JP2022099212A

JP2022099212A - 半導体および導電性薄膜への電気的コンタクトの形成法とそれを用いたシート抵抗測定装置、ホール効果測定装置、容量・電圧特性測定装置

Info

Publication number: JP2022099212A
Application number: JP2020220051A
Authority: JP
Inventors: 正輝小林; Masateru Kobayashi; 和樹児玉; Kazuki Kodama; 大助上田; Daisuke Ueda
Original assignee: Cluster Kogyo LLC
Current assignee: Cluster Kogyo LLC
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-07-04
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP7511240B2; JP2024109926A

Abstract

【課題】半導体基板などの導電性基板または表面に形成された導電層のシート抵抗、その導電層内のキャリアである電子・正孔などの移動度、その導電層内のキャリア濃度などを測定する際に金属針への通電電流を制限することで金属針の融解を防ぎ、測定試料の変性を生じさせない方法及び測定装置を提供する。【解決手段】圧電体を用いる高電圧発生機構と、４端子プローブで測定する方法であって、２方向切替スイッチ９をすべて２Ｘ４マトリックス・スイッチ８側に倒し金属針に通電してオーミック形成し、各金属針のオーミック形成が完了した後、２方向切替スイッチ９を金属針１３～１６をＢ１～Ｂ４に接続された４Ｘ４マトリックス・スイッチ１０側に倒し電流源１１と電圧計１２に接続する。【効果】この構成に依れば、誤って高電圧発生源を測定機器に接続して破損させる心配がない。【選択図】図１

Description

半導体基板などの導電性基板または表面に形成された導電層のシート抵抗、その導電層内のキャリアである電子・正孔などの移動度、その導電層内のキャリア濃度などを測定する方法と測定装置に関するものである。

ＧａＡｓ半導体や、ＡｌＧａＮを表面層に有するＧａＮ半導体は、ＭＯＣＶＤ法などを用いた結晶成長やイオン注入を用いて電気導電層を形成した基板にデバイス作成を行う。このためデバイス作成前に基板の電気導電層のシート抵抗測定やキャリア移動度の測定を行うことが必要である。然しながら、ＧａＡｓ半導体やＡｌＧａＮを表面層に有するＧａＮ半導体に対して金属針を半導体表面に直接接触させると金属針と半導体間にショットキー接合が形成されるため、通電させることができない。このため、金属をリソグラフィーによりパターニングし、高温アニールで合金化させるなどして通電可能なオーミック性の電気的コンタクトを形成する。これはオーミック形成プロセスと呼ばれ、測定試料を作成するには多大な時間を要する。半導体などの電気特性の測定として一般的なシート抵抗測定、ホール測定、ＣＶ測定などの電気特性の評価には、このようなオーミック電極作成は必須となっている。

シート抵抗測定には、４端子プローブ法が用いられている。これは直線状に配列された４本の金属針を半導体に接触させ、外側２本の金属針に電流源を接続し、内側の２本の金属針間に発生する電圧を測定することでシート抵抗を測定できるものであるが、金属針と半導体がショットキー・ダイオードとなる接合となるＧａＡｓやＧａＮなどの半導体に対しては通電することができないため、４端子プローブ法は適用できなかった。

別の方法として、交流磁場印加により電気伝導層で発生する渦電流をインピーダンスとして測定することによって、シート抵抗を測定する装置が実用化されているが、シリコンなどの導電性基板を用いた場合は、合成されたシート抵抗を測定することになり、正確な測定ができない。また、市販されている非接触渦電流によるシート抵抗測定器は、高抵抗の基板では渦電流が小さくなるため、広範囲での測定ができない問題がある。

更に、キャリア移動度を測定するためにホール効果を測定する場合においても、オーミック性の電気的コンタクト形成が必要である。このために、サンプル表面に部分的にＩｎ半田を接着し、加熱してオーミック形成を行うことが一般的である。この工程はサンプルを切り出して行う場合が多く、時間を要するものである。

また、キャリア濃度を測定するためには、ＣＶ測定（容量・電圧測定）を行うことが一般的である。これは、面積の決まったショットキー・ダイオードに逆方向電圧を印加して容量値を測定するものである。当然ながら、ショットキー・ダイオードの片側は、オーミック性の電気的コンタクトが必要である。このため半導体表面にショットキー電極とは別の電極パターンを形成し、熱処理によってオーミック・コンタクトを作成しておくことが必要になっている。

