JP4633549B2 - フォトルミネッセンスマッピング測定装置 - Google Patents
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Description
:PL)法がある。PL法では、半導体結晶のバンドギャップの測定、不純物の同定、定量等が可能である。
正孔対が生成される。これらの電子-正孔対はいくつかの準安定状態を経由し、さらに再
結合することによって元の熱平衡状態に戻る。この過程で発光性再結合により放出された光がPLである。
が必要になる。このような冷却装置は重量が重く、冷却装置の容器ごと試料をX−Y移動ステージに載せて移動させると測定に困難を伴う。
本発明は、低温での精密なマッピング測定を容易に行うことができるフォトルミネッセンスマッピング測定装置を提供することを目的としている。
半導体結晶試料の試料面を走査し、該試料面からのフォトルミネッセンス光をマッピング測定するフォトルミネッセンスマッピング測定装置であって、
半導体結晶試料を励起するための励起光源と、
半導体結晶試料が固定される移動不能に構成された試料固定部と、
半導体結晶試料からのフォトルミネッセンス光を含む採取光を分光する分光器と、
分光器からの光を光電変換する光検出器と、
励起光源および分光器と、半導体結晶試料との間に配置された移動光学系と、を備え、
前記移動光学系は、
励起光および/または採取光を反射する複数の移動可能な反射鏡と、
試料面の測定点へ励起光を集光し、および/または試料面の測定点からの採取光を平行光とする少なくとも1つの移動可能な対物レンズと、を備えるとともに、励起光源側から移動光学系へ向かう励起光の光軸と、移動光学系から分光器側へ向かう採取光の光軸とを固定した状態で、試料面の各測定点へ励起光および採取光の焦点を移動させるように構成され、
前記試料固定部に固定された半導体結晶試料を液体ヘリウム、ヘリウムガスまたは液体窒素によって直接または間接的に冷却する移動不能に構成された冷却装置を備え、
前記冷却装置は、蓄熱材が内部に設置され、上面部に励起光および採取光を透過する透明板が配置され、内部が真空とされる容器と、
前記容器内に配置され、蓄熱材と熱的に接触する前記試料固定部と、を備え、
前記半導体結晶試料は、試料面が上向きとなり透明板と対向するように前記試料固定部に配置されるように構成されていることを特徴とする。
また、上記の発明では、試料固定部に固定された半導体結晶試料を液体ヘリウム、ヘリウムガスまたは液体窒素によって直接または間接的に冷却する冷却装置を備えることが好ましい。このような冷却装置としては、従来から知られている各種のクライオスタットを挙げることができるが、特に好ましくは、以下の冷却装置が用いられる。
すなわち、蓄熱材が内部に設置され、上面部に励起光および採取光を透過する透明板が配置され、内部が真空とされる容器と、
前記容器内に配置され、蓄熱材と熱的に接触する前記試料固定部と、を備え、
前記半導体結晶試料は、試料面が上向きとなり透明板と対向するように試料固定部に配置される。
上記の冷却装置では、半導体結晶試料が試料面を上向きとして設置されるので、試料を固定する際に掛かる試料への応力が少ない。また、大きいサイズの試料を設置することができる。さらに、ヘリウムを循環させているので、ランニングコストを抑えた極低温測定が可能である。
前記前段反射鏡は、励起光源側から前段反射鏡へ向かう励起光および前段反射鏡から分光器側へ向かう採取光の光軸方向であるX軸方向へ移動可能なX方向移動手段に固定され、励起光源側からの励起光を後段反射鏡へ反射させるとともに後段反射鏡からの採取光を分光器側へ反射させ、
前記後段反射鏡は、前段反射鏡から後段反射鏡へ向かう励起光および後段反射鏡から前段反射鏡へ向かう採取光の光軸方向であるY軸方向へ移動可能なY方向移動手段に固定され、前段反射鏡からの励起光を対物レンズへ反射させるとともに対物レンズからの採取光
を前段反射鏡へ反射させ、
前記対物レンズは、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、後段反射鏡と半導体結晶試料との間に配置され、
X方向移動手段は、Y方向移動手段と共にX軸方向へ移動し、
Y方向移動手段は、X方向移動手段とは独立にY軸方向へ移動し、
X方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるX軸方向の各測定点での測定を行い、
Y方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるY軸方向の各測定点での測定を行う。
前記移動光学系の他の態様では、該移動光学系は、第1および第2の前段反射鏡と、第1および第2の後段反射鏡と、第1および第2の対物レンズと、を備え、
前記第1の前段反射鏡は、励起光源側から第1の前段反射鏡へ向かう励起光および第2の前段反射鏡から分光器側へ向かう採取光の光軸方向であるX軸方向へ移動可能なX方向移動手段に固定されるとともに、励起光源側からの励起光を第1の後段反射鏡へ反射させ、
