JPH0693476B2 - 一定容量法による結晶欠陥評価装置及び評価方法 - Google Patents
一定容量法による結晶欠陥評価装置及び評価方法Info
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- JPH0693476B2 JPH0693476B2 JP61268447A JP26844786A JPH0693476B2 JP H0693476 B2 JPH0693476 B2 JP H0693476B2 JP 61268447 A JP61268447 A JP 61268447A JP 26844786 A JP26844786 A JP 26844786A JP H0693476 B2 JPH0693476 B2 JP H0693476B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体結晶中の欠陥が形成する深い準位を試
料温度を掃引して測定する装置で、特に温度掃引速度が
試料に印加される逆バイアス電圧の時間変化率により制
御され、被測定領域である空乏層幅を一定に保持して測
定する一定容量法による結晶欠陥評価装置に関する。
料温度を掃引して測定する装置で、特に温度掃引速度が
試料に印加される逆バイアス電圧の時間変化率により制
御され、被測定領域である空乏層幅を一定に保持して測
定する一定容量法による結晶欠陥評価装置に関する。
従来、結晶中の欠陥が形成する深い準位を結晶の温度を
変化させてｐ−ｎ接合あるいはショットキ接合の接合容
量変化によって検出する方法として、CarballesらのTSC
AP（Termally Stimulated Capacitance）法があった。T
SCAP法は試料温度を連続的に一定の昇温速度で変化して
いき、その温度変化による空乏層幅の欠陥の荷電状態変
化に伴う接合容量変化を検出するものである。一般に結
晶中に導入された欠陥が形成するエネルギー準位（以下
深い準位という）の荷電状態は、極めて長い緩和時間を
もって変化していくために、一回の温度掃引によっては
欠陥の性質、即ち欠陥が形成する深い準位のエネルギー
準位や密度等を決定する事はできず、昇温速度を種々変
化させる事により、複数の深い準位がある場合には、浅
い準位密度Ndよりも深い準位密度Ntが非常に小さいとき
には、TSCAPのレスポンスがそれぞれの和で得られると
いう条件のもとで欠陥の性質が決められていた。
変化させてｐ−ｎ接合あるいはショットキ接合の接合容
量変化によって検出する方法として、CarballesらのTSC
AP（Termally Stimulated Capacitance）法があった。T
SCAP法は試料温度を連続的に一定の昇温速度で変化して
いき、その温度変化による空乏層幅の欠陥の荷電状態変
化に伴う接合容量変化を検出するものである。一般に結
晶中に導入された欠陥が形成するエネルギー準位（以下
深い準位という）の荷電状態は、極めて長い緩和時間を
もって変化していくために、一回の温度掃引によっては
欠陥の性質、即ち欠陥が形成する深い準位のエネルギー
準位や密度等を決定する事はできず、昇温速度を種々変
化させる事により、複数の深い準位がある場合には、浅
い準位密度Ndよりも深い準位密度Ntが非常に小さいとき
には、TSCAPのレスポンスがそれぞれの和で得られると
いう条件のもとで欠陥の性質が決められていた。
TSCAP法は、一定の温度掃引速度で試料温度を変化させ
ていき、その過度的な接合容量変化を記録することか
ら、前記仮定が成り立たない場合は、掃引速度によって
欠陥のエネルギー準位に換算されるべき試料温度が変化
してしまって、正確なエネルギー準位の決定ができなく
なる事及び一定バイアス電圧の条件のもとで接合容量の
変化をみているから欠陥の荷電状態が変化して接合容量
が変化すると、空乏層幅即ち測定領域も変化していき、
欠陥密度が、接合面からの距離とともに変化しているよ
うな場合には、正確な密度の決定ができなくなるという
欠点が存在した。
ていき、その過度的な接合容量変化を記録することか
ら、前記仮定が成り立たない場合は、掃引速度によって
欠陥のエネルギー準位に換算されるべき試料温度が変化
してしまって、正確なエネルギー準位の決定ができなく
なる事及び一定バイアス電圧の条件のもとで接合容量の