特開２０１４－２９９４６（Ｐ２０１４－２９９４６Ａ）（号公報）

カタログＮｏ：Ｂ１０－４５００株式会社ナリカ小型圧電素子Ａ

半導体表面に接触させた金属針に強制的に電気通電することで電気的コンタクトを得る方法が知られているが、半導体表面に薄い酸化被膜や汚れが付着している場合には有効性が知られている。然しながら、ＧａＮ半導体などのワイドバンドギャップ半導体では金属針の先端に形成されるショットキー・ダイオードの耐圧が極めて高いため、大体１００Ｖ以下の電圧印加ではショットキー接合を破壊することはできない。高電圧発生装法として知られるコッククロフト・ウォルトロン回路やパルストランスを用いれば発生電圧の制限はないが、高耐圧部品を使用するため高価であり、取り扱いに危険性があった。また、例えショットキー接合を破壊させることができたとしても、測定試料そのものを破壊・変性させてしまう問題がある。

また、通電電流が大きければ、金属針の先端が溶融する現象が生じる。金属針への通電電流を制限することで金属針の融解を防ぎ、測定試料の変性を生じさせない方法が求められる。

課題を解決する手段

本発明に関わる電気的コンタクトを形成する手段は半導体などに接触させた金属針に圧電素子を用いて高電圧を印加するものである。圧電素子は着火器として広く実用化されている。この原理は、圧電素子に外部応力を印加するか打撃を加えることで高電圧のインパルス発生を行うものである。圧電素子は電子回路を使わないため、コンパクトでありながら、数ＫＶ程度の電圧発生を得ることができる。放出される電荷量は圧電体の分極量で決まるため、高電圧であっても、分極変化の時間積分である電流量は極めて小さい。このため、圧電素子を用いる高電圧発生器は、電極針の溶融を生じさせることなく、測定試料の変性を生じさせることなく、ショットキー接合障壁を破壊することができる。このオーミック性の電気的コンタクトの作成方法は、測定時の安全性が高い。

本発明における課題解決の手段について図１を用いて説明する。
圧電素子はＰＺＴなどの強誘電体セラミックスである。このような圧電素子１を上部電極３とベース電極２で挟み込まれた構造とし、バネ７に固定された打撃棒４が、ストッパ５が外れた際に、上部電極を瞬間的に打撃する。この結果、上部電極とベース電極間に電圧を発生する。これは原理的なものであり、圧電素子の機械的構造には様々なものが考案・実用化されており、本発明にはそのような市販の圧電素子を用いることが出来る。

圧電素子の出力は２Ｘ４マトリックス・スイッチ８に接続される。マトリックス・スイッチとは垂直配線と水平配線の接点（交点）に設置されたリレー・アレイであり、接点において、短絡、開放を行う機能のものである。これにより、圧電素子１で発生した高電圧の出力先をＡ１からＡ４の任意の端子へ選択配分を行うことができる。
２方向切替スイッチ９は金属針１３、１４、１５、１６を極にして高電圧側と測定側の４Ｘ４マトリックス・スイッチ１０の２方向に切り替えるためのものである。２Ｘ４マトリックス・スイッチ８のＳ１１とＳ２４を短絡させ、２方向切替スイッチ９を全て高電圧発生側（図内上側）に倒した状態で、圧電素子に打撃を与えると金属針１３と金属針１６に高電圧が印加される。

４本の金属針１３、１４、１５、１６をアンドープＡｌＧａＮ半導体層１７に接触させると、金属針１３～１６との間にＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４で表されるショットキー・ダイオードが形成される。金属針１３と金属針１６間にはバック・トゥー・バックに接続されたショットキー・ダイオードが形成されるため、どちらか一方が逆バイアスになるため、通電できない。このショットキー・ダイオードに対して圧電体から発生した高電圧が印加されるが、金属針１３が金属針１６に対して正電圧であれば、金属針１３下のショットキー・ダイオードＤ１は順方向バイアスされ、金属針１６下のショットキー・ダイオードＤ４は逆方向バイアスされる。

