(57)【要約】【課題】不純物濃度が１０１４(ｃｍ−３)台以下の高純度なドリフト層の不純物濃度を測定できるドリフト層の不純物濃度測定方法を提供する。【解決手段】この不純物濃度測定方法によれば、アノード‐カソード間電圧のターンオフ波形をアノード電流を変えて複数回測定し、この複数のターンオフ波形の各変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴとアノード電流Ｉとを計測する。この計測したＶＴとＩおよびドリフト層３の厚さＷ(ｍ)と比誘電率εＳとから、次式(１)：(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)＝(Ｊ/ｅ)・(１/ｖsat)＋Ｎａにおける(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出し、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせと式(１)とに基づいて、ドリフト層３の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を求める。【選択図】図１
2013186046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時の第１の主電極と第２の主電極との間の主電極間電圧のターンオフ波形を上記オン状態で上記第１の主電極に流れる主電流を変えて複数回測定し、
上記複数回測定した各ターンオフ波形について、上記ターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点での上記主電極間電圧と主電流とを計測し、
上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳとを測定し、
上記変曲点での主電流を上記ドリフト層の断面積で除算した主電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)と、上記変曲点での主電極間電圧ＶＴ(Ｖ)との複数の組み合わせと、上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳと、真空の誘電率ε０(Ｆ/ｍ)と、電子の電荷の絶対値ｅ(クーロン)とから、(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出し、
上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の関係を求めて、この(Ｊ/ｅ)の特定の値のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求めることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のドリフト層の不純物濃度測定方法において、
上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の一次関数を求めて、この一次関数における(Ｊ/ｅ)＝０のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求めることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のドリフト層の不純物濃度測定方法において、
上記半導体スイッチング素子は、ＧＴＯであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載のドリフト層の不純物濃度測定方法において、
上記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載のドリフト層の不純物濃度測定方法において、
上記半導体スイッチング素子は、バイポーラトランジスタであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載のドリフト層の不純物濃度測定方法において、
上記半導体スイッチング素子は、縦型電界効果トランジスタであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定方法。
【請求項７】
半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時の主電極間電圧のターンオフ波形を上記オン状態での主電流を変えて複数回測定するターンオフ波形測定部と、
上記ターンオフ波形測定部で複数回測定した各ターンオフ波形について、上記ターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点での主電極間電圧と主電流とを求める波形解析部と、
上記変曲点での主電流を上記ドリフト層の断面積で除算した主電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)と、上記変曲点での主電極間電圧ＶＴ(Ｖ)との複数の組み合わせと、上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳと、真空の誘電率ε０(Ｆ/ｍ)、電子の電荷の絶対値ｅ(クーロン)とから、(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出し、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の関係を求めて、この(Ｊ/ｅ)の特定の値のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める演算部と
を備えることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載のドリフト層の不純物濃度測定装置において、
上記演算部は、
上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の一次関数を求めて、この一次関数における(Ｊ/ｅ)＝０のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求めることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載のドリフト層の不純物濃度測定装置において、
上記半導体スイッチング素子は、ＧＴＯであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定装置。
【請求項１０】
請求項７または８に記載のドリフト層の不純物濃度測定装置において、
上記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定装置。
【請求項１１】
請求項７または８に記載のドリフト層の不純物濃度測定装置において、
