(57)【要約】【課題】半導体結晶基板の電流増幅率の初期変動を予測することのできる半導体結晶基板の評価方法を提供する【解決手段】コレクタ層、ベース層およびエミッタ層を含み、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに用いる半導体結晶基板の評価方法において、ベース層と同じ組成の結晶層を含む評価用半導体結晶基板を作製する工程と、前記評価用半導体結晶基板に励起光を照射して前記結晶層からのフォトルミネッセンス光強度が飽和に達する前の経時変化を測定する工程と、前記経時変化から前記半導体結晶基板を用いてヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造したときの電流増幅率の経時変化を予測する工程とを有することを特徴とする。【選択図】　図４
2004071797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタ層、ベース層およびエミッタ層を含み、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに用いる半導体結晶基板の評価方法において、
前記ベース層と同じ組成の結晶層を含む評価用半導体結晶基板を作製する工程と、
前記評価用半導体結晶基板に励起光を照射して前記結晶層からのフォトルミネッセンス光強度が飽和に達する前の経時変化を測定する工程と、
前記経時変化から前記半導体結晶基板を用いてヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造したときの電流増幅率の経時変化を予測する工程とを有することを特徴とする半導体結晶基板の評価方法。
【請求項２】
前記ベース層は炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層であり、前記評価用半導体結晶基板は、ＧａＡｓ基板と、炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層とを有しており、
前記励起光の波長は３００ｎｍ〜５５０ｎｍである請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項３】
前記評価用半導体結晶基板は、前記ＧａＡｓ基板と前記炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層との間にアンドープのＧａＡｓ結晶層を有する請求項２に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項４】
前記評価用半導体基板は、前記炭素を含有するＧａＡｓ結晶層の上層および下層の少なくとも一方にバリア層を有する請求項２に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項５】
前記バリア層の厚さは１００Å〜１０００Åである請求項４に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項６】
前記ベース層は炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層であり、前記評価用半導体結晶基板は、ＧａＡｓ基板の上に、ｎ＋型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型ＧａＡｓ結晶層、炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型バリア層およびｎ型ＧａＡｓ層がこの順に形成されており、
前記励起光の波長は３００ｎｍ〜５５０ｎｍである請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項７】
前記ベース層は炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層であり、
前記評価用半導体結晶基板は、ＧａＡｓ基板の上に、ｎ＋型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型バリア層、炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型バリア層およびｎ型ＧａＡｓ層がこの順に形成されており、
前記励起光の波長は３００ｎｍ〜５５０ｎｍである請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項８】
前記ｎ型バリア層は、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３であり、厚さが１００Å〜５００Åである請求項６または７に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項９】