ショットキー・ダイオードＤ４の逆方向耐圧を越えて電流が流れれば、Ｄ４のショットキー障壁は破壊されるが、Ｄ１は破壊されない場合がある。これは２つのショットキー・ダイオードで発生するエネルギー消費、即ち発熱の差があるからである。消費エネルギーは電流と電圧の積であるので、逆バイアス印加のショットキー・ダイオードＤ４は順バイアスのショットキー・ダイオードＤ１よりも、大きく発熱する。この結果、Ｄ４のショットキー障壁が破壊され、Ｄ４には電気的コンタクトが取れる。発生された高電圧パルスの極性は圧電体の分極方向できまる。このため、オーミック性の電気コンタクト得るためには、更に極性を反転させた高電圧パルスを印加する必要がある。このため、２Ｘ４マトリックス・スイッチ８のＳ２１とＳ１４を短絡させる。これによっての金属針１３で形成されたＤ１のショットキー障壁に対しても電気的コンタクトが取れる。この手順により、２Ｘ４マトリックス・スイッチ８の短絡箇所を選択することで任意の金属針に対して、電気的コンタクトを実現することが出来る。

図２はシリコン基板１９上にアンドープＧａＮエピ層１８とアンドープＡｌＧａＮエピ層１７を成長させた試料に対して、高電圧パルスを印加前と印加後および極性を切り替えた時の電極針間の電流・電圧特性を実測したものである。高電圧パルス印加によって良好なオーミック性が得られている。半導体基板表面の変性も生じない。

発明の効果

本発明は、これまで測定試料に対して電極のパターニングやアニールによる合金化などによるオーミック形成を必要としてきた試料作成の工程を短縮するものである。本発明によりオンウェハーで電気的コンタクトを形成し、その金属針を用いて電気特性を測定できる。これにより、４端子プローブによるシート抵抗測定法、ホール測定法、ＣＶ測定法などの半導体電気特性の迅速な測定を可能になる。

再掲になるが、高電圧パルス印加によってオーミック・コンタクトを形成する方法として、高電圧発生回路を用いず、圧電素子を用いることで通電電流を極めて小さくすることができるため、電極針の溶融が生じない。特に金属針をＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体に接触させた場合に形成される極めて高い降伏電圧を有するショットキー接合においても、容易に破壊してオーミック電極とすることができる。
実験の結果、ＡｌＧａＮ，ＧａＮ層によるヘテロ接合界面の二次元電子ガス層のシート抵抗の測定も可能であることを確認した。ｐ型ＧａＮ半導体層に対しても、ショットキー・ダイオード極性がフォワード・トゥー・フォワード接続になるが、同様の方法で電気的コンタクトを取ることが出来る。

圧電体を用いる高電圧発生機構と４端子プローブ測定の構成図ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を形成されたエピ表面に２本のタングステン針を接触させた場合の初期電流・電圧特性と、圧電体を用いた高電圧印加後の電流・電圧特性図四辺形の頂点位置に金属針を配置したプローブによるホール効果の測定装置の構成図ＧａＮエピ層にショットキー電極を形成した後、前記電極周辺に３本の金属針を接触させてＣＶ測定を行う測定装置の構成図円筒容器内に保持したイオン液体を半導体表面に接触させて得られるイオン液体によるショットキー接合と、前記接合周囲に３本の金属針を配置して形成されたオーミック接合間のＣＶ測定を行う測定装置の構成図４端子シート抵抗測定、ホール効果測定、ＣＶ測定において共通となる測定プラットフォーム構成図２つの直交する金属針列を用いてホール効果の測定を行う測定方法の構成図。ただし、オーミック電極形成やスイッチ類などは図６の構成を使用している。

本発明の実施する第一の形態について図１を用いて説明する。本実施例では市販されている圧電素子（ナリカ小型圧電素子Ｂ１０－４５００）を用いた（非特許文献１）。発生した高電圧は２Ｘ４マトリックス・スイッチ８の水平方向の２線で供給され、垂直方向の出力線は交点に設けられたリレーの短絡、開放の組み合わせで出力端子Ａ１からＡ４の４本に出力され、２方向切替スイッチ９に接続される。本構成では、交点の短絡と開放を行うマトリックス・スイッチ８の接点Ｓ１１～Ｓ１４およびＳ２１～Ｓ２４は絶縁耐圧１０ＫＶ以上のリレーとしてオムロン社Ｇ４Ｗを採用した。

２方向切替スイッチ９は金属針に通電する場合は全て図内上方側に倒される。発生される高電圧波形は圧電体の振動や配線のインダクタンスにより減衰振動になる。従って最初のパルスがオーミック形成において最も有効であるため、電極針に接続する圧電素子の接続を切替えることで、点接触で形成される２つのダイオード障壁を交互に破壊し、双方向の電気的コンタクトを実現できる。ここで流れる電流量は圧電体の分極変化によるものであるため、極めて小さいため、複数回、この高電圧印加を行っても金属針の溶融や測定試料の劣化を生じることがない。