上記半導体スイッチング素子は、バイポーラトランジスタであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定装置。
【請求項１２】
請求項７または８に記載のドリフト層の不純物濃度測定装置において、
上記半導体スイッチング素子は、縦型電界効果トランジスタであることを特徴とするドリフト層の不純物濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、ＧＴＯ(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)等の半導体スイッチング素子のドリフト層の不純物濃度測定方法および不純物濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ドリフト層の不純物濃度を測定する方法としては、不純物原子の数を検出するＳＩＭＳ(２次イオン質量分析)を用いた方法(特許文献１(特開２００４−１４４６５９号公報)参照)や、ホールキャリアを測定するホール測定法(特許文献２(特開平８−３０６７５４号公報)参照)、ＳＣＭ(走査型静電容量顕微鏡)を用いる方法、電気抵抗から求めるＳＳＲＭ(走査型広がり抵抗顕微鏡)を用いる方法、ラマンシフトから求める方法など、様々な方法が知られている。
【０００３】
ところが、上述のいずれの方法も、不純物濃度が、１０１５(ｃｍ−３)台や１０１６(ｃｍ−３)台では有効だが、不純物濃度が１０１４(ｃｍ−３)台以下では、検出下限もしくは誤差が多く含まれて来る。このため、１０１４(ｃｍ−３)台以下のドリフト層の不純物濃度の測定には、困難を伴っていた。
【０００４】
また、Ｃ‐Ｖ(電気容量‐電圧)測定法により、電気容量変化がなくなる電圧とドリフト層の厚さから不純物濃度を求める方法(特許文献１(特開２０００−１５０６０５号公報)参照)も知られているが、この場合、１０００Ｖ以上の電圧での容量測定が必要となるため、測定に困難を伴っていた。
【０００５】
上述のような低い不純物濃度のドリフト層は、特に、スイッチング素子の高耐圧化のために求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４４６５９号公報
【特許文献２】特開平８−３０６７５４号公報
【特許文献３】特開２０００−１５０６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この発明の課題は、不純物濃度が１０１４(ｃｍ−３)台以下の高純度なドリフト層の不純物濃度を測定できるドリフト層の不純物濃度測定方法および不純物濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、半導体スイッチング素子のターンオフ時の主電極間電圧の挙動に着眼し、以下の(Ｉ)〜(III)のような考察に基づいて、本発明の不純物濃度測定方法を創出した。
【０００９】
(Ｉ) 半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせたときに、主電極間の電圧が立ち上がるとともに、主電流が減少し、遮断に至る。ここで、ドリフト層の不純物濃度が低い場合、上記主電極間の電圧が電源電圧に達する前に、空乏層がドリフト層の層厚の両端まで伸びきると考えられる。このため、上記ターンオフ動作において、上記主電極間の電圧は、最初、緩やかに上昇する段階では電圧上昇カーブの傾きが増加してから減少し、空乏層がドリフト層の全層厚に達した後、電圧上昇カーブの傾きが減少から上昇に転じて急激に上昇する。したがって、上記主電極間の電圧が、主電極間の電圧のターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点に達したときに、上記空乏層がドリフト層の全層厚に達すると考えられる。
【００１０】
(II) 次に、上記主電極間の電圧のターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点での空乏層の解析を行なった。ここでは、ドリフト層がｐ型であるとして考察を進める。ドリフト層がｐ型の場合、ドナー密度Ｎｄは、アクセプタ密度Ｎａに比べて、非常に小さくなる。また、上記変曲点では、過剰な電子による電流が空乏層中を流れている。このため、上記空乏層中の電荷密度ρは、次式(２.１)で表される。この式(２.１)において、ｅは電子の電荷の絶対値、ｎは上記過剰な電子による電子密度である。
ρ＝−ｅ×(Ｎａ＋ｎ)                   … (２.１)
【００１１】
ここで、空乏層中は高電界であるため、拡散電流を無視し、空乏層中を流れる電流は電子によるドリフト電流とする。さらに、高電界のため、電子の速度は飽和しており、この飽和電子速度をｖsatとすると、上記変曲点に達したときに上記空乏層に流れている電流密度Ｊは、次式(２.２)で表される。
Ｊ＝ｅ×ｎ×ｖsat                      … (２.２)
【００１２】
この式(２.２)から、上記電子密度ｎは、次式(２.３)で表される。
ｎ＝Ｊ/(ｅ×ｖsat)                     … (２.３)
【００１３】
この(２.３)式のｎを、前式(２.１)に代入すると、次式(２.３’)が得られる。
ρ＝−ｅ×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}       … (２.３’)
【００１４】
(III) 次に、前項(II)で得た式(２.３’)による変曲点での空乏層中の電荷密度ρを、空間電荷密度分布ρ(ｘ)により形成されるポテンシャル分布Ｖ(ｘ)を与えるポアソンの方程式(ｄ２Ｖ/ｄｘ２＝−ρ/ε)に代入することで、次式(２.４)が得られる。
ｄ２Ｖ/ｄｘ２＝{ｅ/(εＳ・ε０)}×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}  … (２.４)
【００１５】
ここで、上式(２.４)において、ｘ＝０を、図１に示すように、ｐ型ドリフト層とｎ型ベース層との境界の位置とし、ｐ型ドリフト層から基板に向かう方向をｘの正の方向とし、上記ｐ型ドリフト層の厚さをＷとする。ここで、ｎ型ベース層の不純物濃度は、ｐ型ドリフト層の不純物濃度よりも３桁程度大きくなるため、空乏層は、ｎ型ベース層とｐ型ドリフト層との境界(ｘ＝０)から、ｐ型ドリフト層の基板側の端(ｘ＝Ｗ)まで延びていると考えることができる。
【００１６】
これにより、ｘ＝Ｗで、電圧Ｖ＝０、電界Ｅ＝０となり、この境界条件の基で、上式(２.４)のポアソンの方程式を解くと、次式(２.５)が得られる。
Ｖ＝{ｅ/(２・εＳ・ε０)}×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}・(Ｗ−ｘ)２  …(２.５)
【００１７】
さらに、ｘ＝０で、電圧Ｖは、上記変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴとなるので、次式(２.６)が得られる。
