JP5686348B2 - 光誘起キャリアライフタイム測定方法、光入射効率測定方法、光誘起キャリアライフタイム測定装置、および光入射効率測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光照射によって半導体基体内で発生させた光誘起キャリアの実効ライフタイムを測定する光誘起キャリアライフタイム測定方法、およびこの測定方法を行うための光誘起キャリアライフタイム測定装置に関する。また本発明は、実効ライフタイムから半導体基体の光入射効率を得るための光入射効率測定方法、およびこの測定方法を行うための光入射効率測定装置に関する。

半導体基体の内部欠陥を評価する指標の１つとして、光誘起キャリアライフタイムが用いられている。光誘起キャリアライフタイムとは、光照射によって半導体基体中に発生させた光誘起キャリア（少数キャリア）のライフタイムである。

光誘起キャリアライフタイムを測定するための方法および装置の第１例として、μ−ＰＣＤ（microwave photoconductive decay）法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、マイクロ波を半導体基体に照射した状態で、レーザ光のパルス照射を極めて短時間行う。このとき、半導体基体に照射しているマイクロ波の反射率が、レーザー光パルスによって誘起されたキャリア密度によって変化する。このため、この反射率の時間変化を測定することにより、半導体基体における光誘起キャリアの実効的なライフタイム（以下、実効ライフタイムと記す）が得られる。

また、半導体基体の光誘起キャリアライフタイムを測定する方法および装置の第２例として、ＱＳＳＰＣ（quasi steady state photoconductivity）法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。この方法では、半導体基体にインダクタンスコイルを直面して配置し、ＲＦ周波を印加する。そして、半導体基体に光のパルス照射を極めて短時間行う。このとき、光パルスによって誘起されたキャリアによって、ＲＦ周波数の電磁波が反射される。この反射波の時間変化を、コイルに流れる電流の変化として測定することにより、半導体基体における光誘起キャリアの実効ライフタイムが得られる。

また、半導体基体の光誘起キャリアライフタイムを測定する方法および装置の第３例として、マイクロ波光干渉吸収法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。この方法では、導波管で形成したマイクロ波干渉計に半導体基体を挿入し、この半導体基体に対してマイクロ波を照射した状態で連続光を照射する。この際、連続光の照射によって誘起されたキャリアによって、マイクロ波が吸収されるため、マイクロ波の透過率の減少を測定することによって光誘起キャリアの実効ライフタイムが得られる。

J. M. Borrego, R. J. Gutmann, N. Jensen, and O. Paz: Solid-State Electronics， 30 (1987) 195. G. S. Kousik, Z. G. Ling, and P. K. Ajmera: J. App. Phys. 72 (1992) 141. T. SAMESHIMA, H. HAYASAKA, and T. HABA, Jpn. J.Appl. Phys. 48 (2009) 021204-1-6.

上述の第１例で示したμ−ＰＣＤ法および第２例で示したＱＳＳＰＣ法は、強い光パルスを半導体基体に照射して、半導体基体中に電子およびホールなどの光誘起キャリアを発生させ、この発生した光誘起キャリアの時間減衰率を測定する方法である。この方法は、簡便であるため広く使用されている。

しかしながらこれらの方法は、１回の光パルスで発生させた光誘起キャリアの減衰を、マイクロ波または電磁波の反射率の時間変化として測定する方法であるため、測定の精度を保つには高密度に光誘起キャリアを生成する必要がある。したがって、光誘起キャリアが低密度である場合においての実効ライフタイムを得ることが困難であった。

また以上の方法を実施するために開発されている測定システムでは、マイクロ波またはＲＦ電場の試料への入射率の特定、および試料中で発生したキャリアによるマイクロ波の吸収やＲＦ電場の吸収を解析することができない。このため、測定で得られた信号からキャリア密度を算出することができなかった。したがって、精度の高い実効ライフタイムを得ることができなかった。

一方、第３例として上述したマイクロ波光干渉吸収法では、半導体基体に連続光を照射して発生させた光誘起キャリアによるマイクロ波の透過率の変化を測定する方法であって、マイクロ波の透過率はキャリア密度に依存している。このため、１×１０¹¹ｃｍ^-2程度の低密度の光誘起キャリアの検出が可能である。

つまり、測定されたマイクロ波の透過率から得られた光誘起キャリアのキャリア密度をｎとするとき、実効ライフタイムτ_ｅｆｆは、入射光強度Ｉ、光子エネルギーｈｖ、試料表面反射率ｒを用いて下記式（１）で与えられる。

τ_ｅｆｆ＝ｎｈｖ／（１−ｒ）Ｉ・・・（１）

式（1）からも明らかなように、精密なキャリア密度の測定は、精度良い実効ライフタイムの測定を可能にする。したがって、マイクロ波光干渉吸収法を用いることにより、２μｓの小さい実効ライフタイムを得ることが可能である。

しかしながら、上記式（1）からもわかるように、上述したマイクロ波光干渉吸収法では、半導体基体の表面の試料表面反射率ｒが予め求められていなければならない。このため、例えばテクスチャ構造を有するソーラーセルのような半導体基板の場合、試料表面反射率ｒを決定することはできない。また入射光強度Ｉも、検出器の信号−光強度変換特性の任意性が残る。

そこで本発明は、試料となる半導体基体の表面状態によらずに、当該半導体基体の光誘起キャリアの実効ライフタイムを高精度に得ることが可能な光誘起キャリアライフタイム測定方法を提供することを目的とする。また本発明は、この測定方法を実現するための光誘起キャリアライフタイム測定装置を提供することを目的としている。さらに本発明は、この測定方法によって得られた実効ライフタイムから試料に対する光入射効率を得ることが可能な光入射効率測定方法を提供すること、およびこの方法を行う測定装置を提供することを目的としている。

このような目的を達成するための本発明の光誘起キャリアライフタイム測定方法は、次の手順で行うことを特徴としている。先ず、半導体基体に対して周期的に光をパルス照射すると共に、当該半導体基体にマイクロ波を照射する。この状態で、半導体基体を透過するかまたは当該半導体基体で反射した前記マイクロ波を検出する。次いで、光のパルス照射に際しての照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２と、検出によって得られたマイクロ波強度の積分値とに基づいて、光によって半導体基体に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムを得る。

また本発明の光入射効率測定方法は、以上のようにして得られた実効ライフタイムを用いて、下記式（２）から光入射効率（１−ｒ）を求めることを特徴としている。

ただし式（２）中、ｒは表面反射率、ｎは光誘起キャリア密度、Ｇは光強度（フォトン１個のエネルギー）である。

このような本発明の光誘起キャリアライフタイム測定方法および光入射効率測定方法によれば、半導体基体に対して光を周期的にパルス照射した状態で、この半導体基体を透過するかまたは半導体基体で反射したマイクロ波を検出している。このため、光の照射によって半導体基体内に発生した光誘起キャリアが低密度であっても、周期的な複数回のパルス照射毎に検出したマイクロ波強度の積分値を得ることにより、感度の高い測定結果を得ることができる。したがって、微弱な光の照射であっても、感度の高い測定結果を得ることができる。さらに、照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２を変化させて、光を複数回にわたって周期的にパルス照射することで、Ｔ１，Ｔ２の変化に対するマイクロ波検出強度の積分値の変化が得られ、この変化からもキャリア減衰率を知ることができる。このため、測定対象である半導体基体の表面反射率等の情報を必要とすることなく、光誘起キャリアの実効ライフタイムが得られる。