各金属針のオーミック形成が完了した後、２方向切替スイッチ９を図内下方に倒して、金属針１３～１６をＢ１～Ｂ４に接続された４Ｘ４マトリックス・スイッチ１０を介して電流源１１と電圧計１２に接続する。
なお、２方向切替スイッチ９は単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ４個（ＳＰＤＴ１～ＳＰＤＴ４）から構成され、金属針を軸（単極）に高電圧側端子Ａ１～Ａ４と測定端子Ｂ１～Ｂ４を全て同時に切り替えるものである。また２方向切替スイッチ内のＳＰＤＴスイッチには絶縁耐圧１０ＫＶ以上のナイフスイッチを用いた。この構成に依れば、誤って高電圧発生源を測定機器に接続して破損させる心配がない。

４Ｘ４マトリックス・スイッチ１０内の交点には短絡、開放を行うリレーが設置されている。Ｗ１１とＷ４２を短絡させることで、金属針１３と１６に電流源１１が接続され、Ｗ２３とＷ３４を短絡させることでの金属針１４と１５に電圧計１２が接続される。
この測定電圧と設定電流値から、通常の４端子プローブ法で説明される原理でシート抵抗を測定できる。シート抵抗測定の原理についてはシート抵抗Ｒ_Ｓは電流Ｉと測定電圧Ｖから下式を用いる場合が多い。
Ｒ_Ｓ＝（４．５３２４）Ｖ／Ｉ・・・・・・（１）

使用する電圧計が高入力インピーダンスであれば、電極２と電極３に対する電気的コンタクト形成は必ずしも必要でないが、電極２と電極３に対しても先の手順で電気的コンタクトを形成しておくことで測定精度を高められることは言うまでもない。

シリコン基板１９上に成膜されたＧａＮエピ層１８とＡｌＧａＮ層１７上に接触させた電極針はＡｌＧａＮ層とショットキー・ダイオードを形成するため、シート抵抗を測定できない。特に、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面に発生する二次元電子ガスのシート抵抗測定では金属針のショットキー・ダイオードの耐圧が高いため、これまで４端子測定法は使用できないと思われてきたが、圧電素子はダイオードの降伏電圧以上に高い電圧を印加できるため、その場でオーミック性の電気的コンタクトを形成して、４端子測定法の使用を可能とすることができた。

本発明の実施する第二の形態について図３を用いて説明する。これはホール効果を用いて試料のキャリア移動度の測定を行うことを目的としたものである。測定試料はネオジウム磁石４０のＮ極性上に乗せられており、一辺が１ｍｍの正四角形の頂点に配置された金属針３３、３４，３５，３６が試料に接している。その他の部分の構成は実施例１のものと共通化している。測定試料を金属針３３，３４，３５．３６に接触させ、実施例１と同様に電気的コンタクトを形成する。図内に記載された測定試料例はシリコン（１１１）面基板３９上に順次成膜されたアンドープＧａＮエピ層３８とアンドープＡｌＧａＮ層３７を有するものである。

２方向切替スイッチ９を図内上方側に倒し、２Ｘ４マトリックス・スイッチ８は下記の設定順に行う。
１）Ｓ１１とＳ２４を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
２）Ｓ２１とＳ１４を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
３）Ｓ１２とＳ２３を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
４）Ｓ２２とＳ１３を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
これによって測定試料に対して、全ての金属針３３、３４，３５，３６と電気的コンタクトを得ることができる。

４Ｘ４マトリックス・スイッチ１０については下記の接続順で発生するホール起電力を測定する。
１）Ｗ１１とＷ４２を短絡して金属針３４と３５間に電流源３１によって電流を流し、Ｗ２３とＷ３４を短絡することで電圧計３２によって金属針３３と３６間に発生するホール起電力Ｖ３６を計測する。
更に、金属針の位置的な誤差によって生じるオフセット電圧を除去するために、電流を逆方向に流して平均化する必要があるため、下記の接続で再度測定する。
２）Ｗ４１とＷ１２を短絡して金属針３４と３５間に電流源３１によって逆方向に電流を流し、Ｗ２３とＷ３４を短絡することで電圧計３２によって金属針３３と３６間に発生するホール起電力Ｖ６３を計測する。
Ｖ６３とＶ３６の差を取り、１／２を掛けてオフセット電圧を除去して正確なホール起電力を導出することができる。