前記バリア層はＩｎＧａＰ結晶層またはＡｌＧａＡｓ結晶層である請求項４〜８に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【請求項１０】
前記炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層は、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であり、厚さが５００Å〜１００００Åである請求項２〜９に記載の半導体結晶基板の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体結晶基板の評価方法に関し、より詳しくは、コレクタ層、ベース層およびエミッタ層を含み、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに用いる半導体結晶基板の評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと称す）は、優れた高周波特性と高い電流密度が得られることから、携帯電話用のパワーアンプ等に広く用いられている。ＨＢＴは、バイポーラトランジスタのエミッタ注入効率を高めるために、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップの大きい物質を用い、エミッタ−ベース接合をヘテロ接合としたものである。ＨＢＴによって構成される半導体装置では多層構造の半導体結晶基板が用いられる。
【０００３】
ＡｌＧａＡｓ系ＨＢＴを例にとり、図９を用いてＨＢＴ用半導体結晶基板の一般的な断面構造について説明する。図９に示すように、ＡｌＧａＡｓ系ＨＢＴでは、半絶縁性のＧａＡｓ基板３２の上に、ｎ−ＧａＡｓサブコレクタ層３３、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層３４、ｐ−ＧａＡｓベース層３５、ｎ−ＡｌＧａＡｓエミッタ層３６およびｎ−ＧａＡｓコンタクト層３７が順に形成されている。これらの層は、例えば有機金属化学気相分解法（以下、ＭＯＣＶＤ法と称す）を用い、各層をエピタキシャル成長させることによって形成される。また、図９において、３８はコレクタ電極を、３９はベース電極を、４０はエミッタ電極をそれぞれ示している。コレクタ電極３８は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層構造からなる。ベース電極３９は、例えばＰｔ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造からなる。そして、エミッタ電極４０は、例えばＷＳｉＮからなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成されるＨＢＴについて、マイクロ波素子として十分な特性を有するようにその高周波特性を向上させるには、ベース層となるｐ型化合物半導体結晶層を薄くし不純物濃度を大きくすることによって、ベース抵抗値を低減させることが必要となる。例えば、ベース層となるｐ型化合物半導体結晶層であるｐ型ＧａＡｓ層に不純物として炭素を加えることによって、ベース層のキャリア濃度を高くすることが知られている。しかしながら、この方法による場合、ベース層の成長過程において、周囲の雰囲気から水素もベース層に取り込まれる。ベース層に水素が混入すると、素子の電気的特性、特に電流利得に初期変動が観察されるため品質管理上問題となる。これについて、具体例を挙げて以下に説明する。
【０００５】
図１０は、ＨＢＴのベース電流（Ｉｂ）に対する電流増幅率（β）の変化を示したものである。図１０の例では、キャリア濃度が４×１０１９ｃｍ−３程度、水素濃度が２×１０１９ｃｍ−３程度のベース層を有するＨＢＴを用いている。また、このＨＢＴのベース層の厚さは約１０００Åであり、エミッタサイズは４×２０μｍである。図１０において、１回目測定とは、デバイス作成直後に通電して測定した第１回目の測定をいう。また、５回目測定とは、同一条件の測定を繰り返して行い、その第５回目の測定をいう。
【０００６】
図１０からわかるように、ベース電流（Ｉｂ）の変化に伴って電流増幅率（β）も変化する。すなわち、ベース電流（Ｉｂ）を大きくしていくと、電流増幅率（β）はある所まで増加した後で減少する。ここで、通電初期に見られる電流増幅率（β）の増加の様子は、第１回目の測定と第５回目の測定とで大きく異なる。すなわち、通電回数が増えると電流増幅率（β）は急激に増大するようになる。しかしながら、電流増幅率（β）の最大値は、第１回目の測定と第２回目の測定でそれほど変わらない。また、減少の傾向もほとんど同じである。
【０００７】
図１０で見られるような通電回数による電流増幅率の増加傾向の相違は、ＨＢＴのベース層に混入した水素に起因すると考えられている。すなわち、ＨＢＴのベース層に水素が混入することによって素子の電気的特性は安定性に極めて欠けるようになることから、半導体装置の品質管理上問題であった。一方、通電回数による電流増幅率の変化は、５回目測定以降になると小さくなって特性は安定化する。しかしながら、特性の安定化を待って製品検査を行うのでは検査に莫大な時間を費やすことになり、生産性の観点から好ましくない。