前記第1の後段反射鏡は、第1の前段反射鏡から第1の後段反射鏡へ向かう励起光および第2の後段反射鏡から第2の前段反射鏡へ向かう採取光の光軸方向であるY軸方向へ移動可能なY方向移動手段に固定されるとともに、第1の前段反射鏡からの励起光を第1の対物レンズへ反射させ、
前記第1の対物レンズは、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、第1の後段反射鏡と半導体結晶試料との間に配置され、
前記第2の前段反射鏡は、前記X方向移動手段に固定されるとともに、第2の後段反射鏡からの採取光を分光器側へ反射させ、
前記第2の後段反射鏡は、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、第2の対物レンズからの採取光を第2の前段反射鏡へ反射させ、
前記第2の対物レンズは、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、第2の後段反射鏡と半導体結晶試料との間に配置され、
X方向移動手段は、Y方向移動手段と共にX軸方向へ移動し、
Y方向移動手段は、X方向移動手段とは独立にY軸方向へ移動し、
X方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるX方向の各測定点での測定を行い、
Y方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるY方向の各測定点での測定を行う。
蓄熱材を備えたG−M型冷凍機、スターリング型冷凍機、またはパルス管型冷凍機であるのが好ましい。
前記冷凍機ユニットは、前記圧縮機ユニットに連通するヘリウム循環経路に設けられた膨張器と前記蓄熱材とからなる冷却部を備え、
前記試料固定部が、前記容器内における冷却部の上部側に配置されている。
このようにすることで、例えば液体ヘリウム温度近傍から常温以上までの広い温度範囲において、目的に応じた所望の温度、例えば発光強度、ピークの分離などが適切である最適温度に試料温度を調節できる。
また、上記の発明における一つの態様では、励起用レーザ光源であるパルスレーザと、
パルスレーザのパルスに対応するトリガ信号を基準として、該トリガ信号から所定時間だけ遅れた半導体結晶試料の発光を検出する検出系と、を備えた構成とされ、前記移動光学系によって半導体結晶試料の試料面を走査することで、該試料面の各測定点における発光の減衰が測定される。
[実施例1]
図1は、本発明のフォトルミネッセンスマッピング装置の実施例を示した上面図、図2は、図1のフォトルミネッセンスマッピング装置の斜視図、図3は、半導体単結晶試料を冷却する冷却装置を示した図である。
ように、移動光学系は、前段反射鏡12と、後段反射鏡22と、対物レンズ25と、を備えている。
後段反射鏡22は、前段反射鏡12から後段反射鏡22へ向かう励起光4の光軸方向であるY軸方向へ移動可能なY方向移動ステージ21に固定されている。
前段反射鏡12でY軸方向へ反射され、次いで後段反射鏡22で下方へ反射された励起光4は、対物レンズ25で集光されて半導体結晶試料7の試料面の測定点に照射される。
。
この冷却装置41は、圧縮機ユニット42aと冷凍機ユニット42bとから構成され、ヘリウムガスを循環して試料の冷却を行っており、その冷却機構および冷却のための装置構成は、いわゆるG−M型(ギフォード・マクマホン型)冷凍機と同様である。
冷凍機ユニット42bは、シリンダの内部を軸方向に移動可能なピストンと、ピストンを駆動するモータを備えた駆動モータ部43と、膨張器と蓄熱材とを備えた冷却部48と、を備えている。冷却部48は、容器44の内部に設置されている。
半導体結晶試料7は、試料固定部46に試料面を水平上向きとして固定される。図3(b)は、試料固定部およびその周辺の構成を示した図である。図示したように、試料固定部46は、冷却部48の上部側に配置され、半導体結晶試料7は、試料面が上向きとなりガラス板45と対向するように配置される。
[実施例2]
図4は、本発明のフォトルミネッセンスマッピング装置の実施例を示した上面図、図5は、図4のフォトルミネッセンスマッピング装置の斜視図、図6(a)は、後段反射鏡および対物レンズの配置を示した上面図、図6(b)は、その正面図である。なお、上述した実施例と対応する構成要素は同一の符号で示しその詳細な説明を省略する。
3および第2の前段反射鏡14と、第1の後段反射鏡23および第2の後段反射鏡24と、第1の対物レンズ26および第2の対物レンズ27と、を備えている。
させる光学系と、試料面からの採取光5を取り出す光学系とが分離されているので、採取光の焦点をずらすことなく励起光のみデフォーカスさせることができる。すなわち、第1の後段反射鏡23および第1の対物レンズ26の配置を調節することで励起光のビーム密度を調整することができる。
