形態１による赤外吸収分光装置１００の構成を示すブロック図である。赤外吸収分光装置１００は、回析格子分光器（回折格子モノクロメータ）を用いて構成されており、試料に赤外光を照射して赤外吸収スペクトルを測定する。測定された赤外吸収スペクトルから、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に形成される２次電子ガスにのみ起因する赤外光の吸収バンドを得ることにより、ピエゾ電場を定量的に評価する。
【００１４】
ここで「２次電子ガスにのみ起因」して吸収された赤外光は、以下のように測定できる。まず赤外光の吸収は、赤外光の偏光ベクトルがエピタキシャル結晶の成長方向（以下「ｚ軸」と称する）と平行な場合においてのみ許容されるという特徴を有する。そこで、赤外光をｚ軸に対して斜入射させた場合の吸収スペクトルと垂直入射させた場合の吸収スペクトルとを比較する。どの吸収スペクトルに入射光角度依存性があるかが容易に判断できるからである。よってその比較結果に基づけば、観測された吸収バンドが２次元電子ガスの吸収に由来するか否かを容易に判断できる。赤外吸収分光装置１００では、試料を載置した台を回転させて試料に入射させる赤外光の方向を変化させ、入射光角度依存性の有無を判断する。
【００１５】
以下、赤外吸収分光装置１００の構成を具体的に説明する。赤外吸収分光装置１００は、光源２と、レンズ４と、回折格子モノクロメータ６と、レンズ８と、回転台１０と、検出器１４と、光学ステージ１６と、制御ユニット１８とを備えている。
【００１６】
光源２は光を照射し、レンズ４は光源２の光を集光する。回折格子モノクロメータ６は、所定の格子間隔を有する回折格子を備え、光を受け取って所定の波長の光（ここでは赤外光）をスペクトル分解する。スペクトル分解される赤外光の波長領域は、例えば数μｍ〜数十μｍ程度である。これは、最終的な測定対象であるピエゾ電場の強度が０．１〜１．０ＭＶ／ｃｍであると予想され、その強度から必要と考えられる赤外光の波長を後述の数式から逆算して得た範囲である。レンズ８は、赤外光を集光する。
【００１７】
回転台１０は、試料１２を載置する台であり、回転機構を備えている。回転台１０を回転させることにより、上述の吸収スペクトルの入射光角度依存性を容易に測定できる。検出器１４は、赤外光の強度を検出する。光学ステージ１６は、検出器１４が配設された台である。光学ステージ１６は、モーター（図示せず）で駆動されて、検出器１４からの検出信号が最大になる位置、換言すれば赤外光を最もよく検出できる位置にまで移動され、検出器１４を位置決めする。赤外光を最もよく検出できる位置は、回転台１０を駆動して試料１２の角度変化に応じて変化する。これは、試料１２内での光の屈折により試料１２から検出器１４までの光軸がずれるからである。よって光学ステージ１６を設けることにより、検出器１４での赤外光の検出を最適に行うことができる。
【００１８】
制御ユニット１８は、赤外吸収分光装置１００の動作を制御し、検出器１４の検出結果に基づいてピエゾ電場を評価する。制御ユニット１８の制御に基づく赤外吸収分光装置１００の詳細な動作は、後述する。
【００１９】
なお図１では、光源２、回折格子モノクロメータ６、試料１２、検出器１４の順に配置されるとしているが、配置の順序はこれに限られない。例えば図２は、回折格子モノクロメータ６を用いた別の例による赤外吸収分光装置２００の構成を示す図である。赤外吸収分光装置２００もまた、光源２と、レンズ４と、回折格子モノクロメータ６と、レンズ８と、回転台１０と、検出器１４と、光学ステージ１６と、制御ユニット１８とを備えている。赤外吸収分光装置２００では、光源２、試料１２、回折格子モノクロメータ６、検出器１４の順に要素が配置されている。各要素の機能および動作は上述の赤外吸収分光装置１００（図１）と同じであるからその説明は省略する。
【００２０】
さらに図３は、回折格子モノクロメータ６に代えて、フーリエ分光器を利用した赤外吸収分光装置３００の構成を示す図である。赤外吸収分光装置３００を用いても、後述するピエゾ電場の評価が可能である。赤外吸収分光装置３００では、光源２からの赤外光が、凹面鏡３４−１で集光され、半透鏡３６−１に送られる。半透鏡３６−１は、入射光の  １／２を反射して移動鏡３６−２へ、残りの１／２は固定鏡３６−３へ透過させる。そしてそれぞれの光は、移動鏡３６−２、固定鏡３６−３によって反射され、半透鏡３６−１で合成される。合成光は平面鏡３６−４を経て、凹面鏡３４−２で集光され、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＥＭＴ試料１２へ照射される。検出器１４は、試料１２を透過し、凹面鏡３４−２で集光され光を検出する。ここで移動鏡３６−２を一定方向に走査すると、半透鏡３６−１と移動鏡３６−２との距離、および半透鏡３６−１と固定鏡３６−３との距離に光路差が生じる。検知器１４で検出される合成波は、強め合い、打ち消し合い干渉曲線をなす。この曲線をフーリエ変換すると、所定の波長が吸収された赤外スペクトルが得られる。図２および図３から明らかなように、試料１２への赤外光集光系は、レンズでも凹面鏡でもどちらでもよい。