変化をみているから欠陥の荷電状態が変化して接合容量
が変化すると、空乏層幅即ち測定領域も変化していき、
欠陥密度が、接合面からの距離とともに変化しているよ
うな場合には、正確な密度の決定ができなくなるという
欠点が存在した。
第１図は、本発明を構成するブロックダイヤグラムであ
り、図中は光源でありは光源から所定の単位光を
得るための分光装置であり、は単色光を試料上に収
束して照射するための光学系であり、試料中の深い準位
の荷電状態を光学遷移によって変化させる事及び熱的遷
移によって変化した深い準位の荷電状態を検出するため
に用いる。容量計によって測定された試料の接合容
量と、比較演算回路に設定された容量値の差を０にす
るようにバイアス電圧印加回路の動作で逆バイアスを
印加するために、常に一定の容量値、即ち空乏層幅が保
持され、被測定領域が常に一定となる。加えて第２図に
簡単に測定の順序が示されるようにある試料温度T1にお
いて試料に印加される逆バイアス電圧VB（T1）が、比較
演算回路に設定された時間の間、一定の値に保持されれ
ば、比較演算回路によってVB（T1）が最終安定値V
B（T1）ｓに到達したと判断され、試料温度制御装置
によって試料の温度を次なる測定温度T2に推移され
る。
り、図中は光源でありは光源から所定の単位光を
得るための分光装置であり、は単色光を試料上に収
束して照射するための光学系であり、試料中の深い準位
の荷電状態を光学遷移によって変化させる事及び熱的遷
移によって変化した深い準位の荷電状態を検出するため
に用いる。容量計によって測定された試料の接合容
量と、比較演算回路に設定された容量値の差を０にす
るようにバイアス電圧印加回路の動作で逆バイアスを
印加するために、常に一定の容量値、即ち空乏層幅が保
持され、被測定領域が常に一定となる。加えて第２図に
簡単に測定の順序が示されるようにある試料温度T1にお
いて試料に印加される逆バイアス電圧VB（T1）が、比較
演算回路に設定された時間の間、一定の値に保持されれ
ば、比較演算回路によってVB（T1）が最終安定値V
B（T1）ｓに到達したと判断され、試料温度制御装置
によって試料の温度を次なる測定温度T2に推移され
る。
従来技術の第１の欠点を克服するために、本発明では温
度掃引速度を一定とせず、ある試料温度T1における深い
準位の荷電状態が定常状態になるまで一定温度を保持
し、しかる後に次の試料温度T2へ変化させる。従って従
来技術と異なり は一定ではなく、深い準位の性質即ち電子と正孔の放出
確率en、epによって決まる時定数で変化する。
度掃引速度を一定とせず、ある試料温度T1における深い
準位の荷電状態が定常状態になるまで一定温度を保持
し、しかる後に次の試料温度T2へ変化させる。従って従
来技術と異なり は一定ではなく、深い準位の性質即ち電子と正孔の放出
確率en、epによって決まる時定数で変化する。
次に従来技術の第２の欠点を克服するために本発明では
従来技術が一定の逆バイアスを印加した接合容量の温度
による変化を検出するのと異なり、一定の接合容量を保
持するために接合に印加する逆バイアス電圧の変化を検
出する。即ち深いドナー準位を含むｎ型半導体で構成さ
れた接合を、低温から昇温していく場合を例にとれば、
深いドナー準位ではen≫epであるから、en０である充
分低温の条件では深いドナー準位には電子が満たされた
状態であり、電荷状態は中性である。試料温度を上昇し
てen≠０となる温度になると、深い準位から伝導帯へ電
子の励起がはじまり、時定数1/τ＝en＋epをもって荷電
状態が中性から正電荷へと推移する。従来技術では一定
バイアスであるから深い順位が中性から正電荷へ推移す
ると空乏層幅が狭くなり、被測定領域が変化してしまう
が、本発明ではあらかじめ比較演算回路に設定された設
定容量値となるように試料ダイオードに印加する逆バイ
アス電圧を印加していくので、常に空乏層幅は一定であ
り、被測定領域は変化しない。
従来技術が一定の逆バイアスを印加した接合容量の温度
による変化を検出するのと異なり、一定の接合容量を保
持するために接合に印加する逆バイアス電圧の変化を検
出する。即ち深いドナー準位を含むｎ型半導体で構成さ
れた接合を、低温から昇温していく場合を例にとれば、
深いドナー準位ではen≫epであるから、en０である充