【０００８】
また、従来、結晶成長を行った時点で電流増幅率の初期変動を測定することは困難であった。したがって、実際にＨＢＴ素子を作製して電気的な特性を評価するまでは、上述したような電流増幅率の初期変動を把握することができないという問題があった。すなわち、半導体結晶基板の特性は実際にＨＢＴ素子を作製してみなければわからず、半導体結晶基板の段階での品質管理ができないという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、半導体結晶基板の電流増幅率の初期変動を予測することのできる半導体結晶基板の評価方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の目的は、ＨＢＴ素子の品質管理を行うことのできる半導体結晶基板の評価方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１にかかる発明は、コレクタ層、ベース層およびエミッタ層を含み、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに用いる半導体結晶基板の評価方法において、
前記ベース層と同じ組成の結晶層を含む評価用半導体結晶基板を作製する工程と、
前記評価用半導体結晶基板に励起光を照射して前記結晶層からのフォトルミネッセンス光強度が飽和に達する前の経時変化を測定する工程と、
前記経時変化から前記半導体結晶基板を用いてヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造したときの電流増幅率の経時変化を予測する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
本願請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記ベース層は炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層であり、
前記評価用半導体結晶基板は、ＧａＡｓ基板と、炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層とを有しており、
前記励起光の波長は３００ｎｍ〜５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１４】
本願請求項３にかかる発明は、請求項２に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記評価用半導体結晶基板は、前記ＧａＡｓ基板と前記炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層との間にアンドープのＧａＡｓ結晶層を有することを特徴とする。
【００１５】
本願請求項４にかかる発明は、請求項２に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記評価用半導体基板は、前記炭素を含有するＧａＡｓ結晶層の上層および下層の少なくとも一方にバリア層を有することを特徴とする。
【００１６】
本願請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記バリア層の厚さは１００Å〜１０００Åであることを特徴とする。
【００１７】
本願請求項６にかかる発明は、請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記ベース層は炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層であり、
前記評価用半導体結晶基板は、ＧａＡｓ基板の上に、ｎ＋型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型ＧａＡｓ結晶層、炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型バリア層およびｎ型ＧａＡｓ層がこの順に形成されており、
前記励起光の波長は３００ｎｍ〜５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１８】
本願請求項７にかかる発明は、請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記ベース層は炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層であり、