ＶＴ＝{ｅ/(２・εＳ・ε０)}×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}・Ｗ２   … (２.６)
【００１８】
上式(２.６)を変形して、次式(２.７)が得られる。
(２εＳ・ε０/ｅ)・ＶＴ/Ｗ２＝(Ｊ/ｅ)・(１/ｖsat)＋Ｎａ     … (２.７)
【００１９】
上式(２.７)から、上記変曲点での主電極間電圧ＶＴ(Ｖ)と上記変曲点での主電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)とを少なくとも２組、測定することで、未知数としての飽和電子速度ｖsat(ｍ/秒)と不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を求めることができることが分かる。なお、ｐ型ドリフト層の厚さＷは、例えば、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)，ＳＣＭ（走査型静電容量顕微鏡)，ＳＳＲＭ(走査型広がり抵抗顕微鏡)等で予め測定しておく。また、上記ｐ型ドリフト層の比誘電率εＳは、Ｃ‐Ｖ法等で予め測定しておく。
【００２０】
すなわち、本発明のドリフト層の不純物濃度測定方法は、半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時の第１の主電極と第２の主電極との間の主電極間電圧のターンオフ波形を上記オン状態で上記第１の主電極に流れる主電流を変えて複数回測定し、
上記複数回測定した各ターンオフ波形について、上記ターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点での上記主電極間電圧と主電流とを計測し、
上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳとを測定し、
上記変曲点での主電流を上記ドリフト層の断面積で除算した主電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)と、上記変曲点での主電極間電圧ＶＴ(Ｖ)との複数の組み合わせと、上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳと、真空の誘電率ε０(Ｆ/ｍ)と、電子の電荷の絶対値ｅ(クーロン)とから、(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出し、
上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の関係を求めて、この(Ｊ/ｅ)の特定の値のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。
【００２１】
この発明のドリフト層の不純物濃度測定方法によれば、主電極間電圧のターンオフ波形をオン時の主電流を変えて複数回測定し、この互いに異なる複数の主電極間電圧のターンオフ波形の各変曲点での主電極間電圧と主電流とを計測する。そして、上記各変曲点での主電極間電圧の値と主電流の値との複数の組み合わせと、上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳとから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出する。そして、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の関係を求めて、上記(Ｊ/ｅ)が特定の値のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。これにより、ドリフト層の不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００２２】
また、一実施形態では、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の一次関数を求めて、この一次関数における(Ｊ/ｅ)＝０のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。
【００２３】
この実施形態によれば、上記一次関数における(Ｊ/ｅ)＝０のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。これにより、ドリフト層の不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００２４】
また、一実施形態では、上記半導体スイッチング素子は、ＧＴＯである。
【００２５】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としてのＧＴＯのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００２６】
また、一実施形態では、上記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴである。
【００２７】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００２８】
また、一実施形態では、上記半導体スイッチング素子は、バイポーラトランジスタである。
【００２９】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としてのバイポーラトランジスタのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００３０】
また、一実施形態では、上記半導体スイッチング素子は、縦型電界効果トランジスタである。
【００３１】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としての縦型電界効果トランジスタのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００３２】
また、本発明のドリフト層の不純物濃度測定装置は、半導体スイッチング素子をオン状態からターンオフさせて、このターンオフ時の主電極間電圧のターンオフ波形を上記オン状態での主電流を変えて複数回測定するターンオフ波形測定部と、
上記ターンオフ波形測定部で複数回測定した各ターンオフ波形について、上記ターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点での主電極間電圧と主電流とを求める波形解析部と、