分低温の条件では深いドナー準位には電子が満たされた
状態であり、電荷状態は中性である。試料温度を上昇し
てen≠０となる温度になると、深い準位から伝導帯へ電
子の励起がはじまり、時定数1/τ＝en＋epをもって荷電
状態が中性から正電荷へと推移する。従来技術では一定
バイアスであるから深い順位が中性から正電荷へ推移す
ると空乏層幅が狭くなり、被測定領域が変化してしまう
が、本発明ではあらかじめ比較演算回路に設定された設
定容量値となるように試料ダイオードに印加する逆バイ
アス電圧を印加していくので、常に空乏層幅は一定であ
り、被測定領域は変化しない。
具体例として、GaAs結晶中のフォトクェンチング準位の
回復温度の測定例を、従来法のTSCAPと本発明による方
法とで、比較して述べる。
回復温度の測定例を、従来法のTSCAPと本発明による方
法とで、比較して述べる。
近年GaAs結晶は、その高電子移動度、及び光学的な特徴
を生かして、超高速論理素子及び光通信素子用材料とし
て広く用いられてきつつあるが、従来多用されている単
元素よりなる結晶であるシリコン結晶と異なり、GaとAs
という二種類の元素からなる化合物半導体結晶であり、
特にAsの蒸気圧が高いためにGaとAsの比が1:1よりずれ
やすく、いわゆる化学量論的組成からのずれに起因する
欠陥が生じ易い事が知られている。近年、これら化学量
論的組成からのずれに起因する欠陥のうちEL−２と呼ば
れる深い準位が、結晶の抵抗率や、イオン打ち込みした
不純物の活性化率に著しい影響を与えるとして、注目さ
れている。従って、このEL−２と呼ばれる深い準位の性
質を明らかにし、その欠陥の制御をすることがGaAs基板
結晶を提供する側及び、GaAs集積回路等の素子を製作す
る側にとっても重要な課題となっている。
を生かして、超高速論理素子及び光通信素子用材料とし
て広く用いられてきつつあるが、従来多用されている単
元素よりなる結晶であるシリコン結晶と異なり、GaとAs
という二種類の元素からなる化合物半導体結晶であり、
特にAsの蒸気圧が高いためにGaとAsの比が1:1よりずれ
やすく、いわゆる化学量論的組成からのずれに起因する
欠陥が生じ易い事が知られている。近年、これら化学量
論的組成からのずれに起因する欠陥のうちEL−２と呼ば
れる深い準位が、結晶の抵抗率や、イオン打ち込みした
不純物の活性化率に著しい影響を与えるとして、注目さ
れている。従って、このEL−２と呼ばれる深い準位の性
質を明らかにし、その欠陥の制御をすることがGaAs基板
結晶を提供する側及び、GaAs集積回路等の素子を製作す
る側にとっても重要な課題となっている。
EL−２と呼ばれる深い準位の特有の性質として、約1eV
付近の光照射により、その基底状態▲Ｅ゜ T▼から励起
状態▲Ｅ* T▼への以降が起り、励起状態▲Ｅ* T▼は約11
0K以上の温度で基底状態▲Ｅ゜ T▼へ戻ることが報告さ
れている。本実施例では、EL−２と呼ばれる深い準位
の、上記の励起状態から基底状態への遷移温度の決定
を、従来技術のTSCAP法と本発明による方法て測定した
結果を述べる。
付近の光照射により、その基底状態▲Ｅ゜ T▼から励起
状態▲Ｅ* T▼への以降が起り、励起状態▲Ｅ* T▼は約11
0K以上の温度で基底状態▲Ｅ゜ T▼へ戻ることが報告さ
れている。本実施例では、EL−２と呼ばれる深い準位
の、上記の励起状態から基底状態への遷移温度の決定
を、従来技術のTSCAP法と本発明による方法て測定した
結果を述べる。
試料はｎ型のnone doped HB GaAs結晶で、試料裏面に50
0μｍφのAuGeNi/Auの蒸着及びH2中450℃、30秒のシン
ターによりオーム性接触を得、表面には電子ビーム蒸着
によるAlによってショットキー接合を得たものを用い
た。もちろん試料の構造は上記に限られるものではな
く、ｐ−ｎ接合をもつ構造にも適用され、もちろん試料
の材料及び構造は上記ショットキー接合を有するGaAs結
晶に限られるものではなく、広く半導体結晶で形成され
たダイオード、あるいはトランジスタ等の一部に形成さ
れる接合部分及び空乏層幅が印加電圧によって制御され
る接合が存在すれば、広く適用され得る。
0μｍφのAuGeNi/Auの蒸着及びH2中450℃、30秒のシン
ターによりオーム性接触を得、表面には電子ビーム蒸着