また、電流源と電圧計を上記と直交する方向に接続して、ホール起電力の計測を行うことで、更に測定精度を高めることが出来る。その手順は、下記の通りである。
３）Ｗ２１とＷ３２を短絡して金属針３３と３６間に電流源３１によって電流を流し、Ｗ１３とＷ４４を短絡することで電圧計３２によって金属針３４と３５間に発生するホール起電力Ｖ４５を計測する。
更に、オフセット電圧を除去するために、下記の接続で再度測定する。
４）Ｗ３１とＷ２２を短絡して金属針３６と３３間に電流源３１によって電流を流し、Ｗ１３とＷ４４を短絡することで電圧計３２によって金属針３４と３５間に発生するホール起電力Ｖ５４を計測する。
上記の４段階の手順で得られるホール起電力を平均することで、より精度の高いホール効果の測定が可能になる。

更に磁石の方向を変えることで、精度を高めることが出来る。ネオジウム磁石は磁束密度が０．４Ｔの市販のものを使用したが、上下を反転させて測定試料をＳ極上に置けば、発生するホール起電力は逆になる。これを利用し、更に平均化を行うことで精度を高めることが出来る。

測定されたホール起電力は測定試料の形状によって異なる。また、磁束密度は最表面のものであるため、試料の測定位置における磁束密度とは若干の差異がある。ホール起電力の形状依存性については、ホール起電力とキャリアの移動度との関係で言えば、ホール起電力は磁束密度と流れる電流量に比例し、移動度に比例することが知られているので、標準となる試料を準備し、通常のホール効果測定によって予め計測された移動度を基準に校正係数を求めておけば、測定試料に前記係数を掛けて算出することができる。

本発明の実施する第三の形態について図４を用いて説明する。これは半導体試料に対してＭＩＳ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）接合やショットキー接合を形成して、接合にＤＣ電圧を印加して容量変化を測定するものである。測定試料には容量部を形成する金属電極４８が形成されて金属針４３が接触しており、他の金属針４１，４２，４４は金属電極４８の周辺に接触している。その他の部分の構成は実施例１、２と共通である。測定試料例としてのショットキー接合は（１１１）面シリコン基板４７上に順次成膜されたＮ型ＧａＮエピ層４５、アンドープＧａＮ層４６に金属電極４８を形成したものである。また前記基板上に絶縁膜を成膜したＭＩＳ接合を測定する場合には、金属針４１，４２，４４に対して、これまでと同じ手順による高電圧印加により、絶縁膜を破壊し、電気的コンタクトを取ることが出来る。このようにして絶縁膜上に形成された金属電極４８に対してもを同様にＣＶ測定することができる。

オーミック形成の手順は２方向切替スイッチ９を図内上方側に倒し、２Ｘ４マトリックス・スイッチ８は下記の設定順に行う。
５）Ｓ１１とＳ２２を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
６）Ｓ２１とＳ１２を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
７）Ｓ１２とＳ２４を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
８）Ｓ２２とＳ１４を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
Ｓ１３およびＳ２３は常に開放にする（使用しない）ことで、金属電極４８に高電圧が印加されないようにできる。なお。ＭＩＳ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）構造の測定の場合は、金属針が絶縁膜上に接触することになるが、絶縁膜が１００ｎｍ程度であれば、絶縁耐圧は通常１００Ｖ以下であるので、圧電体で発生する高電圧で容易に破壊することができ、絶縁膜を通してオーミック接合を形成できる。

マトリックス・スイッチ１０－２はマトリックス・スイッチ１０においてＷ１１．Ｗ２１，Ｗ４１，Ｗ３４を常に短絡させた状態を表したものである。電極針４１，４２，４４を結合して端子Ｅ１に接続し、Ｗ３４を短絡することで端子Ｅ４にショットキー接合またはＭＩＳ接合側の上部電極を接続させることができる。