上記変曲点での主電流を上記ドリフト層の断面積で除算した主電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)と、上記変曲点での主電極間電圧ＶＴ(Ｖ)との複数の組み合わせと、上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳと、真空の誘電率ε０(Ｆ/ｍ)、電子の電荷の絶対値ｅ(クーロン)とから、 (２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出し、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の関係を求めて、この(Ｊ/ｅ)の特定の値のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める演算部と
を備えることを特徴としている。
【００３３】
このドリフト層の不純物濃度測定装置によれば、上記ターンオフ波形測定部により、主電極間電圧のターンオフ波形をオン時の主電流を変えて複数回測定し、上記波形解析部により、互いに異なる複数の主電極間電圧のターンオフ波形の各変曲点での主電極間電圧と主電流とを求める。そして、上記演算部により、上記各変曲点での主電極間電圧の値と主電流の値との複数の組み合わせと、上記ドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳとから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出する。さらに、上記演算部は、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の関係を求めて、この(Ｊ/ｅ)が特定の値のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。これにより、ドリフト層の不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００３４】
また、一実施形態の不純物濃度測定装置では、上記演算部は、
上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の一次関数を求めて、この一次関数における(Ｊ/ｅ)＝０のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。
【００３５】
この実施形態によれば、上記演算部は、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせから、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と上記(Ｊ/ｅ)との間の一次関数を求めて、この一次関数における(Ｊ/ｅ)＝０のときの上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値を、上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)として求める。これにより、ドリフト層の不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００３６】
また、一実施形態の不純物濃度測定装置では、上記半導体スイッチング素子は、ＧＴＯである。
【００３７】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としてのＧＴＯのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００３８】
また、一実施形態の不純物濃度測定装置では、上記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴである。
【００３９】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００４０】
また、一実施形態の不純物濃度測定装置では、上記半導体スイッチング素子は、バイポーラトランジスタである。
【００４１】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としてのバイポーラトランジスタのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００４２】
また、一実施形態の不純物濃度測定装置では、上記半導体スイッチング素子は、縦型電界効果トランジスタである。
【００４３】
この実施形態によれば、上記半導体スイッチング素子としての縦型電界効果トランジスタのターンオフ波形から、ドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【発明の効果】
【００４４】
この発明のドリフト層の不純物濃度測定方法によれば、互いに異なる複数の主電極間電圧のターンオフ波形の各変曲点での主電極間電圧と主電流とを計測することによって、ドリフト層の不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の第１実施形態であるドリフト層の不純物濃度測定方法によりドリフト層の不純物濃度を測定する対象である半導体スイッチング素子としてのＳｉＣ ＧＴＯの断面図である。
【図２】上記ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ時のアノード電流とアノード‐カソード間電圧の波形を、オン時のアノード電流を替えて５回測定した結果を示す波形図である。
【図３】図２の波形図におけるアノード‐カソード電圧波形の変曲点での電圧ＶＴと上記変曲点でのアノード電流ＩＡおよびアノード電流密度Ｊ等の一覧表を示す図である。
【図４】図３の一覧表に基づいて、縦軸に２εＳε０ＶＴ/ｅＷ２を取り、横軸にＪ/ｅを取ったグラフである。
【図５】この発明の第２実施形態であるドリフト層の不純物濃度測定装置を示す回路図である。
【図６】上記第２実施形態の信号処理系統を示すブロック図である。
【図７】上記第２実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４７】
(第１の実施の形態)
この実施形態では、半導体スイッチング素子としてのＳｉＣ ＧＴＯのドリフト層の不純物濃度測定方法を説明する。
【００４８】
まず、図１に、上記ＳｉＣ ＧＴＯの断面を示す。このＳｉＣ ＧＴＯは、ｎ＋型４Ｈ‐ＳｉＣ基板１上に、ｐ型ＳｉＣバッファ層２、ｐ型ＳｉＣドリフト層３、ｎ型ＳｉＣベース層４、メサ形状のｐ型ＳｉＣアノードエミッタ層５が形成されている。上記ｎ型ＳｉＣベース層４にはｎ＋型ゲートコンタクト領域６が形成されている。また、上記ｎ＋型４Ｈ‐ＳｉＣ基板１の下面には第２の主電極としてのカソード電極７が形成され、上記ｎ＋型ゲートコンタクト領域６上にはゲート電極８が形成され、上記メサ形状のｐ型ＳｉＣアノードエミッタ層５上には第１の主電極としてのアノード電極１０が形成されている。また、上記ｎ型ＳｉＣベース層４,ゲート電極８および上記メサ形状のｐ型ＳｉＣアノードエミッタ層５を覆うように絶縁層１１が形成されている。なお、上記４Ｈ‐ＳｉＣ基板の「４Ｈ」は、「４」が原子積層が４層周期となる結晶構造を表し、「Ｈ」は六方晶を表す。