前記評価用半導体結晶基板は、ＧａＡｓ基板の上に、ｎ＋型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型バリア層、炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層、ｎ型バリア層およびｎ型ＧａＡｓ層がこの順に形成されており、
前記励起光の波長は３００ｎｍ〜５５０ｎｍであることを特徴等する。
【００１９】
本願請求項８にかかる発明は、請求項６または７に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記ｎ型バリア層は、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３であり、厚さが１００Å〜５００Åであることを特徴とする。
【００２０】
本願請求項９にかかる発明は、請求項４〜８に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記バリア層はＩｎＧａＰ結晶層またはＡｌＧａＡｓ結晶層であることを特徴とする。
【００２１】
本願請求項１０にかかる発明は、請求項２〜９に記載の半導体結晶基板の評価方法において、前記炭素を含有するｐ型ＧａＡｓ結晶層は、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であり、厚さが５００Å〜１００００Åであることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１０に示すようなＨＢＴの電流増幅率の変動は、ベース層中の水素濃度に関係する。このことを図１を用いて詳細に説明する。図１はベース電流の時間変化を示したものであり、ベース層に含まれる水素濃度が、図１（ａ）では１×１０１９ｃｍ−３、図１（ｂ）では４×１０１８ｃｍ−３、図１（ｃ）では１×１０１８ｃｍ−３である。また、図１の測定では、コレクタ−エミッタ間の電圧を２．５Ｖに、ベース−エミッタ間の電圧を１．３Ｖにそれぞれ固定して行っている。図からわかるように、水素濃度が大きいほどベース電流の時間変化は大きい。ここで、電流増幅率（β）とベース電流（Ｉｂ）およびコレクタ電流（Ｉｃ）の間には下記式の関係がある。
【００２４】
【数１】
β＝ΔＩｃ／ΔＩｂ
【００２５】
また、同様な現象が観察される事例として、フォトルミネッセンス（以下、ＰＬと称す）評価がある。これについて、以下に詳細に説明する。
【００２６】
ＰＬは、半導体に禁制帯幅（ｂａｎｄ　ｇａｐ）以上のエネルギーを有する波長の光を照射することにより励起された半導体中の少数キャリア（ｐ型半導体の場合では電子）が、電子−正孔ペアを作って再結合する際に見られる発光現象である。
【００２７】
図２にＰＬ評価に用いる半導体結晶基板の一例を示す。図２（ａ）は、ＧａＡｓ基板１の上に、ｉ−ＧａＡｓ層２、ｉ−Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層３（厚さ２００Å）、炭素ドープｐ−ＧａＡｓ層４（キャリア濃度４×１０１９ｃｍ−３，厚さ１０００Å）、ｎ−Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層５（キャリア濃度３×１０１７ｃｍ−３，厚さ２００Å）およびｉ−ＧａＡｓ層６（厚さ２００Å）を順に積層したものである。一方、図２（ｂ）は、ＧａＡｓ基板７の上に、ｉ−ＧａＡｓ層８、ｉ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層９（厚さ５００Å）、炭素ドープｐ−ＧａＡｓ層１０（キャリア濃度４×１０１９ｃｍ−３，厚さ１０００Å）、ｎ−Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層１１（キャリア濃度３×１０１７ｃｍ−３，厚さ１０００Å）およびｉ−ＧａＡｓ層１２（厚さ２００Å）を順に積層したものである。
【００２８】
図２（ａ）および（ｂ）において、ＨＢＴのベース層に相当するのは、ｐ型不純物として炭素をドープしたｐ−ＧａＡｓ層４，１０である。図２（ａ）の半導体結晶基板（以下、試料Ｉと称す）では、ｐ−ＧａＡｓ層４に含まれる水素濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。一方、図２（ｂ）の半導体結晶基板（以下、試料ＩＩと称す）では、ｐ−ＧａＡｓ層１０に含まれる水素濃度は４×１０１８ｃｍ−３である。試料Ｉおよび試料ＩＩにおいて、ｐ−ＧａＡｓ層４，１０中の不純物濃度はいずれも４×１０１９ｃｍ−３である。また、ｐ−ＧａＡｓ層４，１０の厚さはいずれも１０００Å程度であり、これは実際のＨＢＴにおけるベース層の厚さに略等しい。
【００２９】