また本発明は、上述した本発明の光誘起キャリアライフタイム測定方法を行うための光誘起キャリアライフタイム測定装置でもある。この光誘起キャリアライフタイム測定装置は、光照射光源、マイクロ波発生源、検出部、および演算部を備えている。光照射光源は、試料に光誘起キャリア発生させるための光をパルス照射する。マイクロ波発生源は、試料に照射するマイクロ波を発生する。検出部は、試料を透過するかまたは当該試料で反射したマイクロ波を検出する。演算部は、上述した光の周期的な複数回のパルス照射に際しての照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２と、検出部で検出したマイクロ波の強度の積分値とに基づいて、当該光のパルス照射によって試料に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムを算出する。

さらに本発明は、上述した本発明の光入射効率測定方法を行うための光入射効率測定装置でもある。この光入射効率測定装置は、上述した光誘起キャリアライフタイム測定装置における演算部が、算出した実効ライフタイムに基づいて、さらに光入射効率を算出するものであることを特徴としている。

以上説明したように本発明によれば、試料の表面反射率などの情報を必要とすることなく、微弱な光の照射であっても感度の高いマイクロ波の検出結果に基づいて実効ライフタイムを得ることが可能である。この結果、例えばテクスチャ構造を有するソーラーセルのような半導体基体であっても、高精度に光誘起キャリアの実効ライフタイムを得ることが可能になる。

本発明の第１実施形態の光誘起キャリアライフタイムおよび光入射効率の測定装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態の光誘起キャリアライフタイムおよび光入射効率の測定装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態を説明する図であり、Ａは、光照射光源からの周期的な光照射の例を示す図である。Ｂは、マイクロ波発生源からの周期的なマイクロ波入射の例を示す図である。Ｃは、周期的に光照射を行った場合のキャリア密度の時間変化の例を示す図である。 式（５）を用いて実効ライフタイムτ_ｅｆｆ毎に算出したキャリア密度の比＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１との関係を示す図である。 実施例１における、＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１との関係を示す図である。 本発明の第４実施形態を説明するためのフローチャートである。 本発明の第４実施形態を説明する図であり、Ａは、光照射光源からの周期的な光照射の例を示す図である。Ｂは、マイクロ波発生源からのマイクロ波入射の例を示す図である。Ｃは、周期的に光照射を行った場合のキャリア密度の時間変化の例を示す図である。 シリコン基板の少数キャリアがホールである場合の、時間Ｔに対するキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を示す図である。 シリコン基板の少数キャリアが電子である場合の、時間Ｔに対するキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を示す図である。 式（８）を用いて算出した実効ライフタイムτ_ｅｆｆと、式（１８）から得られる連続光照射における光誘起キャリアのライフタイムとの関係を示す図である。 半導体基体の各領域について算出した実効ライフタイムτ_ｅｆｆの分布図である。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて、次に示す順に実施の形態を説明する。
１．第１実施形態「誘起キャリアライフタイム測定装置の構成例」
２．第２実施形態「光誘起キャリアライフタイム測定装置の構成の変形例」
３．第３実施形態「光誘起キャリアライフタイム測定方法の第１例」
４．第４実施形態「光誘起キャリアライフタイム測定方法の第２例」
５．第５実施形態「光誘起キャリアライフタイム測定方法の第３例」
尚、各実施形態において同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

≪１．第１実施形態≫
図１に、光誘起キャリアライフタイム測定装置および光入射効率測定装置(以下、光誘起キャリアライフタイム測定装置と記す）の概略構成を示す。この図に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置は、以降の実施形態で説明する光誘起キャリアライフタイム測定方法および光入射効率測定方法に用いるための装置であり、次のように構成されている。

光誘起キャリアライフタイム測定装置は、試料となる半導体基体１０Ａおよび参照用の半導体基体１０Ｂに入射させるマイクロ波を発生するマイクロ波発生源１１と、半導体基体１０Ａにキャリアを発生させるための光を照射する光照射光源１２とを備える。また、半導体基体１０Ａ，１０Ｂを透過したマイクロ波強度を検出する検出部１３Ａおよび検出部１３Ｂと、これらの検出部１３Ａ，１３Ｂで検出したマイクロ波強度に基づいて光誘起キャリアライフタイムおよび光入射効率を算出する演算部１４とを備える。

光誘起キャリアライフタイム測定装置は、マイクロ波発生源１１と検出部１３Ａ，１３Ｂとの間に、マイクロ波干渉計を構成する導波管１５を設けている。この導波管１５は、マイクロ波発生源１１と検出部１３Ａ，１３Ｂとの間の中間部分で、対称な２つの導波管１５Ａ，１５Ｂに分岐している。分岐した一方の導波管１５Ａには、試料となる半導体基体１０Ａが挿入される間隙１６Ａが設けられている。また分岐した他方の導波管１５Ｂには、参照用の半導体基体１０Ｂが挿入される間隙１６Ｂが設けられている。間隙１６Ａ，１６Ｂには、導波管１５Ａ，１５Ｂの延設方向に対して略垂直に半導体基体１０Ａ，１０Ｂが挿入される。これらの間隙１６Ａ，１６Ｂは、導波管１５Ａ，１５Ｂにおいて対称な位置に配置されている。

分岐した導波管１５Ａ，１５Ｂは、マイクロ波発生源１１から見た間隙１６Ａ、１６Ｂの後方で結合している。そして、結合した導波管１５が再び２つに分岐され、分岐した先がそれぞれ検出部１３Ａと検出部１３Ｂとに接続されている。

これにより図１に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置では、マイクロ波発生源１１から発生したマイクロ波が、導波管１５内を通り、導波管１５Ａ，１５Ｂの間隙１６Ａ、１６Ｂに挿入された半導体基体１０Ａ，１０Ｂに照射される構成となっている。また、半導体基体１０Ａ，１０Ｂを透過したマイクロ波が、導波管１５Ａ，１５Ｂを通り、検出部１３Ａ，１３Ｂのそれぞれに導かれる構成となっている。

以上のような構成において、試料となる半導体基体１０Ａが挿入される間隙１６Ａには、光照射光源１２からの光を半導体基体１０Ａに入射するための導光板１８が挿入されている。この導光板１８は、間隙１６Ａに挿入される半導体基体１０Ａと接するように、半導体基体１０Ａが挿入される箇所よりも検出部１３Ａ，１３Ｂ側（またはマイクロ波発生源１１側）に配置される。このような導光板１８は、光ファイバ１７により光照射光源１２と接続されている。尚、導光板１８は、半導体基体１０Ａが挿入される箇所の検出部１３Ａ，１３Ｂ側、およびマイクロ波発生源１１側の両方に配置されていても良い。