Ｅ１とＥ４は、バイアス・ティー５２を介して容量計５３に接続される。Ｅ１とＥ４端子に接続されるバイアス・ティー５２は可変ＤＣ電圧源４９とインダクター５０を並列に、ＤＣカット容量５１を直列に接続したものであり、容量計５３から発生する高周波が可変ＤＣ電圧源４９に流れ込むことを防ぎ、ＤＣ電圧４９が容量計に印加されることを防いでいる。容量を測定する周波数が低ければ、インダクター５０と容量５１を大きくする必要がある。バイアス・ティーはＤＣとＲＦを分離する際に使用されるモジュールであるが、容量計５３にその機能を内蔵させたものも市販されている。例えば、Ａｇｉｌｅｎｔ社製Ｅ４９８０ＡＬＣＲメータなどを使用する場合にはバイアス・ティーは不要である。

本発明の実施する第四の形態について図５を用いて説明する。これは半導体試料に対してＭＩＳ接合やショットキー接合を形成して、接合にＤＣ電圧を印加して容量変化を測定するものである。実施例４は実施例３における金属電極に変えて導電性液体を用いてＣＶ測定を行うものである。これにより、電極形成の手間を省くことが出来る。

容量部を形成する部分は開放された底部を有する容器６０に満たされたイオン液体５９を用いる。容器６０は底部が半導体基板の接触面周囲には絶縁性Ｏリングで液体の漏洩を防ぐ構成にしている。使用したカーボンナノチューブのゲート電極として使用された実績のあるイオン液体はイミダゾリウムカチオンと数種の無機アニオンから構成されるものを用いた。白金電極５８を前記イオン液体に浸漬させたものをＭＩＳ接合やショットキー接合の上部電極としている。
容器６０の材質はイオン液体に耐食性のあるものが必要であるが、石英、テフロン、或いは白金とすることも可能である。

金属針５４，５５，５７はイオン液体の容器６０の周辺に設置されており、測定構成は実施例３と共通である。電極針５４，５５，５７に対するオーミック・電極形成や２つのマトリックス・スイッチ、２方向切替スイッチ、及び、それを用いたオーミック接合形成の手順、ＣＶ測定系も実施例３と同一である。

本実施例においてイオン液体を用いる利点は、測定試料に直接、液体電極を用いることで金属電極の形成を省くことが出来ることである。これにより試料を準備するために要する手間を省くことができる。ＣＶ測定には容量部の面積を知っておく必要があるが、Ｏリングの大きさで容量部の面積を決めることが出来る。そのような液体電極としては水銀を使用する方法がある。ただし、水銀は環境汚染の懸念があり、水俣条約によって世界的に使用が禁止されることになった。本実施例のように環境負荷の小さいイオン液体を用いることで、この問題を解消できる。本発明のオーミック接合形成方法と組み合わせることで、金属電極を形成する必要がなく、迅速なＣＶ測定が可能である。

実施例１，２，３，４では、圧電体素子、２Ｘ４マトリックス・スイッチ、２方向切替スイッチ、４Ｘ４マトリックス・スイッチやなどの構成は共通構成にできる。図６はそのこの共通構成となる測定のプラットフォーム構成をしめしたものである。この狙いとするところは、シート抵抗測定、ホール測定、ＣＶ測定を同じ装置構成とすることで、本発明のオーミック形成を用いる装置を多機能化することである。本発明は、シート抵抗測定、ホール効果測定、ＣＶ測定をプラットフォーム化するものであり、配置や形状の異なる金属針と被測定半導体を乗せる台座を交換することによって、複数の電気特性を１台で測定可能とするものである。

ホール効果測定によってキャリア移動度やキャリア濃度を求める一般的な方法はＶａｎｄｅｒＰａｕｗ法であるが、対象サンプルを小さく切断することが必要であるため、大口径基板に対して適用することは困難である。無境界ホール測定では、基板の大きさには依存しないが、ホール係数を導出する過程が複雑で、通電するサンプル内の不均一な電流分布によって誤差が入り込みやすい。本実施例は、新たに実施例１と実施例２を組み合わせることで、簡略にキャリア移動度とキャリア濃度を求める方法を提供するものである。

図７に示されるように、直線状かつ等間隔に配列された４本の金属針列１と直交して配置された同様の４本の金属針列２を備え、金属針列１の最内側の２本の金属針が金属針列２の最内側の２本の金属針が正四辺形を構成したものを用いる。測定基板はＡｌＧａＮ層をＧａＮ層にエピ成長させたものである。界面には分極により二次元電子ガスが形成されている。先ず、実施例１および２に記載される方法に従って、両列の８本の金属針全てに電気的コンタクトを形成する。