【００２１】
以下、赤外吸収分光装置１００（図１）、２００（図２）および３００（図３）を利用した、本発明による赤外吸収分光法を用いたピエゾ電場の非破壊評価方法を説明する。いずれの装置でも処理は共通することから、赤外吸収分光装置１００（図１）を用いて説明する。
【００２２】
図４は、ピエゾ電場の評価処理の流れを示すフローチャートである。以下の処理は、主として制御ユニット１８（図１）による制御に基づいて行われる。以下の処理に先だって、赤外光が吸収されたか否かを判断する基準となるスペクトルＥ１が測定されているとする。スペクトルＥ１は、試料１２が存在しない状態で測定される。まず赤外吸収分光装置１００は、光源２（図１）を点灯して、回折格子モノクロメータ６により分光された特定の波長の赤外光を試料１２（図２）に照射する（Ｓ４０１）。この際、試料１２を破壊／加工する必要はない。そして赤外光の波長を所定の範囲で変化させ、検出器１４（図１）において１回目の赤外吸収スペクトルの測定を行う（Ｓ４０２）。上述のように測定の対象となる波長領域は、予想されるピエゾ電場強度が０．１から１．０ＭＶ／ｃｍであることを考慮して数μｍから数十μｍ程度の赤外光領域である。例えば、波長を１μｍ〜２μｍの範囲で変化させる。赤外吸収スペクトルは、基準スペクトルから、赤外光の照射結果として観測されたスペクトルを除算すれば得られる。吸収された波長のエネルギーは差が大きくなりピーク位置を特定できる。いうまでもなく、２次元電子ガスが存在しない領域では赤外光の吸収は起こり得ない。赤外吸収分光装置１００の制御ユニット１８は、測定された赤外吸収スペクトル（Ｅ１−Ｅ２）に基づいて吸収バンドのピーク位置を特定する（Ｓ４０３）。
【００２３】
再び図１を参照して、次に赤外吸収分光装置１００は回転台１０（図１）を任意の角度だけ駆動して、試料１２への赤外光の入射角度を変化させる（Ｓ４０４）。目的とする入射角度になると、回転台１０から信号線を通して制御ユニット１８に設定完了信号が送られる。入射角度の設定完了信号を受信すると、制御ユニット１８は、光学ステージ１６を一定の距離だけ移動させ、赤外光の受光強度が最大になる位置に光学ステージ１６を駆動する（Ｓ４０５）。これにより大きく吸収された赤外光の波長を特定できる。光学ステージ１６が位置決めされると、光学ステージ１６は制御ユニット１８に移動完了信号を送信する。なお一連の測定を複数回繰り返すことによって得られた検出器１４からの信号を、光学ステージ１６の位置の関数としてプロットし、検出器１４からの信号が最大となる光学ステージ１６の位置を求めることもできる。また赤外吸収分光装置３００（図３）のように、集光系に凹面鏡３４−３（図３）を用いる場合には、凹面鏡３４−３の角度を調整する機構も必要となる。
【００２４】
その後制御ユニット１８は、赤外光の波長を先の測定と同じ範囲で変化させ、２回目の赤外吸収スペクトル測定を行う（Ｓ４０６）。制御ユニット１８は、１回目のスペクトルにおいて特定した吸収バンドのピーク位置での強度が、２回目のスペクトルで変化しているかを判定する（Ｓ４０７）。吸収バンドの位置が変化している場合には、入射光角度依存性があることを意味する。制御ユニット１８は、入射光角度依存性があるピーク位置に基づいて、ピエゾ電場を算出する（Ｓ４０８）。
【００２５】
図５は、測定された赤外光のスペクトル分布を示す図である。図５では、光子エネルギー（Ｅ１−Ｅ２）および（Ｅ１−Ｅ３）がピーク位置である。これらは入射光角度依存性があるとする。続いて図６は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのポテンシャル構造と２次元電子準位を示す図である。吸収バンドのピーク位置は、図６に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮのポテンシャル構造によって決定される２次元電子のエネルギー準位を反映する。ｎ（ｎ＝１、２、３、・・・）番目の量子状態の電子エネルギー準位は、ピエゾ電場と電子エネルギー準位との関係を示す電子エネルギー準位式（数１）により表される。
【００２６】
【数１】
2004247380.tif 000003
ここでｈ／２π：プランク定数、ｅ：素電荷、ｍ＊：電子有効質量、および、Ｆ：ピエゾ電場である。室温以下ではほぼ全ての電子がｎ＝１の状態であるため、観測された吸収バンドのピーク位置（ｈ／２π）ωは、
【数２】
2004247380.tif 000004