ここで、マイクロ波発生源１１は、次に説明する光照射光源１２からの光照射に同期してマイクロ波を発生させる。

光照射光源１２は、試料となる半導体基体１０Ａに対して、周期的に光をパルス照射して半導体基体にキャリアを発生させる光源からなる。このような光照射光源１２は、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ光源からなる。また、ＹＡＧレーザ以外にも、発光ダイオード（ＬＥＤ）、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の半導体基体に吸収される波長の光を発する光源、特に２５０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の波長の光を発する光源であれば限定することなく光源として使用することができる。またこの光照射光源１２は、光のパルス照射の周期を、例えば照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２とした異なる任意の各周期に変更可能である。例えば、照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２は、０．０１ｍｓ〜０．１ｓの範囲で任意に変更される。

検出部１３Ａは、試料となる半導体基体１０Ａからのマイクロ波透過強度Ｊ_Ａと、参照用の半導体基体１０Ｂからのマイクロ波透過強度Ｊ_Ｂとの差Ｉ_A-Bを検出する。また、検出部１３Ｂは、試料となる半導体基体１０Ａからのマイクロ波透過強度Ｊ_Ａと、参照用の半導体基体１０Ｂからのマイクロ波透過強度Ｊ_Ｂとの和Ｊ_A+Bを検出する。図１に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置では、マイクロ波透過強度Ｊ_ＡとＪ_Ｂとの差Ｊ_A-Bおよび和Ｊ_A+Bを検出することよりマイクロ波透過強度を検波増幅し、マイクロ波の検出感度を向上させることができる。

演算部１４は、検出部１３Ａ，１３Ｂで検出されたマイクロ波透過強度と、および光照射光源１２で照射する光の周期とに基づいて、間隙１６Ａに挿入された半導体基体１０Ａにおける光誘起キャリアのライフタイムおよび光入射効率を算出する。この演算部１４においては、例えば先ず、上述の非特許文献３に記載された方法等を用いることで、周期的な光照射により半導体基体１０Ａに発生する光誘起キャリアのキャリア密度を求める。そして、求めたキャリア密度から、光誘起キャリアの実効ライフタイムおよび実効光入射効率を求める。演算部１４においての実効ライフタイムおよび実効光入射効率の算出手順は、以降の光誘起キャリアライフタイム測定方法で詳細に説明する。

尚、上述の図１に示す測定装置には、演算部１４で算出した結果に基づいて、マイクロ波発生源１１におけるマイクロ波の照射および光照射光源１２における光の照射を制御する制御部１９を設けても良い。

さらにここでの図示は省略したが、上述の図１に示す測定装置には、マイクロ波発生源から発生したマイクロ波を、試料となる半導体基体１０Ａの一主面を領域分けした各領域に対して選択的に照射するための位置合わせ手段を設けても良い。このような位置あわせ手段としては、例えば、間隙１６Ａに挿入した半導体基体１０Ａを、マイクロ波の入射方向に対して垂直方向に自在に移動させることが可能な可動ステージが用いられる。また、このような可動ステージに換えて、間隙１６Ａに挿入した半導体基体１０Ａに対して、マイクロ波の入射位置を自在に移動させることが可能なマイクロ波走査手段が用いられる。

以上のような図１に示す測定装置は、光誘起キャリアライフタイムおよび光入射効率測定装置の一例であり、上述の構成以外でも光誘起キャリアライフタイムおよび光入射効率測定装置を構成することができる。

例えば、図１に示す測定装置は、導波管１５を２つに分岐して、試料となる半導体基体１０Ａと参照用の半導体基体１０Ｂとの透過率の和および差を利用して高精度にマイクロ波の透過率を求めている構成である。しかしながら、光誘起キャリアライフタイム測定装置は、導波管１５Ｂ、および検出部１３Ｂを除いた構成であっても良い。

この場合の光誘起キャリアライフタイム測定装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生源１１と、半導体基体１０Ａにキャリアを発生させる光を照射する光照射光源１２と、検出部１３Ａと、演算部１４と、分岐を持たない導波管１５とにより構成される。導波管１５には、試料となる半導体基体１０Ａが挿入される間隙が設けられ、この間隙に、光ファイバ１７によって光照射光源１２に接続された導光板１８が挿入されている。このような測定装置において、マイクロ波発生源１１と光照射光源１２とは、先に説明した第1実施形態の測定装置と同様の構成である。検出部１３Ａは、試料となる半導体基体１０Ａからのマイクロ波透過強度Ｊ_Ａを検出する。演算部１４は、検出部１３Ａで検出されたマイクロ波透過強度Ｊ_Aから、半導体基体１０Ａにおける、光誘起のキャリア密度、実効ライフタイム、および実効光入射効率を算出する。

以上のような第１実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定装置によれば、以降に説明する光誘起キャリアライフタイム測定方法および光入射効率測定方法に用いることが可能である。

≪２．第２実施形態≫
図２に、光誘起キャリアライフタイム測定装置および光入射効率測定装置(以下、光誘起キャリアライフタイム測定装置と記す）の変形例の概略構成を示す。この図に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置が、図１で示した第１実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定装置と異なるところは、図１で示されている導光板１８に換えて、反射拡散板１８’を設けた構成にあり、他の構成は同様である。

すなわち図２の光誘起キャリアライフタイム測定装置は、導波管１５Ａの側壁に、小さな穴を備えている。この穴には、光照射光源１２に接続された光ファイバ１７の端部が取り付けられ、光照射光源１２からの光が光ファイバ１７を介して導波管１５Ａに導入される構成となっている。この導波管１５Ａの内部には、反射拡散板１８’が配置されている。この反射拡散板１８’は、光ファイバ１７からの光を、半導体基体１０Ａが挿入される間隙１６Ａ側に向けて拡散させながら反射する。また反射拡散板１８’は、マイクロ波発生源１１で発生したマイクロ波を透過する。このような反射拡散板１８’は、例えばフッ素樹脂からなる。

以上の反射拡散板１８’およびこれに接続された光ファイバ１７は、導波管１５Ａにおいて、試料となる半導体基体１０Ａが挿入される間隙１６Ａのマイクロ波発生源１１側および検出部１３Ａ，１３Ｂ側の少なくとも一方に設けられている。

上述の図２に示した第２実施形態の測定装置であっても、図１に示した第１実施形態の測定装置と同様に、間隙１６Ａに挿入した半導体基体１０Ａを、マイクロ波の入射方向に対して垂直方向に自在に移動させることが可能な可動ステージを備えていても良い。また、このような可動ステージに換えて、間隙１６Ａに挿入した半導体基体１０Ａに対して、マイクロ波の入射位置を自在に移動させることが可能なマイクロ波走査手段を備えていても良い。