【００４９】
このＳｉＣ ＧＴＯは、アノード電極１０の電位がカソード電極７の電位より高い状態で、ゲート電極８の電位をアノード電極１０の電位より低くしてアノード電極１０とゲート電極８との間に順バイアス電圧を印加すると、アノード電極１０からゲート電極８にターンオン電流が流れ、さらに、アノード電極１０からカソード電極７に電流が流れることにより、ターンオンしてオン状態となる。
【００５０】
このオン状態において、上記アノード電極１０とゲート電極８との間に逆バイアス電圧を印加すると、カソード電極７からアノード電極１０に流れる電子流、あるいはアノード電極１０からカソード電極２に流れるホールがゲート電極８に分流され、ゲートターンオフ電流が流れ、ＳｉＣ ＧＴＯはターンオフする。
【００５１】
図２に、Ｔ＝０.０(μ秒)にて上記逆バイアス電圧を印加した後の上記ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ時の電流電圧波形を示す。図２において、ＩＡ(1)〜ＩＡ(5)は主電流としてのアノード電流であり、ＶＡＫ(1)〜ＶＡＫ(5)は上記アノード電流ＩＡ(1)〜ＩＡ(5)に対応する主電極間電圧としてのアノード‐カソード間電圧である。各アノード電流ＩＡ(1)〜ＩＡ(5),アノード‐カソード間電圧ＶＡＫ(1)〜ＶＡＫ(5)は、負荷やスイッチング素子(ＳｉＣ ＧＴＯ)の通電時間(パルス幅)を変更することでアノード電流を変更することで互いに異なる波形になっている。
【００５２】
(ｉ) 上記ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ時には、まず、アノード電極１０とカソード電極２との間に、アノード電流ＩＡとして主電流(図２のＩＡ(5)では約１４０Ａ)が通電している状態から、その主電流をアノード電極１０からゲート電極８へ転流する。この転流後、図２に示すように、アノード‐カソード間電圧ＶＡＫが立ち上がると共にアノード電流ＩＡおよびゲート電流ＩＧ(図示せず)が減少し、遮断に至る。ここで、ｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度は、薄い(例えば、１０１３〜１０１６ｃｍ−３)ので、アノード‐カソード間電圧ＶＡＫが電源電圧(図２のＶＡＫ(5)では２５００Ｖ)に達する前に、空乏層がｐ型ＳｉＣドリフト層３の層厚Ｗ(例えば、７５μｍ)の両端まで伸びきる。このため、上記ターンオフ動作において、上記アノード‐カソード間の電圧ＶＡＫは、最初、緩やかに上昇する段階では電圧上昇カーブの傾きが増加してから減少し、空乏層がｐ型ＳｉＣドリフト層３の全層厚Ｗに達した後、電圧上昇カーブの傾きが変曲点ｂで減少から上昇に転じて急激に上昇する。したがって、上記アノード‐カソード間の電圧ＶＡＫが、アノード‐カソード間の電圧ＶＡＫのターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点ｂに達したときに、上記空乏層がｐ型ＳｉＣドリフト層３の全層厚Ｗに達する。
【００５３】
(ii) 次に、上記アノード‐カソード間の電圧ＶＡＫのターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点ｂでの空乏層の解析を行なった。ここでは、ドリフト層３がｐ型であるので、ドナー密度Ｎｄ(１/ｍ３)は、アクセプタ密度Ｎａ(１/ｍ３)に比べて、非常に小さくなる。また、上記変曲点ｂでは、過剰な電子による電流が空乏層中を流れている。このため、上記空乏層中の電荷密度ρは、次式(２.１)で表される。この式(２.１)において、ｅは電子の電荷の絶対値、ｎは上記過剰な電子による電子密度(１/ｍ３)である。
ρ＝−ｅ×(Ｎａ＋ｎ)                   … (２.１)
【００５４】
ここで、空乏層中は高電界であるため、拡散電流を無視し、空乏層中を流れる電流は電子によるドリフト電流とする。さらに、高電界のため、電子の速度は飽和しており、この飽和電子速度をｖsat(ｍ/秒)とすると、上記変曲点ｂに達したときに上記空乏層に流れている電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)は、次式(２.２)で表される。
Ｊ＝ｅ×ｎ×ｖsat                      … (２.２)
【００５５】
この式(２.２)から、上記電子密度ｎは、次式(２.３)で表される。
ｎ＝Ｊ/(ｅ×ｖsat)                     … (２.３)
【００５６】
この(２.３)式のｎを、前式(２.１)に代入すると、次式(２.３’)が得られる。
ρ＝−ｅ×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}       … (２.３’)
【００５７】
(iii) 次に、前項(ii)で得た式(２.３’)による変曲点ｂでの空乏層中の電荷密度ρを、空間電荷密度分布ρ(ｘ)により形成されるポテンシャル分布Ｖ(ｘ)を与えるポアソンの方程式(ｄ２Ｖ/ｄｘ２＝−ρ/ε)に代入することで、次式(２.４)が得られる。
ｄ２Ｖ/ｄｘ２＝{ｅ/(εＳ・ε０)}×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}  … (２.４)
【００５８】
ここで、上式(２.４)において、上記εＳは上記ドリフト層３の比誘電率(例えば、１０.０３)、上記ε０は真空の誘電率(Ｆ/ｍ)である。そして、ｘ＝０を、図１に示すように、ｐ型ＳｉＣドリフト層３とｎ型ＳｉＣベース層４との境界の位置とし、ｐ型ＳｉＣドリフト層３からｎ＋型４Ｈ‐ＳｉＣ基板１に向かう方向をｘの正の方向とし、上記ｐ型ＳｉＣドリフト層３の厚さをＷ(ｍ)とする。ここで、ｎ型ＳｉＣベース層４の不純物濃度は、ｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度よりも３桁程度大きくなる(例えば、１０１８ｃｍ−３)ため、空乏層は、ｎ型ＳｉＣベース層４とｐ型ＳｉＣドリフト層４との境界(ｘ＝０)から、ｐ型ＳｉＣドリフト層４の基板１側の端つまりｐ型ＳｉＣバッファ層２との境界(ｘ＝Ｗ)まで延びていると考えることができる。
【００５９】
これにより、ｘ＝Ｗで、電圧Ｖ＝０、電界Ｅ＝０となり、この境界条件の基で、上式(２.４)のポアソンの方程式を解くと、次式(２.５)が得られる。
Ｖ＝{ｅ/(２・εＳ・ε０)}×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}・(Ｗ−ｘ)２  …(２.５)
【００６０】
さらに、ｘ＝０で、電圧Ｖは、上記変曲点ｂでのアノード‐カソード間電圧ＶＴとなるので、次式(２.６)が得られる。