、単層積層欠陥(ショックレータイプ積層欠陥:Shockley Stacking Fault)の発光波長
は約420nm、成長時導入積層欠陥(In-grown Stacking Fault)の発光波長は約47
0nm、複層積層欠陥(In-grown Stacking Fault)の発光波長は約510nmである。
図7は、発光波長約420nm、温度100KにおいてSiCエピタキシャル膜中の結晶粒界を測定したものであり、結晶粒界が暗い線として現れている。
図9は、発光波長約470nm、温度100KにおいてSiCエピタキシャル膜中の成長時導入積層欠陥を測定したものであり、積層欠陥が白い三角形状として現れている。
[実施例3]
上述した各実施例では、PLマッピング像を測定する場合について説明したが、これらの実施例と同様な移動光学系および試料の冷却装置を用いて、半導体結晶試料の試料面におけるライフタイムの分布を測定することができる。本実施例では、図1(実施例1)または図4(実施例2)に示した装置構成において、励起用レーザ光源2としてパルスレーザを使用する。パルスレーザの具体例としては、窒素レーザ、QスイッチYAGレーザ、半導体レーザ等を挙げることができる。
例えば、パルスレーザのパルス発生器が発生するトリガ信号を基準として、パルスレーザの発光後、所定時間tだけ遅れた試料の発光を、検出系のゲートを短時間開いて取り込み、tを変化させながら複数回の計測を行なうことにより、発光の減衰(ライフタイム)を測定する。
τ-1=Nr・S・vth
(ここで、Nrは再結合中心の密度、Sは捕獲断面積、vthは少数キャリアの熱速度である。)
励起された少数キャリアが距離R進んだときの存在確率は、キャリアの拡散距離をMとするとEXP(-R/M)と表される。キャリアの拡散距離Mとライフタイムτとの間には、次式の関係がある。
M=√(Dnτ)
(ここで、Dn=μekBT/e :kBはボルツマン定数、Tは温度、eは電荷、μeは電子の移動度
である。)
したがって、測定によって得られた発光減衰曲線における発光強度が1/eになる位置に
よって、少数キャリアに関する特性が評価できる。
2 励起用レーザ光源
3,3a,3b 光軸
4 励起光
5 採取光
6 反射/透過鏡
7 半導体結晶試料
11 X方向移動ステージ
12 前段反射鏡
13 第1の前段反射鏡
14 第2の前段反射鏡
21 Y方向移動ステージ
22 後段反射鏡
23 第1の後段反射鏡
24 第2の後段反射鏡
25 対物レンズ
26 第1の対物レンズ
27 第2の対物レンズ
31 分光器
32 集光レンズ
33 光検出器
41 冷却装置42a 圧縮機ユニット
42b 冷凍機ユニット
43 駆動モータ部
44 容器
45 ガラス板
46 試料固定部
47 ヒータ部
48 冷却部
49 インジウムシート
50 試料押さえバネ
Claims (9)
- 半導体結晶試料の試料面を走査し、該試料面からのフォトルミネッセンス光をマッピング測定するフォトルミネッセンスマッピング測定装置であって、
半導体結晶試料を励起するための励起光源と、
半導体結晶試料が固定される移動不能に構成された試料固定部と、
半導体結晶試料からのフォトルミネッセンス光を含む採取光を分光する分光器と、
分光器からの光を光電変換する光検出器と、
励起光源および分光器と、半導体結晶試料との間に配置された移動光学系と、を備え、
前記移動光学系は、
励起光および/または採取光を反射する複数の移動可能な反射鏡と、
試料面の測定点へ励起光を集光し、および/または試料面の測定点からの採取光を平行光とする少なくとも1つの移動可能な対物レンズと、を備えるとともに、励起光源側から移動光学系へ向かう励起光の光軸と、移動光学系から分光器側へ向かう採取光の光軸とを固定した状態で、試料面の各測定点へ励起光および採取光の焦点を移動させるように構成され、
前記試料固定部に固定された半導体結晶試料を液体ヘリウム、ヘリウムガスまたは液体窒素によって直接または間接的に冷却する移動不能に構成された冷却装置を備え、
前記冷却装置は、蓄熱材が内部に設置され、上面部に励起光および採取光を透過する透明板が配置され、内部が真空とされる容器と、
前記容器内に配置され、蓄熱材と熱的に接触する前記試料固定部と、を備え、
前記半導体結晶試料は、試料面が上向きとなり透明板と対向するように前記試料固定部に配置されるように構成されていることを特徴とするフォトルミネッセンスマッピング測定装置。 - 前記移動光学系は、前段反射鏡と、後段反射鏡と、対物レンズと、を備え、
前記前段反射鏡は、励起光源側から前段反射鏡へ向かう励起光および前段反射鏡から分光器側へ向かう採取光の光軸方向であるX軸方向へ移動可能なX方向移動手段に固定され、励起光源側からの励起光を後段反射鏡へ反射させるとともに後段反射鏡からの採取光を分光器側へ反射させ、
前記後段反射鏡は、前段反射鏡から後段反射鏡へ向かう励起光および後段反射鏡から前段反射鏡へ向かう採取光の光軸方向であるY軸方向へ移動可能なY方向移動手段に固定され、前段反射鏡からの励起光を対物レンズへ反射させるとともに対物レンズからの採取光を前段反射鏡へ反射させ、