図３は、室温において、波長４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを励起光源としてＰＬ強度について測定した結果である。図３（ａ）は図２（ａ）の試料Ｉについて、図３（ｂ）は試料ＩＩについての結果を示す。また、横軸は励起時間、縦軸はＰＬ強度である。図３において、ＰＬ発光波長は８９７ｎｍであり、これはＧａＡｓの禁制体幅に相当する。ＰＬ強度は時間とともに大きくなり、ある時点で一定となって飽和に達する。測定開始から飽和に達するまでのＰＬ強度の変化の程度は、試料Ｉの方が試料ＩＩよりも大きい。このことは、ベース層に含まれる水素濃度が大きいほどＰＬ強度が飽和に達するまでに時間を要すると言い換えることができる。また、水素濃度にかかわらず、励起光強度が大きいほどＰＬ強度も大きくなる。
【００３０】
次に、ベース電流とＰＬ強度の相関関係について説明する。図４は、ベース層に含まれる水素濃度が異なる半導体結晶基板を用い、ベース電流およびＰＬ強度の時間依存性を示したものである。図４（ａ）の水素濃度は１×１０１９ｃｍ−３、図４（ｂ）の水素濃度は４×１０１８ｃｍ−３、図４（ｃ）の水素濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。また、ベース電流の測定は、コレクタ−エミッタ間の電圧を２．５Ｖに、ベース−エミッタ間の電圧を１．３Ｖにそれぞれ固定して行っている。一方、ＰＬ強度の測定は、室温で、波長４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを用い、励起光強度を約３．８ｋＷ／ｃｍ２として行っている。また、λ＝８９７ｎｍのＰＬ発光波長を用い、その強度変化をプロットしている。図からわかるように、ベース層に含まれる水素濃度が大きいほど、ベース電流およびＰＬ強度の時間変化が大きく、それぞれ飽和に達するまでに時間を要している。したがって、半導体結晶基板のＰＬ強度の経時変化を測定することによって、ベース電流の経時変化、すなわちＨＢＴ素子の電流増幅率の経時変化を知ることができる。
【００３１】
ところで、ＨＢＴのベース層に含まれる水素濃度は、ベース層の結晶成長条件によって決定される。したがって、実際に素子を作製する前の段階でＰＬ強度を測定し、その結果からベース層の結晶成長条件を決定することにより、素子の品質管理を行うことができる。また、従来のように、実際に作製した素子を用いてベース電流を測定したのでは、素子の作製までに最低でも半日程度を要する。一方、ＰＬ強度の測定による品質管理であれば素子の作製を待つ必要がなく、またＰＬ強度の測定そのものもわずか数分程度で済ませることができるため、全体の作業時間を大きく短縮させることができる。さらに、本発明によれば、実際のＨＢＴ素子を用いて検査するのではなく半導体結晶基板を用いて検査するので、ＨＢＴ素子の電気的特性についての非破壊検査が可能となる。
【００３２】
例えば、励起波長が４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを用い、３．８ｋＷ／ｃｍ２の励起光強度でＰＬ強度を測定した場合において、飽和ＰＬ強度（図３または図４で時間に対してＰＬ強度が変化しなくなったときの強度）を１としたときのＰＬ強度の値が０．９５以上となる時間が測定開始から５０秒以内である半導体結晶基板であれば、電流増幅率の初期変動が５％以内となることから素子作製に好ましい。
【００３３】
尚、ＨＢＴの電流増幅率とＰＬ強度との関係については、特開平３−６４９４３号公報に記載されている。これは、ＰＬ強度、キャリアの寿命および電流増幅率に相関関係があることに着目し、ＰＬ強度が飽和に達した後のＰＬの寿命を測定することによってベース層中のキャリアの寿命を測定しようとするものである。しかしながら、ＰＬの寿命は通常数十ピコ秒程度であり、前記文献ではこの短い時間における特定のＰＬ寿命を測定しているにすぎない。
【００３４】
一方、本発明は、電流増幅率、ベース電流およびＰＬ強度のそれぞれの経時変化に相関関係があることに着目したことを特徴とする。すなわち、本発明においてはＰＬ強度が飽和に達した後のＰＬの寿命そのものを測定するのではなく、ＰＬ強度が飽和に達する前の状態において、数十秒単位でＰＬ強度、すなわちＰＬの寿命が変化していく様子を測定することを目的としている。したがって、ピコ秒オーダーで時間分解ＰＬを測定する必要はなく、ＰＬ強度の時間変化を秒オーダーでモニターすればよい。
【００３５】
実施の形態１．
本実施の形態では、図５に示す半導体結晶基板を試料としてＰＬ強度を測定することを特徴とする。尚、ここで、試料とは評価用半導体結晶基板をいい、実際にＨＢＴの作製に用いられるベース層に相当する結晶層を含むものをいう（以下同じ）。
【００３６】
実際のＨＢＴではベース層の上にエミッタ層やコンタクト層等が形成されるので、ベース層からのＰＬがこれらの層に吸収され、弱い強度のＰＬしか観察されないという問題がある。そこで、本実施の形態においては、図５に示すように、ＧａＡｓ基板１３の上に、アンドープのＧａＡｓ層１４を形成し、その上にｐ型不純物として炭素をドープしたｐ−ＧａＡｓ層１５を形成した試料を用いる。また、ＧａＡｓ基板１３の上にｐ−ＧａＡｓ層１５を直接形成してもよい。本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層１５がＨＢＴにおけるベース層に相当し、この層からの発光を観察することによりＰＬ強度の時間依存性を測定する。本実施の形態によれば、ベース層に相当する層の上に他の層を形成しないので、他の層によるＰＬの吸収を低減させて良好な強度で測定することができる。また、試料の構成が単純であるので、低コストで簡単に試料を作製することができる。