によるAlによってショットキー接合を得たものを用い
た。もちろん試料の構造は上記に限られるものではな
く、ｐ−ｎ接合をもつ構造にも適用され、もちろん試料
の材料及び構造は上記ショットキー接合を有するGaAs結
晶に限られるものではなく、広く半導体結晶で形成され
たダイオード、あるいはトランジスタ等の一部に形成さ
れる接合部分及び空乏層幅が印加電圧によって制御され
る接合が存在すれば、広く適用され得る。
測定はまず試料を励起状態▲Ｅ* T▼から基底状態▲Ｅ゜
T▼への回復が生じる温度よりも低い温度（例えば45K）
まで試料を暗所で冷却し、低温で逆バイアス電圧を印加
して、かつ約1eVの光を照射し、EL−２準位を基底状態
▲Ｅ゜ T▼から励起状態▲Ｅ* T▼へ移行させる。その
後、0.75eVの光を照射しながら、従来技術では一定の昇
温速度で、本発明ではバイアス電圧の時間変化率を検出
しながら、試料温度を上げていく。ある回復温度Ｔにな
ると、EL−２の励起状態▲Ｅ* T▼は基底状態▲Ｅ゜ T▼
へ回復する。基底状態▲Ｅ゜ T▼は伝導帯から0.75eV付
近に準位が存在する事が知られているから、0.75eVの光
を照射していれば、回復した時に従来技術では接合容量
の増大が、本発明では逆バイアス電圧の増大が検出され
る。
T▼への回復が生じる温度よりも低い温度（例えば45K）
まで試料を暗所で冷却し、低温で逆バイアス電圧を印加
して、かつ約1eVの光を照射し、EL−２準位を基底状態
▲Ｅ゜ T▼から励起状態▲Ｅ* T▼へ移行させる。その
後、0.75eVの光を照射しながら、従来技術では一定の昇
温速度で、本発明ではバイアス電圧の時間変化率を検出
しながら、試料温度を上げていく。ある回復温度Ｔにな
ると、EL−２の励起状態▲Ｅ* T▼は基底状態▲Ｅ゜ T▼
へ回復する。基底状態▲Ｅ゜ T▼は伝導帯から0.75eV付
近に準位が存在する事が知られているから、0.75eVの光
を照射していれば、回復した時に従来技術では接合容量
の増大が、本発明では逆バイアス電圧の増大が検出され
る。
第３図中（ａ）は従来技術であるTSCAP法で温度掃引速
度を1.4K/minとして上述の方法でEL−２の励起状態とい
われる準位の回復温度を測定した例である。第３図中
（ｂ）は同じく温度掃引速度を0.48K/minとした測定例
であり、（ａ）では約130K付近、（ｂ）では約120Kにお
いてフォトクェンチング準位の回復現象によって接合容
量の顕著な増大が検出されていて、温度掃引速度によっ
て荷電状態変化が生じる温度の検出が大幅に変化してし
まうという従来技術の問題点が如実に現われている。接
合容量が変化しているから、被測定領域である空乏層幅
は温度とともに変化してしまっている事は言うまでもな
い。
度を1.4K/minとして上述の方法でEL−２の励起状態とい
われる準位の回復温度を測定した例である。第３図中
（ｂ）は同じく温度掃引速度を0.48K/minとした測定例
であり、（ａ）では約130K付近、（ｂ）では約120Kにお
いてフォトクェンチング準位の回復現象によって接合容
量の顕著な増大が検出されていて、温度掃引速度によっ
て荷電状態変化が生じる温度の検出が大幅に変化してし
まうという従来技術の問題点が如実に現われている。接
合容量が変化しているから、被測定領域である空乏層幅
は温度とともに変化してしまっている事は言うまでもな
い。
一方第４図は、本発明により前述条件で得られた結果で
ある。第４図（ａ）は前述の条件で1.1eVの光照射を行
なわず、0.75eVの光照射のみで測定を行なった結果であ
り、第４図（ｂ）は1.1eVの光照射を行なってフォトク
ェンチングさせた後に0.75eVの光照射をして測定した結
果である。第４図の本発明による測定結果では110.2Kと
111K、及び112Kに、一定容量に保持するのに要する逆バ
イアス電圧の顕著な増大が見られ、少なくとも３種類の
回復温度を持つ準位が存在する事を明確に示している。
しかも第４図の測定中は空乏層幅、即ち被測定領域が一
定に保持されている事は言うまでもない。
ある。第４図（ａ）は前述の条件で1.1eVの光照射を行
なわず、0.75eVの光照射のみで測定を行なった結果であ
り、第４図（ｂ）は1.1eVの光照射を行なってフォトク
ェンチングさせた後に0.75eVの光照射をして測定した結