前記対物レンズは、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、後段反射鏡と半導体結晶試料との間に配置され、
X方向移動手段は、Y方向移動手段と共にX軸方向へ移動し、
Y方向移動手段は、X方向移動手段とは独立にY軸方向へ移動し、
X方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるX軸方向の各測定点での測定を行い、
Y方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるY軸方向の各測定点での測定を行うことを特徴とする請求項1に記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。 - 前記移動光学系は、第1および第2の前段反射鏡と、第1および第2の後段反射鏡と、第1および第2の対物レンズと、を備え、
前記第1の前段反射鏡は、励起光源側から第1の前段反射鏡へ向かう励起光および第2の前段反射鏡から分光器側へ向かう採取光の光軸方向であるX軸方向へ移動可能なX方向移動手段に固定されるとともに、励起光源側からの励起光を第1の後段反射鏡へ反射させ、
前記第1の後段反射鏡は、第1の前段反射鏡から第1の後段反射鏡へ向かう励起光および第2の後段反射鏡から第2の前段反射鏡へ向かう採取光の光軸方向であるY軸方向へ移動可能なY方向移動手段に固定されるとともに、第1の前段反射鏡からの励起光を第1の対物レンズへ反射させ、
前記第1の対物レンズは、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、第1の後段反射鏡と半導体結晶試料との間に配置され、
前記第2の前段反射鏡は、前記X方向移動手段に固定されるとともに、第2の後段反射鏡からの採取光を分光器側へ反射させ、
前記第2の後段反射鏡は、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、第2の対物レンズからの採取光を第2の前段反射鏡へ反射させ、
前記第2の対物レンズは、前記Y方向移動手段に固定されるとともに、第2の後段反射鏡と半導体結晶試料との間に配置され、
X方向移動手段は、Y方向移動手段と共にX軸方向へ移動し、
Y方向移動手段は、X方向移動手段とは独立にY軸方向へ移動し、
X方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるX方向の各測定点での測定を行い、
Y方向移動手段を移動させることによって、半導体結晶試料の試料面におけるY方向の各測定点での測定を行うことを特徴とする請求項1に記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。 - 前記X方向移動手段が、X方向移動ステージであり、前記Y方向移動手段が、Y方向移動ステージであることを特徴とする請求項2または3に記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。
- 前記冷却装置は、蓄熱材を備えたG−M型冷凍機、スターリング型冷凍機、またはパルス管型冷凍機であることを特徴とする請求項1に記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。
- 前記冷却装置は、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機ユニットと、ヘリウムの循環によって半導体結晶試料を冷却するための冷凍機ユニットと、からなるG−M型冷凍機を備えることを特徴とする請求項5に記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。
- 前記試料固定部と前記蓄熱材との間に、試料固定部に固定された半導体結晶試料の温度を調節するヒータ部を備えることを特徴とする請求項5または6に記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。
- 測定されるマッピング像が、半導体結晶試料に含まれる欠陥または不純物の像であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。
- 励起用レーザ光源であるパルスレーザと、
パルスレーザのパルスに対応するトリガ信号を基準として、該トリガ信号から所定時間だけ遅れた半導体結晶試料の発光を検出する検出系と、を備え、
前記移動光学系によって半導体結晶試料の試料面を走査し、該試料面の各測定点における発光の減衰を測定することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載のフォトルミネッセンスマッピング測定装置。
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