により得られる。数１、数２を用いることにより、ピエゾ電場Ｆの大きさを求めることができる。すなわち以上のような手順によれば、ピエゾ電場を定量的に評価できる。
【００２７】
（実施の形態２）
実施の形態２では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＨＥＭＴ試料における２次元電子ガスの赤外吸収スペクトルを測定できる赤外吸収分光装置の別の例を説明する。このような赤外吸収分光装置では、光軸のずれに対する自動補正機構（図１の光学ステージ１６）が不要である。
【００２８】
図７は、ロックイン検出法を適用した微小振動が可能な試料回転機構を備えた赤外吸収分光装置７００の構成を示す図である。赤外吸収分光装置７００が赤外吸収分光装置１００（図１）と異なるのは、回転台１０の構成、ロックインアンプ７０を設けたこと、および、赤外吸収分光装置７００には光学ステージ１６（図１）が存在しないことである。以下相違点を説明する。他の構成および動作は赤外吸収分光装置１００と同じであるため、その説明は省略する。
【００２９】
回転台１０は、ある角度θを中心として角振動数ωで微小振動することができる。微小振動の角振幅は、光軸が検出器１４の受光面から外れることがない程度に設定されている。測定したい試料１２を微小振動させて赤外光を照射し、微小振動の周波数ωと同じ周波数の信号を検出すると，試料１２から発せられた情報だけが得られる。すなわちこのような測定系で得られる角周波数ωの交流信号は、入射角度依存性を持つ吸収バンドに起因する信号のみを含む。ロックインアンプ７０は、検出器１４で得られた信号のうち角周波数ωの交流成分のみを検出する。ロックインアンプ７０によれば、入射角度依存性のある２次元電子系の吸収バンドを感度よく検出できる。ロックインアンプ７０が検出した吸収バンドの測定値を制御ユニット１８へ送ると、制御ユニット１８はその値に基づいて吸収バンドを特定し、実施の形態１で説明した手順によりピエゾ電場を定量的に評価できる。なおロックインアンプに代えて、周知のロックインボルトメーターに置き換えることもできる。
【００３０】
図８は、フーリエ分光器を利用してロックイン検出を行う赤外吸収分光装置８００の構成を示す図である。赤外吸収分光装置８００は、赤外吸収分光装置５００（図５）に対応しており、回転台１０の構成、ロックインアンプ８０を設けたこと、および、赤外吸収分光装置８００には光学ステージ１６（図３）が存在しないことを相違点とする。これらの点については赤外吸収分光装置７００（図７）と同じであるのでその説明は省略する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、角度を変えて試料に赤外光を照射することにより、入射光角度依存性のある吸収バンドのピーク位置を特定する。そして特定されたピーク位置により表される電子エネルギー準位と、ピエゾ電場との関係を表すエネルギー準位式に基づいて、ピエゾ電場の大きさを取得する。これにより、試料を破壊／加工することなく、試料の半導体ヘテロ接合に特有の格子不整合歪によって誘起されるピエゾ電場を定量的に評価できる。さらにピエゾ電場を評価することにより、当該試料を利用して形成される半導体装置の特性を評価できる。
【図面の簡単な説明】ｅ
【図１】実施の形態１による赤外吸収分光装置の構成を示すブロック図である。
【図２】回折格子モノクロメータを用いた別の例による赤外吸収分光装置の構成を示す図である。
【図３】回折格子モノクロメータに代えて、フーリエ分光器を利用した赤外吸収分光装置の構成を示す図である。
【図４】ピエゾ電場の評価処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】測定された赤外光の強度分布を示す図である。
【図６】ＡｌＧａＮ／ＧａＮのポテンシャル構造と２次元電子準位を示す図である。
【図７】ロックイン検出法を適用した微小振動が可能な試料回転機構を備えた赤外吸収分光装置の構成を示す図である。
【図８】フーリエ分光器を利用してロックイン検出を行う赤外吸収分光装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
２  光源、  ４  レンズ、  ６  回折格子モノクロメータ、  ８  レンズ、  １０  回転台、  １２  試料、  １４  検出器、  １６  光学ステージ、  １８制御ユニット、  １００  赤外吸収分光装置
【図１】
2004247380.tif 000005
【図２】
2004247380.tif 000006
【図３】
2004247380.tif 000007
【図４】
2004247380.tif 000008
【図５】
2004247380.tif 000009
【図６】
2004247380.tif 000010
【図７】
2004247380.tif 000011
【図８】
2004247380.tif 000012