さらに、第２実施形態の測定装置であっても、図１に示した第１実施形態の測定装置と同様に、導波管１５Ｂおよび検出部１３Ｂを除いた構成とすることができる。

以上のような第２実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定装置であっても、第１実施形態の測定装置と同様に、以降に説明する光誘起キャリアライフタイム測定方法および光入射効率測定方法に用いることが可能である。

≪３．第３実施形態≫
次に、光誘起キャリアライフタイム測定方法の第１例を説明する。以下の説明では、図１または図２に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置を用いて光誘起キャリアの実効ライフタイムを測定する方法、および実効光入射効率を測定する方法を説明する。

＜光誘起キャリアライフタイム測定方法＞
先ず予め、光誘起キャリアライフタイム測定方法に用いるデータテーブルを、次のようにして作成する。

先ず、試料となる半導体基体１０Ａにキャリアを発生させるための光の照射条件を設定する。ここでは、例えば図３Ａに示すように、光照射光源１２から光強度Ｉ_０の光を、所定周期を持って間歇的にパルス照射させることとする。このような光の周期的なパルス照射において、光の照射時間（パルス幅）を照射時間Ｔ１、光の非照射時間（パルス間隔）を非照射時間Ｔ２とする。照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２は、半導体における光誘起キャリア（少数キャリア）の実効ライフタイムの値をカバーする時間範囲で設定するのが好適である。一般にシリコン薄膜およびシリコン基板における上記の実効ライフタイムは、１μｓ〜０．０１ｓの範囲である。このため、照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２の時間範囲は１μｓ〜０．０１ｓ範囲とすることが好ましい。またここでは、照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２とを同じ時間（Ｔ１＝Ｔ２）として設定する。

また、測定光となるマイクロ波の発生条件を設定する。ここでは、例えば図３Ｂに示すように、マイクロ波発生源１１から、光のパルス照射に同期させて、周期的にマイクロ波を強度Ｊ_０で入射させることとする。このとき、光の照射時間Ｔ１と、マイクロ波の照射時間とが重ならないようにする。つまり、光の照射時間Ｔ１においてはマイクロ波を照射せず、光の非照射時間Ｔ２においてマイクロ波を照射する。

以上のように設定された光のパルス照射においては、光の照射によって半導体基体１０Ａに光誘起キャリアが生成され、光照射が終わると誘起された光誘起キャリアのキャリア密度ｎがライフタイムτ_ｅｆｆにしたがって減衰する。この減衰は以下の式（３）で表すことができる。

上記式（３）中のｎ_０は、光の照射を連続的にしたとき、つまり光照射光源１２からの光の照射を図３Ａに示すような周期的なパルス照射とせず、光を連続照射した場合に半導体基体１０Ａに発生する光誘起キャリアのキャリア密度である。

ここで、半導体基体１０Ａに周期的に光をパルス照射した場合のキャリア密度の時間変化の例を図３Ｃに示す。この図に示すように、半導体基体１０Ａでは、光の照射時間Ｔ１の間、キャリア密度が増加する。また、光の照射を停止する非照射時間Ｔ２の間、キャリア密度が低下する。先に設定したマイクロ波の発生条件では、このようにキャリア密度が低下するときに半導体基体１０Ａに対してマイクロ波が入射される。

入射したマイクロ波のうち半導体基体１０Ａを透過したマイクロ波の強度を検出し、検出したマイクロ波強度に基づいてマイクロ波透過率を算出し、算出したマイクロ波透過率を積分する。この積分によって得られた積分値は、非照射時間Ｔ２においてのキャリア密度ｎの平均値に対応した値となる。非照射時間Ｔ２においてのキャリア密度の平均値は、下記式（４）で表される。

上記式（４）より、キャリア密度ｎの積分平均値（積分値）は、照射時間Ｔ１、非照射時間Ｔ２、光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆ、および連続光照射時のキャリア密度ｎ_０に依存することがわかる。

ここで、上記式（４）において、照射時間Ｔ１と非照射時間Ｔ２とを同じ時間（Ｔ１＝Ｔ２）とした場合、キャリア密度ｎの平均値は、以下の式（５）で表される。

そこで上記式（５）を用いてデータテーブルを作成する。ここでは幾つかの異なる実効ライフタイムτ_ｅｆｆを設定し、上記式（５）を用いて、照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）の変化による、キャリア密度の平均値＜ｎ＞の変化を計算する。そして、実効ライフタイムτ_ｅｆｆ毎に、キャリア密度の平均値＜ｎ＞と連続光照射時のキャリア密度ｎ_０との比＜ｎ＞／ｎ_０を求めて照射時間Ｔ１に対して比＜ｎ＞／ｎ _０ をプロットする。これにより、図４のようなデータテーブルが得られる。

すなわち、図４のデータテーブルは、光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆ毎の、照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）に対する＜ｎ＞／ｎ_０の関係を示している。縦軸は、非照射時間Ｔ２において検出したマイクロ波透過強度に基づくキャリア密度＜ｎ＞と、連続光照射時のキャリア密度ｎ_０との比＜ｎ＞／ｎ_０である。横軸は、照射時間Ｔ１（ｍｓ）（＝非照射時間Ｔ２）を示す。図４では、実効ライフタイムτ_ｅｆｆを５×１０^−４（ｓ）から２．０×１０^−３（ｓ）まで、０．５×１０^−４（ｓ）毎に設定した。また各実効ライフタイムτ_ｅｆｆ毎に、照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）を、０から３ｍｓまで変化させて上記式（５）を用いてキャリア密度ｎ_０との比＜ｎ＞／ｎ_０を算出し、グラフ化している。

図４に示すように、＜ｎ＞／ｎ_０の最大値は、連続光照射時のキャリア密度ｎ_０の０．５倍である。また、＜ｎ＞／ｎ_０は、ライフタイムτ_ｅｆｆとＴ１に対して規則的な曲線を描く。

次に、図４のデータテーブルを用いることにより、光誘起キャリアの実効ライフタイムが未知の試料において、＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１との関係を求め、図４に示す各実効ライフタイムτ_ｅｆｆの曲線と比較することにより、実効ライフタイムを求める。

具体的には、先ず、図１または図２に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置の導波管１５Ａの間隙１６Ａに、試料となる半導体基体１０Ａを挿入する。この際、半導体基体１０Ａにおける光の照射面に接するように導光板１８を配置するか、または半導体基体１０Ａにおける光の照射面を反射拡散板１８’側に向けて配置する。また、半導体基体１０Ａ，１０Ｂは、マイクロ波発生源１１に対して同じ向きにして配置する。

次に、光照射光源１２から半導体基体１０Ａに、光を周期的にパルス照射する。光の照射条件は先に設定した条件であり、例えば図３Ａに示すように、照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２である。