果である。第４図の本発明による測定結果では110.2Kと
111K、及び112Kに、一定容量に保持するのに要する逆バ
イアス電圧の顕著な増大が見られ、少なくとも３種類の
回復温度を持つ準位が存在する事を明確に示している。
しかも第４図の測定中は空乏層幅、即ち被測定領域が一
定に保持されている事は言うまでもない。
本発明は、以上説明したように、被測定領域を常に一定
に保持しつつ、深い準位の荷電状態の変化が起る温度を
極めて正確に検出し得る効果を持つ。
に保持しつつ、深い準位の荷電状態の変化が起る温度を
極めて正確に検出し得る効果を持つ。
第１図は本発明の装置構成図、第２図は本発明の測定方
法を示す試料温度とバイアス電圧のシーケンス概略図、
第３図は従来技術による測定例、第４図は、本発明によ
る測定例である。
法を示す試料温度とバイアス電圧のシーケンス概略図、
第３図は従来技術による測定例、第４図は、本発明によ
る測定例である。
Claims (2)
- 【請求項１】光源と、該光源から単色光を得る分光器
と、該単色光を試料上に収束して照射する光学系と、試
料温度を一定に制御する温度制御装置と、該試料の容量
を測定する容量計と、該容量計の値と設定容量値を比較
する比較演算回路と、該比較演算回路の演算結果によっ
て該試料に逆バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加
回路を有し、該温度制御装置は一定の試料温度に於ける
逆バイアス電圧の飽和値を得た後、他のあらかじめ設定
された複数の一定の温度のいずれかに試料温度を制御す
る事を特徴とした一定容量法による結晶欠陥評価装置。 - 【請求項２】一定の温度にある試料の接合容量を、試料
に逆バイアス電圧を印加することによって設定容量値と
等しくし、該逆バイアス電圧値の飽和値を得て、該逆バ
イアス電圧が飽和した後に試料温度を複数の他の一定の
試料温度に制御する過程を有する一定容量法による結晶
欠陥評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61268447A JPH0693476B2 (ja) | 1986-11-11 | 1986-11-11 | 一定容量法による結晶欠陥評価装置及び評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61268447A JPH0693476B2 (ja) | 1986-11-11 | 1986-11-11 | 一定容量法による結晶欠陥評価装置及び評価方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63122143A JPS63122143A (ja) | 1988-05-26 |
| JPH0693476B2 true JPH0693476B2 (ja) | 1994-11-16 |
Family
ID=17458633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61268447A Expired - Fee Related JPH0693476B2 (ja) | 1986-11-11 | 1986-11-11 | 一定容量法による結晶欠陥評価装置及び評価方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0693476B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6034028A (ja) * | 1983-08-06 | 1985-02-21 | Tokyo Daigaku | 適応式半導体捕獲中心測定方法 |
| JPH071781B2 (ja) * | 1983-12-07 | 1995-01-11 | 財団法人半導体研究振興会 | 一定容量によるフォトキャパシタンス測定方法 |
-
1986
- 1986-11-11 JP JP61268447A patent/JPH0693476B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63122143A (ja) | 1988-05-26 |
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