金属針列１の最外側の２本に電流源を接続した後、金属針列１の最内側の２本の金属針の電圧Ｖ_Ｓを測定し、半導体または導電性薄膜に垂直から磁場を印加し、金属針列２の最内側の２本の金属針の電圧Ｖ_Ｈを測定する。

ホール効果は磁場ＢによるＬｏｒｅｎｚ力と発生するホール起電力による電場からの力が平衡している状態である。従って、キャリア速度Ｖ_０、素電荷ｑ、ホール電圧Ｖ_Ｈ、金属針の間隔Ｌ、とすれば、各々の力は下記のようになる。
Ｌｏｒｅｎｚ力：ｑＶ_ＯＢ・・・・・（２）
ホール電場による力：ｑＶ_Ｈ／Ｌ・・・・・（３）
（２）と（３）を等しくおけば、
Ｖ_ＯＢ＝Ｖ_Ｈ／Ｌ・・・・・・・・・・・・・（４）
また、キャリア速度Ｖ_０はキャリア移動度μと電流が流れる方向の電界の積である。従って検出されたセンス電圧Ｖ_Ｓと電極針の間隔Ｌから、キャリア速度Ｖ_０は下式で表される。
Ｖ_０＝μＶ_Ｓ／Ｌ・・・・・・・・・・・・・（５）
（４）と（５）から、Ｌを消去して、キャリア移動度μを求めることができる。
これは非常に簡単になり、下式となる
μ＝κＶ_Ｈ／（Ｖ_ＳＢ）・・・・・・・・・・・・（４）
本実施例では電流源が測定箇所から離れているために、電流の均一性は比較的高い。ただし、測定箇所では磁束が拡がることと金属針からの電流分布の不均一性を考慮して、補正係数κを導入している。κは既に別の方法で正しい移動度が判明している試料を測定することで、決定することができる。
また、シート抵抗Ｒ_Ｓは実施例１における（１）式から求められているので、
シートキャリア濃度Ｎ_Ｓは、下式で求められる。
Ｎ_Ｓ＝１／（ｑＲ_Ｓμ）・・・・・・・（５）
このように、本実施例の構成によって、測定試料の移動度μとシートキャリア密度を求めることが出来る。

上記の測定法は、無論、電流源の方向を逆にして平均化することで測定精度を高めることが出来る。以上、金属針列１を軸に説明したが、また、金属針列２と１を交代して、直交する方向で測定を行うことや、印加磁場の方向を逆にして同様の手順で測定を行うことで、より一層、測定精度を高めることが出来る。このように、本実施例は４端子法によって予めシート抵抗を知ることが出来ることから、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合における二次元電子ガスのキャリア移動度やキャリア濃度の測定が簡略化されるものである。
なお、金属針列１と金属針列２に対して、実施例５で使用する測定プラットフォームを２回適用し、電圧計を２個用いて、実施できることは言うまでもない。

１．圧電材料
２．圧電体を保持する下部電極
３．上部電極
４．打撃棒
５．ストッパ
６．圧電素子の絶縁筐体
７．バネ
８．２Ｘ４マトリックス・スイッチ
９．２方向切替ナイフスイッチ（２方向切替スイッチ）
１０．４Ｘ４マトリックス・スイッチ
１１．電流源
１２．電圧計
１３～１６．金属針
１７．アンドープＡｌＧａＮエピ層
１８．アンドープＧａＮエピ層（成長初期バッファ層には、ＡｌＧａＮ層などを含む）
１９．（１１１）面シリコン基板またはＣ面サファイヤ基板
Ｓ１１～Ｓ１４、Ｓ２１～Ｓ２４．２Ｘ４マトリックス・スイッチ内の交点で短絡、開放を行うリレー
Ａ１～Ａ４．２Ｘ４マトリックス・スイッチの出力端子
ＳＰＤＴ１～ＳＰＤＴ４．２方向切替スイッチを構成する単極双投スイッチ
Ｂ１～Ｂ４．２方向切替スイッチの測定側への切替側端子
Ｃ１～Ｃ４．２方向切替スイッチの単極側端子
Ｄ１～Ｄ４．金属針と半導体と接触箇所に形成されるショットキー・ダイオード
Ｒ１２．金属針１３と１４間の抵抗
Ｒ２３．金属針１４と１５間の抵抗
Ｒ３４．金属針１５と１６間の抵抗
３３～３６．正四角形の頂点に配置される金属針
３７．アンドープＡｌＧａＮエピ層
３８．アンドープＧａＮエピ層（成長初期バッファ層にはＡｌＧａＮ層などを含む）
３９．（１１１）面シリコン基板またはＣ面サファイヤ基板
４０．ネオジウム磁石（上面がＮ極）
４１．４２．４４．金属針
４３．ショットキー電極またはＭＩＳ電極に接する金属針
４５．ｎ型ＧａＮエピ層
４６．アンドープＧａＮエピ層（成長初期バッファ層にはＡｌＧａＮ層などを含む）
４７．（１１１）面シリコン基板またはＣ面サファイヤ基板
４８．金属電極（ショットキーまたはＭＩＳ上部電極）
４９．可変ＤＣ電源
５０．インダクター（ＲＦチョーク用）
５１．キャパシタ（ＤＣカット用）
５２．バイアス・ティー
５３．容量計（ＬＣＲメータ）
５４．５５．５７．金属針
５６．ショットキーまたはＭＩＳ上部電極
５８．白金電極
５９．イオン液体
６０．イオン液体保持容器
６１．液体シール用Ｏリング
６２．ｎ型ＧａＮエピ層
６３．アンドープＧａＮエピ層（成長初期バッファ層にはＡｌＧａＮ層などを含む）
６４．（１１１）面シリコン基板またはＣ面サファイヤ基板
７１～７４．金属針列１
７５～７８．金属針列２
７９．電流源
８０．センス電圧（Ｖ_Ｓ）測定計
８１．ホール電圧（Ｖ_Ｈ）測定計
８２．垂直磁場Ｂを生成する磁石
８３．ＡｌＧａＮエピ層
８４．ＧａＮ高抵抗層