また光のパルス照射と同期させて、マイクロ波発生源１１から半導体基体１０Ａ，１０Ｂにマイクロ波を照射する。マイクロ波の照射条件は、先に設定した条件であり、例えば図３Ｂに示すように、光のパルス照射に対して逆相とし、光の照射時間Ｔ１においてはマイクロ波を照射せず、光の非照射時間Ｔ２においてマイクロ波を照射する。

この状態で、半導体基体１０Ａ，１０Ｂを透過したマイクロ波を、検出部１３Ａ，１３Ｂで検出する。演算部１４では、検出部１３Ａ，１３Ｂで検出されたマイクロ波透過強度を足し合わせて増幅する。

また演算部１４では、光の各非照射期間Ｔ２において検出されるマイクロ波透過強度と、１つ前の非照射期間Ｔ２において検出されたマイクロ波透過強度とを比較する。そして、比較したマイクロ波透過強度の差が所定値以下となったところで、先の図３Ｃに示したように、周期的な光のパルス照射間においてのキャリア密度の時間変化が安定したと判断する。

キャリア密度が安定したと判断された後、演算部１４では、増幅されたマイクロ波強度に基づいて、マイクロ波透過率を算出してさらに積分値を得る。この積分値は、上述した式（５）で表され、所定の照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）においてのキャリア密度の平均値＜ｎ＞となる。尚、マイクロ波透過率の算出には、例えば参照用の半導体基体１０Ｂのマイクロ波透過率を用いれば良く、この値は予め求めておくこととする。

また演算部１４では、以上のようにして得られた所定の照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）においてのキャリア密度の平均値＜ｎ＞と、予めの測定によって算出しておいた連続光照射時のキャリア密度ｎ_０とから、＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１の関係を得る。尚、連続光照射時のキャリア密度ｎ_０は、上述の図１に示す測定装置を用いてマイクロ波透過強度を検出し、検出したマイクロ波透過強度の減衰率を解析することによって決定することができる。

ここでは、制御部１９によって、図４のデータテーブルを作成した際に設定した範囲で照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）を変更する。

そして変更した照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）毎に＜ｎ＞／ｎ_０を算出し、未知の試料に関して算出された＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１の関係を、図４のデータテーブルに示されているデータにフィティングさせる。これにより、未知の試料の実効ライフタイムτ_ｅｆｆを求める。

以上説明したように、本第３実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法では、光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆを求めるためのパラメータとして、試料となる半導体基体の表面反射率ｒが含まれていない。従来のマイクロ波光干渉吸収法では、半導体基体の表面反射率ｒが予め求められていなければならない。これに対して、本第３実施形態の光誘起キャリアライフタイムの測定方法では半導体基体の表面反射率を用いることなく、試料となる半導体基体１０Ａにおける光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆを測定することができる。

また、試料となる半導体基体に対して、光を周期的にパルス照射しているため、周期的な複数回のパルス照射毎に検出したマイクロ波強度の積分値を得ることにより、感度の高い測定結果を得ることができる。

したがって、半導体基体の表面の反射率は測定が困難な場合、特に、事実上反射率を決定することができないテクスチャを有するソーラーセル構造においても、光誘起キャリアの実効ライフタイムを高感度に求めることが可能である。また、微弱な光の照射であっても感度の高いマイクロ波の検出結果に基づいて実効ライフタイムを得ることが可能である。

＜光入射効率測定方法＞
次に、上述の方法で求められた光誘起キャリアの実効ライフタイムから、半導体基体の実効光入射効率を求める光入射効率測定方法を説明する。

先ず、半導体基体中に定常的に存在する光誘起キャリアのキャリア密度ｎは、前述した下記式（２）で示すことができる。式（２）において、ｒは実効表面反射率、Ｇは連続的に照射されている光の光強度（フォトン１個のエネルギー）、τ_ｅｆｆは実効ライフタイムである。ここで実効表面反射率ｒとは、試料となる半導体基体の表面においての光散乱などをも考慮した実際の反射率であり、例えばテクスチャ構造を有する半導体基体の表面においての反射率である。

上記式（２）において、キャリア密度ｎは連続光照射時の値（つまりｎ_０）であり、上述の図１に示す測定装置を用いてマイクロ波透過強度を検出し、検出したマイクロ波透過強度の減衰率を解析することによって決定することができる。また、フォトンフラックスＧは、光照射強度を精密に測定することにより決定することができる。さらに、実効ライフタイムτ_ｅｆｆは、上述の実施の形態の光誘起キャリアライフタイムの測定方法により求めることができる。

したがって、上述した光誘起キャリアライフタイム測定方法によって得られた実効ライフタイムτ_ｅｆｆに基づいて、上記式（２）を用いて、試料となる半導体基体１０Ａにおいての実効光入射効率（１−ｒ）を求めることができる。

また、周期的な光の照射の場合において光誘起キャリアのキャリア密度＜ｎ＞は、上記式（２）におけるフォトンフラックスＧの平均強度を、照射時間Ｔ１及び非照射時間Ｔ２に応じて下記式（６）のように変更することによって求めることができる。

したがって、上記式（６）を用いることにより、上述した光誘起キャリアライフタイム測定方法によって得られた実効ライフタイムτ_ｅｆｆに基づいて、試料となる半導体基体１０Ａにおいての実効光入射効率（１−ｒ）を求めることができる。

一般的に、半導体基体等の光反射率は、分光器を用いて光学的に決めることができる。しかし、半導体表面に酸化膜のような透明な異種薄膜が形成されている場合、反射率は光入射角度により大きく変化する。このため従来、実効光反射率を測定するには、光照射光源の試料に対する光入射角度分布を知る必要があった。また、半導体基体表面に凹凸がある場合には、光は乱反射され、反射された光の一部は再び半導体基体に入射する可能性がある。このため、表面に凹凸がある半導体基体では、実効反射率の分光的決定はさらに困難であった。

これに対して以上説明した本実施形態の方法によれば、光誘起キャリアのキャリア密度と、上述の本実施の形態の測定方法により得た光誘起キャリアの実効ライフタイムとを用いることにより、容易に半導体基体の実効光入射効率を決定できる。したがって、本発明の光入射効率測定方法は、複雑な凹凸のテクスチャ構造や複雑な光干渉を有することで表面の光反射率を測定が困難なソーラーセル構造においても、高精度に実効光入射効率を求めることが可能にある。しかも、上述した実効入射効率の測定には、周期的な複数回のパルス照射毎に検出したマイクロ波強度が用いられる。このため、感度の高い測定結果を得ることができる。

＜実施例１＞
［光誘起キャリアライフタイムの測定］
上述の光誘起キャリアライフタイム測定装置を用い、本第３実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法を適用して、半導体基体における光誘起キャリアの実効ライフタイムを求めた。

本実施例１では、試料となる半導体基体として、１００ｎｍの熱酸化膜がコーティングされた５２５μｍ厚のｎ型シリコン基板を用いた。このシリコン基板に、波長５３２ｎｍの光を、強度２０ｍＷ／ｃｍ^２で連続照射し、光誘起キャリアのキャリア密度ｎ_０を求めた。また、同じシリコン基板に、５３２ｎｍの光を、強度２０ｍＷ／ｃｍ^２で周期的にパルス照射し、照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）を変化させたときの、シリコン基板のキャリア密度＜ｎ＞をそれぞれ求めた。