ＶＴ＝{ｅ/(２・εＳ・ε０)}×{Ｎａ＋Ｊ/(ｅ×ｖsat)}・Ｗ２   …(２.６)
【００６１】
上式(２.６)を変形して、次式(２.７)が得られる。
(２εＳ・ε０/ｅ)・ＶＴ/Ｗ２＝(Ｊ/ｅ)・(１/ｖsat)＋Ｎａ     …(２.７)
【００６２】
上式(２.７)において、上記変曲点ｂでのアノード‐カソード間電圧ＶＴ(Ｖ)と上記変曲点ｂでのアノード電流密度Ｊ(Ａ/ｍ２)とを少なくとも２組、測定することで、未知数としての飽和電子速度ｖsat(ｍ/秒)と不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を求めることができる。なお、ｐ型ＳｉＣドリフト層３の厚さＷは、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)等で求めることができる。
【００６３】
次に、上記ドリフト層３の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を求める具体的一例を説明する。
【００６４】
上式(２.７)から、図４に示すように、縦軸に(２εＳ・ε０)・ＶＴ/ｅＷ２を取り、横軸に(Ｊ/ｅ)を取ったグラフにおいて、(Ｊ/ｅ)＝０の縦軸切片(図４では、約１.０６７×１０１４(ｃｍ−３))がＮａつまりドリフト層３のアクセプタ濃度を表し、傾きが飽和電子速度ｖsatの逆数を表していることがわかる。
【００６５】
ところで、上式(２.７)において、過剰キャリアを無視した場合、Ｊ＝０であるので、次式(２.８)が得られる。
ＶＴ＝ｅ・Ｎａ・Ｗ２/(２εＳ・ε０)       … (２.８)
【００６６】
上記関係から、上式(２.７)で縦軸に取る(２εＳ・ε０/ｅ)・ＶＴ/Ｗ２は、過剰キャリアを無視した時の、ドリフト層３のみかけのキャリア濃度を示している。これは、上記縦軸切片が、Ｊ＝０を表しており、過剰キャリアが無視できる状態であることからも分かる。
【００６７】
図４のグラフにおけるプロット(1)は、図３の一覧表のＮo.１の欄における、Ｊ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．４７２と、(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．４８とをプロットしたものである。これは、図２のアノード‐カソード間電圧ＶＡＫ(1)の変曲点でのアノード電流ＩＡ(1)＝５９(Ａ)から図３の一覧表のＮo.１の欄のＪ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．４７２を算出し、上記変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴ(1)＝７５０Ｖから、図３の一覧表のＮo.１の欄の(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．４８を算出したものである。
【００６８】
また、図４のグラフにおけるプロット(2)は、図３の一覧表のＮo.２の欄における、Ｊ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．６４０と、(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．６６とをプロットしたものである。これは、図２のアノード‐カソード間電圧ＶＡＫ(2)の変曲点でのアノード電流ＩＡ(2)＝８０(Ａ)から図３の一覧表のＮo.２の欄のＪ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．６４０を算出し、上記変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴ(2)＝８４０Ｖから、図３の一覧表のＮo.２の欄の(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．６６を算出したものである。
【００６９】
また、図４のグラフにおけるプロット(3)は、図３の一覧表のＮo.３の欄における、Ｊ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．８００と、(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．７９とをプロットしたものである。これは、図２のアノード‐カソード間電圧ＶＡＫ(3)の変曲点でのアノード電流ＩＡ(3)＝１００(Ａ)から図３の一覧表のＮo.３の欄のＪ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．８００を算出し、上記変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴ(3)＝９１０Ｖから、図３の一覧表のＮo.３の欄の(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．７９を算出したものである。
【００７０】
また、図４のグラフにおけるプロット(4)は、図３の一覧表のＮo.４の欄における、Ｊ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．９６０と、(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．９３とをプロットしたものである。これは、図２のアノード‐カソード間電圧ＶＡＫ(4)の変曲点でのアノード電流ＩＡ(4)＝１２０(Ａ)から図３の一覧表のＮo.４の欄のＪ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝０．９６０を算出し、上記変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴ(4)＝９８０Ｖから、図３の一覧表のＮo.４の欄の(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．９３を算出したものである。
【００７１】
また、図４のグラフにおけるプロット(5)は、図３の一覧表のＮo.５の欄における、Ｊ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝１．０４０と、(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．９９とをプロットしたものである。これは、図２のアノード‐カソード間電圧ＶＡＫ(5)の変曲点でのアノード電流ＩＡ(5)＝１３０(Ａ)から図３の一覧表のＮo.５の欄のＪ/ｅ(×１０２１ｃｍ−２/秒)＝１．０４０を算出し、上記変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴ(5)＝１０１０Ｖから、図３の一覧表のＮo.５の欄の(２εＳε０ＶＴ)/ｅＷ２(×１０１４ｃｍ−３)＝１．９９を算出したものである。