Claims

セラミック圧電素子の２つの電極に接続された金属針を半導体または導電性薄膜に接触させ、前記圧電素子に応力または打撃を加えることで前記金属針に高電圧かつ微小電流を印加することにより、前記金属針と半導体または導電性薄膜と電気的コンタクトを形成する方法。
セラミック圧電素子の２つの電極に接続された金属針を半導体または導電性薄膜に接触させ、前記圧電素子に応力または打撃を加えることで前記金属針に高電圧かつ微小電流を印加した後、圧電素子の電極を反転させ、前記素子に複数回の応力または打撃を加えることで金属針に高電圧かつ微小電流を印加することにより、金属針と半導体または導電性薄膜と電気的コンタクトを形成する方法。
直線状かつ等間隔に４本配列された金属針を半導体または導電性薄膜に接触し、請求項１および２に記載されたセラミック圧電素子を最外側の２本の金属針に接続し、請求項１および２に記載される方法で半導体または導電性薄膜と電気的コンタクトを形成した後、最外側の２本の金属針に電流源を接続し、最内側２本の金属針間の電圧を計測することにより前記半導体または導電性薄膜のシート抵抗を測定することを特徴とする測定装置。
４辺形の頂点に配置された４本の金属針を接触させた半導体または導電性薄膜に対して、請求項１および２に記載される方法で、４本の金属針全てに電気的コンタクトを形成し、半導体または導電性薄膜に法線方向から磁場を印加し、対角する２本の金属針に電流源を接続し、直交方向の２本の金属針間の電圧を測定することを特徴とするホール効果測定装置。
半導体基板上に形成されたショットキー接合またはＭＩＳ（金属・絶縁体・半導体）接合領域と、前記領域外に複数の金属針を半導体基板と接触させて、請求項１および２に記載された方法で電気的コンタクトを形成した電極と、ショットキー接合またはＭＩＳ（金属・絶縁体・半導体）接合領域に接触させた電極間において、容量・電圧特性（ＣＶ特性）を測定することを特徴とする半導体特性測定装置。
請求項１，２、３，４、５における、セラミック圧電素子による電気的コンタクトを形成する構成部および接続の切替部を共用して使用することを特徴とする電気特性測定装置。
直線状かつ等間隔に配列された４本の金属針列１と直交して配置された同様の４本の金属針列２を備え、金属針列１の最内側の２本の金属針が金属針列２の最内側の２本の金属針が正四辺形を構成し、請求項１および２に記載される方法で、両列の８本の金属針全てに電気的コンタクトを形成し、金属針列１の最外側の２本に電流源を接続し、同列最内側の２本の金属針の電圧Ｖｓを測定した後、半導体または導電性薄膜に垂直から磁場を印加し、金属針列２の最内側の２本の金属針の電圧ＶＨを測定することを特徴とするホール効果測定装置。