図５に、本実施例1で求めたキャリア密度の比＜ｎ＞／ｎ_０と光の照射時間Ｔ１との関係を◆で示す。図５は、図４に示した＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１の計算値のデータテーブルに、本実施例１で求めた＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１との関係を重ねて示した図である。

図４に示す＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１の計算値と、図５に示す本実施例の＜ｎ＞／ｎ_０とＴ１の関係との比較により、本実施例１で試料として用いたシリコン基板における光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆは、約２．２×１０^-4（ｓ）であることがわかった。

＜実施例２＞
［光誘起キャリアライフタイムの測定および光入射効率の測定］
上述の光誘起キャリアライフタイム測定装置を用い、本第３実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法を適用して、半導体基体における実効ライフタイムを求め、さらに得られた実効ライフタイムから半導体基体における実効光入射効率を求めた。

本実施例２では、試料となる半導体基体として、１００ｎｍの熱酸化膜をコーティングされた５２５μｍ厚のｎ型シリコン基板を用いた。このシリコン基板の表面は鏡面研磨されており、裏面は研磨なしのラフ面であり、両面に熱酸化膜がコーティングされている。

このシリコン基板の鏡面表面と裏面ラフ面に、グリーン光面光源からの波長５３２ｎｍの光を、強度１．８ｍＷ／ｃｍ^２で連続照射し、鏡面表面および裏面ラフ面それぞれのキャリア密度ｎ_０を求めた。鏡面表面に対する連続光照射時のキャリア密度ｎ_０＝１．３２×１０¹²ｃｍ^-2、裏面ラフ面に対する連続光照射時のキャリア密度ｎ_０＝１．６８×１０¹²ｃｍ^-2であった。

また、同じシリコン基板の鏡面表面と裏面ラフ面に、グリーン光面光源からの波長５３２ｎｍの光を、強度１．８ｍＷ／ｃｍ^２で周期的にパルス照射し、照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）を変化させたときの、シリコン基板のキャリア密度＜ｎ＞をそれぞれ求めた。

図４に示したデータテーブルに、本実施例２で求めたキャリア密度の比＜ｎ＞／ｎ_０と、光の照射周期Ｔ１との関係を重ねて比較し、半導体基体における鏡面表面および裏面ラフ面それぞれに光照射した場合の光誘電キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆを求めた。鏡面表面及び裏面ラフ面のいずれの場合も、実効ライフタイムτ_ｅｆｆは約４．０×１０^-4（ｓ）であった。

次に、先に算出した鏡面表面に対する連続光照射時のキャリア密度ｎ_０（＝１．３２×１０¹²ｃｍ^-2）と、測定によって得られたフォトンフラックスＧ（＝４．８２×１０¹⁵ ｃｍ ^-2 ｓ ^-1 ）と、先に得られた実効ライフタイムτ_ｅｆｆ（＝約４．０×１０^-4（ｓ））と、上記式（６）から、実効入射効率（１−ｒ）を算出した。この結果、鏡面表面に対する実効光入射効率（１−ｒ）＝０．６８であり、実効的反射率ｒ＝０．３２であった。

さらに、先に算出した裏面ラフ面に対する連続光照射時のキャリア密度ｎ_０（＝１．６８×１０¹²ｃｍ^-2）と、測定によって得られたフォトンフラックスＧ（＝４．８２×１０¹⁵ ｃｍ ^-2 ｓ ^-1 ）と、先に得られた実効ライフタイムτ_ｅｆｆ（＝約４．０×１０^-4（ｓ））と、上記式（６）から、実効入射効率（１−ｒ）を算出した。この結果、裏面ラフ面に対する実効光入射効率（１−ｒ）＝０．８７であり、実効的反射率ｒ＝０．１３であった。

尚、上述の第３実施形態では、マイクロ波透過強度の積分値に対応して得られる非照射時間Ｔ２（＝照射時間Ｔ１）においてのキャリア密度の平均値＜ｎ＞を規格化するために、連続光照射時のキャリア密度ｎ_０に対するキャリア密度の平均値＜ｎ＞の値＜ｎ＞／ｎ_０を用いた。しかしながら、キャリア密度の平均値＜ｎ＞は、規格化せずにそのまま用いても良い。また非照射時間Ｔ２（＝照射時間Ｔ１）においてのキャリア密度の平均値＜ｎ＞を、照射時間Ｔ１においてのキャリア密度の平均値に対する値として規格化しても良い。この場合、照射時間Ｔ１においてもマイクロ波透過強度の測定を行うこととする。

≪４．第４実施形態≫
次に、光誘起キャリアライフタイム測定方法の第２例を説明する。以下の説明では、図１または図２に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置を用いて光誘起キャリアの実効ライフタイムを測定する方法、および光入射効率を測定する方法を、図６のフローチャートを用いて説明する。

先ず、図１または図２に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置における導波管１５Ａの間隙１６Ａに、試料となる半導体基体１０Ａを挿入する。この際、半導体基体１０Ａにおける光の照射面に接するように導光板１８を配置するか、または半導体基体１０Ａにおける光の照射面を反射拡散板１８’側に向けて配置する。また、導波管１５Ｂの間隙１６Ｂに、参照用の半導体基体１０Ｂを挿入する。半導体基体板１０Ａ，１０Ｂは、マイクロ波発生源１１に対して同じ向きにして配置することが好ましい。

この状態においてステップＳ１では、試料となる半導体基体１０Ａに対して、光照射光源１２から光を周期的にパルス照射する。また同時に、試料となる半導体基体１０Ａおよび参照用の半導体基体１０Ｂに対して、マイクロ波発生源１１から測定用のマイクロ波を照射する。

光のパルス照射は、図７Ａに示すように、光強度Ｉ_０で、かつ照射時間Ｔ１／非照射時間Ｔ２の周期で行う。この際、照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２＝時間Ｔとなる所定の時間Ｔに設定した光のパルス照射を行なう。照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２としては、第３実施形態と同様に０．０１ｍｓ〜０．１ｓの範囲とすることができ、特に０．０１ｍｓ〜１０ｍｓの範囲とすることが好ましい。

マイクロ波の照射は、図７Ｂに示すように、強度Ｊ_０で_、かつ光の照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２を通して連続して行われる。ここでは、例えば９．３５ＧＨｚのマイクロ波を用いることとする。

次のステップＳ２では、先のステップＳ１で半導体基体１０Ａ，１０Ｂに照射され、さらにこれらの半導体基体１０Ａ，１０Ｂを透過したマイクロ波を、検出部１３Ａ，１３Ｂで検出する。ここでは、先に説明したように検出部１３Ａ，１３Ｂでのマイクロ波の検出により、検波増幅されたマイクロ波透過強度Ｊが得られる。