【００３７】
本実施の形態における試料は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長させることにより作製することができる。ｐ−ＧａＡｓ層１５のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度であることが好ましい。また、ｐ−ＧａＡｓ層１５の厚さは５００Å〜１００００Å程度であるのが好ましい。５００Åより薄いとＰＬ強度が弱くなり好ましくない。一方、１００００Åより厚いとコスト高となり好ましくない。
【００３８】
ＰＬ測定における励起光の波長は、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。例えば、波長４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを用いて測定することができる。一方、室温（２５℃）におけるＰＬの主たる波長はλ＝８９０ｎｍ〜９００ｎｍであり、この波長を用いてＰＬ強度をモニターするのが好ましい。
【００３９】
実施の形態２．
本実施の形態では、図６に示す半導体結晶基板を試料としてＰＬ強度を測定することを特徴とする。ＨＢＴのベース層に相当するのは、ｐ型不純物として炭素をドープしたｐ−ＧａＡｓ層１８である。本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層１８の上下にバリア層１７，１９を形成することを特徴としている。ここで、バリア層とは、励起された少数キャリアを閉じ込めてＰＬ強度を増大させる役割を果たす層をいう。バリア層として用いる材料は、ｐ−ＧａＡｓ層よりも禁制帯幅の大きい材料でなければならない。すなわち、ｐ−ＧａＡｓ層の上下にこれより大きなエネルギー禁制帯幅を有する別の半導体層を接合することによって、エネルギー禁制帯幅の違いによりエネルギー障壁を形成することができる。そして、このエネルギー障壁の形成によってｐ−ＧａＡｓ層の中のキャリア、すなわち電子と正孔は外に出難くなって層内に閉じ込められる。したがって、ベース層内で電子と正孔を効率よく再結合させることができるので、ＰＬ強度を大きくすることが可能となる。
【００４０】
本実施の形態におけるバリア層としては、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５ＰやＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ等を用いることができる。これらは不純物をドーピングしてあってもよいし、ドーピングしてなくてもよい。また、ｐ−ＧａＡｓ層の上下に形成するバリア層は同一の材料からなっていてもよいし、異なる材料からなっていてもよい。さらに、バリア層は必ずしもｐ−ＧａＡｓ層の上下に形成されている必要はなく、ｐ−ＧａＡｓ層の上層および下層のいずれか一方のみであってもよい。
【００４１】
本実施の形態における試料は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成することができる。ｐ−ＧａＡｓ層１８のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度であることが好ましい。また、ｐ−ＧａＡｓ層１８の厚さは５００Å〜１００００Å程度であるのが好ましい。５００Åより薄いとＰＬ強度が弱くなり好ましくない。一方、１００００Åより厚いとコスト高となり好ましくない。
【００４２】
一方、本実施の形態においては、実施の形態１と異なり、ｐ−ＧａＡｓ層１８の上下にバリア層１７，１９を形成することを特徴としている。したがって、ｐ−ＧａＡｓ層１８からのＰＬがバリア層１７，１９に吸収されるのを低減させるために、バリア層１７，１９の厚さは、１００Å〜１０００Å程度とするのが好ましい。
【００４３】
ＰＬ測定における励起光の波長は、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。例えば、波長４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを用いて測定することができる。一方、室温（２５℃）におけるＰＬの主たる波長はλ＝８９０ｎｍ〜９００ｎｍであり、この波長を用いてＰＬ強度をモニターするのが好ましい。
【００４４】
実施の形態３．