【００７２】
なお、上記算出において、上記ドリフト層３の比誘電率εＳを１０.０３とし、真空の誘電率ε０を８.８５×１０−１４(Ｆ/ｃｍ)とし、電子の電荷の絶対値ｅを１.６０×１０−１９(Ｃ)とし、ドリフト層３の厚さＷを７.５０×１０−３(ｃｍ)、積層方向と直交する面によるドリフト層３の断面積を０.７８(ｃｍ２)とした。
【００７３】
そして、上記プロット(1)〜(5)を通る直線Ｋ１の縦軸切片として求めた１.０６７７(×１０１４ｃｍ−３)を上記ＳｉＣ ＧＴＯのｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度Ｎａとして求めることができる。上記プロット(1)〜(5)を通る直線Ｋ１の式は、例えば、最小自乗法により求めることができる。
【００７４】
上述の如く、本実施形態によれば、ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ波形から、ｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度を測定でき、超高耐圧化のために不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。したがって、この実施形態によれば、ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ波形から、不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下の超高耐圧ＳｉＣ ＧＴＯのドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００７５】
(第２の実施の形態)
次に、図５、図６および図７を参照して、この発明の第２実施形態としての半導体素子のドリフト層の不純物濃度測定装置を説明する。図５は、この第２実施形態の不純物濃度測定装置の回路図であり、図６は、上記第２実施形態の信号処理系統を示すブロック図である。また、図７は、上記第２実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【００７６】
この不純物濃度測定装置３０は、直流電源３１と、この直流電源３１と並列に接続されたコンデンサ３２と、第１端子３３と第２端子３４と第３端子３５を有する。この第１端子３３と直流電源３１の一端との間には、可変負荷リアクトル３６と出力電流測定部である第１変成器３８とが直列に接続されている。また、第３端子３５は直流電源３１の他端に接続されている。また、可変負荷リアクトル３６と並列に還流用ダイオード３７が接続されている。
【００７７】
また、第１端子３３と第３端子３５との間に出力電圧測定部である電圧計４０が接続されている。また、第２端子３４にゲート回路４１の一端が接続され、第３端子３５にゲート回路４１の他端が接続されている。
【００７８】
一方、第１端子３３には第１接続部材４３が接続され、第２端子３４には第２接続部材４４が接続され、第３端子３５には第３接続部材４５が接続される。そして、この第１接続部材４３は、測定対象である半導体スイッチング素子としてのＳｉＣ ＧＴＯ４７の第１の主電極としてのアノード電極４７ａに接続され、第２接続部材４４はＳｉＣ ＧＴＯ４７のゲート４７ｂに接続され、第３端子３５はＳｉＣ ＧＴＯ４７の第２の主電極としてのカソード電極４７ｃに接続される。上記直流電源３１は、上記ＧＴＯ４７のアノード電極４７ａ側に正の電圧が印加される方向に接続されている。ここで、このＳｉＣ ＧＴＯ４７は、前述の第１実施形態のＳｉＣ ＧＴＯと同様の構成とする。
【００７９】
また、この第２実施形態のドリフト層の不純物濃度測定装置３０は、図６のブロック図に示すように、上記直流電源３１,上記可変負荷リアクトル３６,上記ゲート回路４１,および制御回路５１,波形計測部５２,波形記録部５３,波形解析部５４,演算部５５と表示部５６を有する。上記波形計測部５２は、主電流としてのアノード電流を計測する第１変成器３８と、主電極間電圧としてのアノード‐カソード間電圧を計測する電圧計４０を有している。上記直流電源３１,可変負荷リアクトル３６,ゲート回路４１,および制御回路５１,波形計測部５２,波形記録部５３がターンオフ波形測定部を構成している。
【００８０】
次に、図７のフローチャートを参照して、この不純物濃度測定装置３０の動作を説明する。
【００８１】
まず、ステップＳ１で、制御回路５１は、ｎ＝１として、上記可変負荷リアクトル３６のリアクタンスＺを第１の値Ｚ(１)に設定する。
【００８２】
次に、ステップＳ２で、直流電源３１から第１端子３３,第１接続部材４３,第３接続部材４５,第３端子３５を経由して、ＳｉＣ ＧＴＯ４７のアノード電極４７ａとカソード電極４７ｃとの間に、アノード電極４７ａ側が正となる直流電圧を印加する。
【００８３】
次に、ステップＳ３で、制御回路５１は、ゲート回路４１を制御し、ゲート回路４１から第２端子３４,第２接続部材４４を経由してＧＴＯ４７のゲート４７ｂにオン制御信号を入力して、ＧＴＯ４７をオンさせる。これにより、直流電源３１から、可変負荷リアクトル３６を経由して、第１端子３３、ＧＴＯ４７、第３端子３５に電流が流れる。
【００８４】
その後、所定の短い時間が経過した後に、ステップＳ４に進み、制御回路５１は、ゲート回路４１を制御して、ゲート回路４１からＧＴＯ４７のゲート４７ｂにオフ制御信号を入力して、ＧＴＯ４７をオフさせる。上記所定の短い時間とは、例えば、可変負荷リアクトル３６に流れる電流が安定値となるまでの時間とする。なお、この可変負荷リアクトル３６に流れる電流は、波形計測部５２が有する第１変成器３８を用いて検出される。
【００８５】
次に、ステップＳ５に進み、上記波形計測部５２は、第１変成器３８によって、図２に例示されるような出力電流である主電流としてのアノード電流ＩＡを計測する。また、波形計測部５２は、電圧計４０によって、図２に例示されるような出力電圧である主電極間電圧としてのアノード-カソード間電圧ＶＡＫを計測する。
【００８６】
波形計測部５２が計測したアノード電流ＩＡ,アノード-カソード間電圧ＶＡＫは、波形記録部５３に入力され、アノード電流ＩＡのターンオフ波形,アノード-カソード間電圧ＶＡＫのターンオフ波形が記録される。そして、この波形記録部５３が記録したターンオフ波形は、波形解析部５４に入力される。
【００８７】
次に、ステップＳ６に進み、上記波形解析部５４は、上記波形計測部５２で計測したアノード‐カソード間電圧ＶＡＫとアノード電流ＩＡのターンオフ波形から上記アノード‐カソード間電圧ＶＡＫの上記ターンオフ波形の接線の傾きが減少から増加に変わる変曲点でのアノード‐カソード間電圧ＶＴとアノード電流ＩＡとを求める。
【００８８】