次に、ステップＳ３では、演算部１４において、先のステップＳ２で得られたマイクロ波透過強度Ｊと、設定された照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２＝時間Ｔとに基づいて、下記式（７）に示すように光誘起キャリアのキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を算出する。ここで算出するキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）は、照射時間Ｔ１（０→Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_onに対しての、非照射時間Ｔ２（Ｔ→２Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_offの比である。

式（７）において、Ｔｒはマイクロ波の透過率であり、Ｔｒ_０は光をパルス照射するより以前の暗状態においてのマイクロ波の透過率である。これらのマイクロ波透過率Ｔｒ，Ｔｒ_０の算出には、例えば予め求められている参照用の半導体基体１０Ｂのマイクロ波透過率を用いれば良い。また、暗状態におけるマイクロ波透過率Ｔｒ_０は、ステップＳ１からの測定開始前に予め算出されていることとする。

尚、演算部１４では、以上のような式（７）を用いたキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）の算出に先立ち、以下のような判断を行うこととする。すなわち、ステップＳ２で得られるマイクロ波透強度を、光のパルス照射における連続した２つの周期間で比較する。そして、比較したマイクロ波透過強度の差が所定値以下となったところで、先の図７Ｃに示したように、周期的な光のパルス照射間においてのキャリア密度の時間変化が安定したと判断する。その後上記ステップＳ３の算出を行う。

次に、ステップＳ４では、演算部１４において、先のステップＳ３で算出されたキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）として、Ｐ（Ｔ）＝０．８５９またはＰ（Ｔ）＝０．６１５が得られたか否かを判断する。Ｐ（Ｔ）＝０．８５９およびＰ（Ｔ）＝０．６１５の両方の結果が得られていない場合にはステップＳ５に進み、Ｐ（Ｔ）＝０．８５９およびＰ（Ｔ）＝０．６１５の両方の結果が得られた場合のみにステップＳ６に進む。

ステップＳ５では、ステップＳ１においての光の周期的なパルス照射の時間Ｔ（＝照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２）を変更する。ここでは、演算部１４において、ステップＳ３で算出された結果をフィードバックして、キャリア密度の比Ｐ（Ｔ）がＰ（Ｔ）＝０．８５９またはＰ（Ｔ）＝０．６１５に近づくように時間Ｔを変更する。

その後、ステップＳ１では、ステップＳ５で変更した時間Ｔの周期で、試料となる半導体基体１０Ａに光を周期的にパルス照射すると共に、半導体基体１０Ａ，１０Ｂに測定用のマイクロ波を照射する。このような光のパルス照射とマイクロ波の照射とは、演算部１４において変更された時間Ｔに基づいて、マイクロ波発生源１１と光照射光源１２とを制御することによって行う。このようなマイクロ波発生源１１および光照射光源１２の制御は、演算部１４に接続された制御部１９によって行われる。

以降は、ステップＳ４においてＰ（Ｔ）＝０．８５９およびＰ（Ｔ）＝０．６１５の両方の結果が得られたと判断されるまで、ステップＳ１〜Ｓ５を繰り返し行う。

一方、ステップＳ４においてＰ（Ｔ）＝０．８５９およびＰ（Ｔ）＝０．６１５の両方の結果が得られたと判断された場合、ステップＳ６では、下記式（８）を用いて、光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆを算出する。ただし、Ｔ（Ｐ＝０．８５９）は、ステップＳ３で得られたＰ（Ｔ）＝０．８５９を与える時間Ｔである。またＴ（Ｐ＝０．６１５）は、ステップＳ３で得られたＰ（Ｔ）＝０．６１５を与える時間Ｔである。尚、式（８）については、以降に詳細を説明する。

以上の第４実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法によって得られる実効ライフタイムτ_ｅｆｆは、以下の実施例３で説明するように、連続光照射における光誘起キャリアのライフタイムに対して整合性良好であることが確認された。

このような第４実施形態の光誘起キャリアライフタイムの測定方法であっても、試料となる半導体基体の表面反射率ｒをパラメータとして用いることなく、光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆが求められる。また、試料となる半導体基体に対して、光を周期的にパルス照射しているため、周期的な複数回のパルス照射毎に検出したマイクロ波強度の積分値を得ることにより、感度の高い測定結果を得ることができる。

したがって第３実施形態の方法と同様に、半導体基体の表面の反射率は測定が困難な場合、例えば事実上反射率を決定することができないテクスチャを有するソーラーセル構造においても、光誘起キャリアの実効ライフタイムを高感度に求めることが可能である。

尚、上述した第４実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法では、ステップＳ２で得られたキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）をフィードバックし、Ｐ（Ｔ）＝０．８５９またはＰ（Ｔ）＝０．６１５に近づくように、ステップＳ４において時間Ｔを変更した。しかしながら、本第４実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法は、このような手順に限定されることはなく、所定の範囲で時間Ｔを順次変更しても良い。この場合、順次変更した各時間Ｔでの光の照射で得られたキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）のなかから、Ｐ（Ｔ）＝０．８５９およびＰ（Ｔ）＝０．６１５を見つけ出し、これらに対応するＴ（Ｐ＝０．８５９）およびＴ（Ｐ＝０．６１５）を得る。

＜式（８）について＞
本第４実施形態で用いた式（８）は、以下のようにして導き出した。

半導体基体において、深さｘ、時間ｔでのキャリア体積密度ｎ（ｘ、ｔ）とすると、基板厚ｄの半導体基体における単位面積あたりのキャリア密度Ｎ（ｔ）は、下記（９）のように計算される。

また、先の式（７）のように定義した光誘起キャリアのキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）は、上記式（９）の単位面積あたりのキャリア密度Ｎ（ｔ）を用いて、下記式（１０）のように表される。尚、キャリア密度の比Ｐ（Ｔ）は、照射時間Ｔ１（０→Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_onに対しての、非照射時間Ｔ２（Ｔ→２Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_offの比である。

ここで、試料となる半導体基体の欠陥がバルク欠陥のみである場合、光照射側の表面再結合速度Ｓtop＝０、および光照射に対する裏面側の表面再結合速度Ｓrear＝０である。この場合、照射時間Ｔ１（０→Ｔ）においてのキャリア密度Ｎ_on、および非照射時間Ｔ２（Ｔ→２Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_offは、少数キャリアのバルクライフタイムτ_ｂを用いて、下記式（１１）、（１２）のように表される。

式（１１）および式（１２）に基づいて、式（１０）を書き換えると、下記式（１３）が与えられる。

上記式（１３）においてＴ＝τ_ｂ、Ｔ＝２τ_ｂとすると、下記式（１４）および式（１５）となる。

以上の式（１４）で表される数値を用い、キャリア密度の比Ｐ（Ｔ）が０．８５９のときの照射時間Ｔ１(パルス幅）を、下記式（１６）で示されるτ_pulseとした。

また、下記式（１７）のようにＲを定義した。Ｔ（Ｐ＝０．６１５）は、Ｐ（Ｔ）＝０．６１５のときの照射時間Ｔ１である。Ｔ（Ｐ＝０．８５９）は、Ｐ（Ｔ）＝０．８５９のときの照射時間Ｔ１である。