本実施の形態では、図７に示す半導体結晶基板を試料としてＰＬ強度を測定することを特徴とする。すなわち、本実施の形態においては、実際のＨＢＴを構成する半導体結晶基板と同じ構成を有する試料を用いて測定することを特徴としている。したがって、本実施の形態によれば、測定した試料を用いて実際にＨＢＴ素子を試作することができるので、半導体結晶基板の段階でより正確なＨＢＴ素子の電気的特性についての情報が得られる。また、実際のＨＢＴにおいては、ベース層は下地の結晶層の格子欠陥等の影響を受けて形成されるので、実際の半導体結晶基板と同じ構成を有する本実施の形態の試料であれば、より正確な評価を行うことができる。
【００４５】
本実施の形態においては、図７に示すように、ＧａＡｓ基板２０の上に、ｎ＋−ＧａＡｓ層２１、ｎ−ＧａＡｓ層２２、ｐ−ＧａＡｓ層２３、ｎ−バリア層２４およびｎ−ＧａＡｓ層２５を順に形成する。ここで、ｐ−ＧａＡｓ層２３にはｐ型不純物として炭素をドープする。これらの層は、例えばＭＯＣＶＤ法を用い、各層をエピタキシャル成長させることによって形成することができる。ｐ−ＧａＡｓ層２３については、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３とし、厚さを５００Å〜１００００Å程度とすることが好ましい。５００Åより薄いとＰＬ強度が弱くなり好ましくない。一方、１００００Åより厚いとコスト高となり好ましくない。一方、ｎ＋−ＧａＡｓ層２１のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましく、厚さは５００Å以下であることが好ましい。また、ｎ−バリア層２４としてはＩｎ０．５Ｇａ０．５ＰやＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ等を用いることができ、キャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３とするのが好ましく、厚さを１００Å〜５００Å程度とするのが好ましい。さらに、ｎ−ＧａＡｓ層２２，２５のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であるのが好ましく、厚さは２０００Å以上であるのが好ましい。
【００４６】
ＰＬ測定における励起光の波長は、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。例えば、波長４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを用いて測定することができる。一方、室温（２５℃）におけるＰＬの主たる波長はλ＝８９０ｎｍ〜９００ｎｍであり、この波長を用いてＰＬ強度をモニターするのが好ましい。
【００４７】
実施の形態４．
本実施の形態では、図８に示す半導体結晶基板を試料としてＰＬ強度を測定することを特徴とする。ＨＢＴのベース層に相当するのは、ｐ型不純物として炭素をドープしたｐ−ＧａＡｓ層２９である。本実施の形態においては、ｐ−ＧａＡｓ層２９の下にもバリア層２８を形成することを特徴としている。ここで、バリア層として用いる材料は、ｐ−ＧａＡｓ層よりも禁制帯幅の大きい材料でなければならない。すなわち、このような構成とすることにより、エネルギー禁制帯幅の違いによってエネルギー障壁を形成し、ベース層内にキャリアを閉じ込めて電子と正孔を効率よく再結合することができるようになる。したがって、ベース層からのＰＬ強度を増大させることが可能となる。
【００４８】
また、本実施の形態における試料の構成は、実際にＨＢＴ素子で用いられる半導体結晶基板の構成に近いので、半導体結晶基板の段階でより正確な電気的特性評価を行うことが可能となる。さらに、実際のＨＢＴにおいては、ベース層は下地の格子欠陥等の影響を受けて形成されるので、この点からも本実施の形態によればより正確な電気的特性評価を行うことができる。
【００４９】
本実施の形態においては、図８に示すように、ＧａＡｓ基板２６の上に、ｎ＋−ＧａＡｓ層２７、ｎ−バリア層２８、ｐ−ＧａＡｓ層２９、ｎ−バリア層３０およびｎ−ＧａＡｓ層３１を順に形成する。ここで、ｐ−ＧａＡｓ層２９にはｐ型不純物として炭素をドープする。これらの層は、例えばＭＯＣＶＤ法を用い、各層をエピタキシャル成長させることによって形成することができる。ｐ−ＧａＡｓ層２９については、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度とし、厚さを５００Å〜１００００Å程度とすることが好ましい。５００Åより薄いとＰＬ強度が弱くなり好ましくない。一方、１００００Åより厚いとコスト高となり好ましくない。また、ｎ＋−ＧａＡｓ層２７のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましく、厚さは５００Å以下であることが好ましい。さらに、ｎ−ＧａＡｓ層２８，３１のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であるのが好ましく、厚さは２０００Å以上であるのが好ましい。
【００５０】