次に、ステップＳ７に進み、上記制御回路５１は、ｎ＝ｎ＋１とし、上記可変負荷リアクタンス３６のリアクタンスＺをＺ(ｎ＋１)に変更する。次に、ステップＳ８に進み、ｎがｋに達したか否かを判断し、ｎ＝ｋであれば、ステップＳ９に進み、ｎ＝ｋでなければ、ステップＳ２に戻る。なお、ｋは、予め設定された２以上の自然数である。
【００８９】
次に、ステップＳ９では、上記演算部５５により、上記アノード‐カソード間電圧とアノード電流の互いに異なるｋ個のターンオフ波形の変曲点でのアノード‐カソード間電圧とアノード電流とｋ個の組み合わせと、上記ＧＴＯ４７のドリフト層の厚さＷ(ｍ)と上記ドリフト層の比誘電率εＳとから、次式(１)における(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせを算出する。さらに、上記演算部５５は、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との複数の組み合わせと、上記(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)と(Ｊ/ｅ)と飽和電子速度ｖsat(ｍ/秒)とドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)との関係を定めた次式(１)とに基づいて、次式(１)における上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を導出する。
(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)＝(Ｊ/ｅ)・(１/ｖsat)＋Ｎａ    … (１)
【００９０】
上式(１)において、
上記εＳは上記ドリフト層の比誘電率、
上記ε０は真空の誘電率(Ｆ/ｍ)、
上記ｅは電子の電荷の絶対値(クーロン)、
上記Ｗは上記ドリフト層の厚さ(ｍ)、
上記ｖsatは飽和電子速度(ｍ/秒)である。
【００９１】
すなわち、例えば、上記演算部５５は、前述第１実施形態で説明したのと同様に、図３の一覧表のＮｏ.１〜Ｎｏ.５の欄に示されるような(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との５個の組み合わせを算出して、図４のグラフにおける５個のプロット(1)〜(5)を通る直線Ｋ１の式を、最小自乗法により求める。そして、上記プロット(1)〜(5)を通る直線Ｋ１の縦軸切片として求めた１.０６７７(×１０１４ｃｍ−３)を上記ＳｉＣ ＧＴＯのｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度Ｎａとして求めることができる。
【００９２】
そして、上記演算部５５で導出した上記ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を、例えば、表示部５６に表示できる。
【００９３】
このように、この実施形態の不純物濃度測定装置３０によれば、ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ波形から、ｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度を測定でき、超高耐圧化のために不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下であってもドリフト層の不純物濃度を測定できる。したがって、この実施形態によれば、ＳｉＣ ＧＴＯのターンオフ波形から、不純物濃度が高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下の超高耐圧ＳｉＣ ＧＴＯのドリフト層の不純物濃度を測定できる。
【００９４】
尚、上記第１,第２実施形態では、一例として、図２に示すように、オン状態でのアノード電流の異なる５つのターンオフ波形から図４のグラフの５つのプロット(1)〜(5)を導出してプロット(1)〜(5)を通る直線Ｋ１の縦軸切片をｐ型ＳｉＣドリフト層３の不純物濃度Ｎａとして求めたが、５つ以上のターンオフ波形から導出した５つ以上のプロットを通る直線の縦軸切片をドリフト層の不純物濃度として求めてもよい。また、５つ以下(例えば３つ)のターンオフ波形から導出した５つ以下のプロットを通る直線の縦軸切片をドリフト層の不純物濃度として求めてもよい。すなわち、少なくとも２つのターンオフ波形を測定して、少なくとも２組の(２εＳ・ε０/ｅ)・(ＶＴ/Ｗ２)の値と(Ｊ/ｅ)の値との組み合わせを求めることで、上式(２.７)を用いて、ドリフト層の不純物濃度Ｎａ(１/ｍ３)を求めることができる。また、上記第２実施形態では、可変負荷リアクトル３６のリアクタンスを変更することでアノード電流を変更したが、スイッチング素子(ＳｉＣ ＧＴＯ)の通電時間(パルス幅)を変更することでアノード電流を変更してもよい。
【００９５】
また、上記第１,第２実施形態では、ＳｉＣ ＧＴＯのドリフト層の不純物濃度を求める場合を説明したが、本発明は、窒化ガリウム,ダイヤモンドなどの他のワイドギャップ半導体で作製されたＧＴＯのドリフト層の不純物濃度を求める場合にも適用できる。また、本発明は、ＧＴＯ以外のＩＧＢＴ(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ),バイポーラトランジスタ,縦型ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子のドリフト層の不純物濃度を求める場合にも適用できる。特に、本発明によれば、超高耐圧ＳｉＣスイッチングデバイスのように、高純度な１０１４(ｃｍ−３)台以下のドリフト層の不純物濃度を測定でき、デバイスの特性を明確に把握できて、測定結果をデバイスの設計にフィードバックすることができる。これによって、最適なデバイス設計が可能になり、デバイスの小型化や低損失化が可能になる。
【符号の説明】
【００９６】
１  ｎ＋型４Ｈ‐ＳｉＣ基板
２  ｐ型ＳｉＣバッファ層
３  ｐ型ＳｉＣドリフト層
４  ｎ型ＳｉＣベース層
５  ｐ型ＳｉＣアノードエミッタ層
６  ｎ＋型ゲートコンタクト領域
７  カソード電極
８  ゲート電極
１０  アノード電極
１１  絶縁層
３０  不純物濃度測定装置
３１  直流電源
３２  コンデンサ
３３  第１端子
３４  第２端子
３５  第３端子
３６  可変負荷リアクトル
３７  還流用ダイオード
３８  第１変成器
４０  電圧計
４１  ゲート回路
４７  ＳｉＣ ＧＴＯ
４７ａ  アノード電極
４７ｂ  ゲート
４７ｃ  カソード電極
５１  制御回路
５２  波形計測部
５３  波形記録部
５４  波形解析部
５５  演算部
５６  表示部
【図１】
2013186046.tif 000003
【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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