本実施の形態におけるバリア層としては、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５ＰやＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ等を用いることができる。炭素ドープＧａＡｓ層の上下に形成するバリア層は同一の材料からなっていてもよいし、異なる材料からなっていてもよい。また、キャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１７ｃｍ−３であるのが好ましく、厚さは１００Å〜５００Å程度であるのが好ましい。
【００５１】
ＰＬ測定における励起光の波長は、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。例えば、波長４８８ｎｍのアルゴン（Ａｒ）イオンレーザを用いて測定することができる。一方、室温（２５℃）におけるＰＬの主たる波長はλ＝８９０ｎｍ〜９００ｎｍであり、この波長を用いてＰＬ強度をモニターするのが好ましい。
【００５２】
【発明の効果】
本願請求項１に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、半導体結晶基板のＰＬ強度の時間変動を測定することによって、ベース電流の時間変動、すなわちＨＢＴの電流増幅率の時間変動を知ることができる。
【００５３】
本願請求項２または３に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、ベース層に相当する層の上に他の層を形成しないので、他の層によるＰＬの吸収を低減させて良好な強度で測定することができる。
【００５４】
本願請求項４または５に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、ベース層内で電子と正孔を効率よく再結合させることができるので、ＰＬ強度を大きくすることが可能となる。
【００５５】
本願請求項６または８に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、測定した試料を用いて実際にＨＢＴ素子を試作することができるので、半導体結晶基板の段階でＨＢＴ素子についてのより正確な電気的情報が得られる。
【００５６】
本願請求項７または８に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、ベース層内で電子と正孔を効率よく再結合させることができるので、ＰＬ強度を大きくすることが可能となる。また、測定した試料を用いて実際にＨＢＴ素子を試作することができるので、半導体結晶基板の段階でＨＢＴ素子についてのより正確な電気的情報が得られる。
【００５７】
本願請求項９に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、ベース層内で電子と正孔を効率よく再結合させることができるので、ＰＬ強度を大きくすることが可能となる。
【００５８】
本願請求項１０に記載の半導体結晶基板の評価方法によれば、炭素を含むｐ型ＧａＡｓ結晶層からのＰＬ強度の時間変動を測定することによって、ベース電流の時間変動、すなわちＨＢＴ素子の電流増幅率の時間変動を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素濃度の違いによるベース電流の経時変化を示す図であり、水素濃度が（ａ）は１×１０１９ｃｍ−３、（ｂ）は４×１０１８ｃｍ−３、（ｃ）は１×１０１８ｃｍ−３である。
【図２】ＰＬ測定用半導体結晶基板の断面図であり、水素濃度が（ａ）は１×１０１９ｃｍ−３、（ｂ）は４×１０１８ｃｍ−３である。
【図３】水素濃度の違いによるＰＬ強度の経時変化を示す図であり、水素濃度が（ａ）は１×１０１９ｃｍ−３、（ｂ）は４×１０１８ｃｍ−３である。
【図４】ベース電流とＰＬ強度の関係を示す図であり、水素濃度が（ａ）は１×１０１９ｃｍ−３、（ｂ）は４×１０１８ｃｍ−３、（ｃ）は１×１０１８ｃｍ−３である。
【図５】本実施の形態１にかかる半導体結晶基板の断面図である。
【図６】本実施の形態２にかかる半導体結晶基板の断面図である。
【図７】本実施の形態３にかかる半導体結晶基板の断面図である。
【図８】本実施の形態４にかかる半導体結晶基板の断面図である。
【図９】ＨＢＴ素子の断面図である。
【図１０】ベース電流と電流増幅率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１，７，１３，１６，２０，２６，３２　ＧａＡｓ基板、　４，１０，１５，１８，２３，２９，３５　ｐ型ＧａＡｓ層、　１７，１９，２４，２８，３０　バリア層。
【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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