以上のようにして定義したτ_pulseとＲとを用いて、上記式（８）を表した。

＜光入射効率測定方法＞
第４実施形態で説明した測定方法で得られた光誘起キャリアの実効ライフタイムから、半導体基体の実効光入射効率を求める光入射効率測定方法は、第３実施形態において説明したと同様に行われる。

＜実施例３＞
［光誘起キャリアライフタイムの測定］
上述の光誘起キャリアライフタイム測定装置を用い、本第４実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法を適用して、半導体基体における光誘起キャリアの実効ライフタイムを求めた。

本実施例３では、半導体基体として、欠陥分布が異なる各シリコン基板について、光の照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２＝時間Ｔに対するキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を、式（７）を用いて計算により算出した。各シリコン基板は、少数キャリア(光誘起キャリア）のバルクライフタイムτ_ｂ、光照射側の表面再結合速度Ｓtop、および光照射に対する裏面側の表面再結合速度Ｓrearが、それぞれの値に設定されている。これらの値は、半導体基体における各部位（すなわちバルク、光照射側面、およびその裏面）の欠陥の多さを示す値である。

図８には、シリコン基板の少数キャリアがホールである場合の、時間Ｔに対するキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を示した。図９には、シリコン基板の少数キャリアが電子である場合の、時間Ｔに対するキャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を示した。

次に、以上の各欠陥分布を有するシリコン基板について、図８，９に示すような時間Ｔ−キャリア密度の比Ｐ（Ｔ）を解析することにより、第４実施形態で示した上記式（８）を用いて実効ライフタイムτ_ｅｆｆを算出した。図１０には、式（８）を用いて算出した実効ライフタイムτ_ｅｆｆと、下記式（１８）から得られる連続光照射における光誘起キャリアのライフタイムとの関係を示した。

図１０に示すように、本第４実施形態の式（８）を用いて算出した実効ライフタイムは、式（１８）に示した光連続照射時における光誘起キャリアのライフタイムと一致している。このことから、本第４実施形態で説明した方法により、半導体基体においての光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆが高精度に得られることが確認された。

尚、上述の第４実施形態では、キャリア密度の比Ｐ（Ｔ）として、照射時間Ｔ１（０→Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_onに対しての、非照射時間Ｔ２（Ｔ→２Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_offの比を用いた。しかしながら、キャリア密度の比Ｐ（Ｔ）がこれに限定されることはなく、例えば、連続照射においてのキャリア密度ｎ_０に対しての、非照射時間Ｔ２（Ｔ→２Ｔ）においての平均キャリア密度Ｎ_offの比であってもよい。この場合、式（８）のＲを構成するＴ(Ｐ)は、他の適する値が用いられる。

≪５．第５実施形態≫
次に、光誘起キャリアライフタイム測定方法の第３例を説明する。ここでは、図１または図２に示す光誘起キャリアライフタイム測定装置を用いて、半導体基体における光誘起キャリアの実効ライフタイムの面分布を測定する方法を説明する。

先ず、試料となる半導体基体１０Ａのマイクロ波の照射面側を、複数の領域に領域分けする。ここでは例えば、半導体基体１０Ａのマイクロ波の照射面側を１ｃｍ×０．５ｃｍの各領域に分割する。

次に、分割した各領域毎に、上述した第３実施形態または第４実施形態の光誘起キャリアライフタイム測定方法を実施し、各領域における光誘起キャリアの実効ライフタイムを測定する。この場合、光誘起キャリアライフタイム測定装置に設けられた可動ステージによって、半導体基体１０Ａをマイクロ波の入射方向に対して垂直方向に自在に移動させることで、半導体基体１０Ａの各領域に対して選択的にマイクロ波を照射させて測定を行う。または、光誘起キャリアライフタイム測定装置に設けられたマイクロ波走査手段によって、マイクロ波の照射位置を移動させることで、半導体基体１０Ａの各領域に対して選択的にマイクロ波を照射させて測定を行う。

以上のような第５実施形態の光誘起キャリアライフタイムの測定方法により、光誘起キャリアの実効ライフタイムの面分布を得ることが可能である。この面分布の測定には、より高い周波数のマイクロ波を用いることにより、空間分解能の高い測定を行うことが可能である。

＜光入射効率測定方法＞
第５実施形態で説明した測定方法で得られた光誘起キャリアの実効ライフタイムから、半導体基体の実効光入射効率を求める光入射効率測定方法は、第３実施形態において説明したと同様に行われる。

＜実施例４＞
［光誘起キャリアライフタイムの測定］
図１１には、半導体基体の各領域について算出した実効ライフタイムτ_ｅｆｆの分布図を示す。測定には、９．３５ＧＨｚのマイクロ波を用いた。これにより、空間分解能１ｃｍ程度の光誘起キャリアライフタイムの測定が可能であることが確認された。

以上説明した第１実施形態〜第５実施形態においては、半導体基体を透過したマイクロ波を検出する測定装置および測定方法を説明した。しかしながら本発明は、半導体基体で反射したマイクロ波を検出する測定装置および測定方法であっても良い。

この場合、光誘起キャリアライフタイム測定装置であれば、図１および図２を用いて説明した構成において、検出部１３Ａ，１３Ｂの位置を、マイクロ波発生源１１が設けられている導波管１５から分岐させた位置に配置すれば良い。また光誘起キャリアライフタイム測定方法であれば、上述したマイクロ波透過強度を、マイクロ波反射強度に読み替えれば良い。

また、上述の各実施形態および実施例においては、照射時間Ｔ１と非照射時間Ｔ２とが同じ場合について説明しているが、本発明ではＴ１＝Ｔ２に限られず、Ｔ１およびＴ２を、それぞれ適宜設定することができる。

なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。

１０Ａ…半導体基体（試料）、１０Ｂ…半導体基体（参照用）、１１…マイクロ波発生源、１２…光照射光源、１３Ａ，１３Ｂ…検出部、１４…演算部、１５，１５Ａ，１５Ｂ…導波管、１６Ａ、１６Ｂ…間隙、１７…光ファイバ、１８…導光板、１８’…反射拡散板、１９…制御部

Claims (11)

1. 半導体基体に対して照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２とした異なる各周期で光をパルス照射し、
   前記各周期毎に前記非照射時間Ｔ２において前記半導体基体にマイクロ波を照射し、前記半導体基体を透過するかまたは当該半導体基体で反射した前記マイクロ波を検出し、
   前記各非照射時間Ｔ２において検出したマイクロ波強度の積分値に対応する光誘起キャリア密度と、前記半導体基板に対して前記光を連続照射した場合においての光誘起キャリア密度の比を算出し、
   予め用意された異なる複数の値に仮定した実効ライフタイム毎に前記照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）と前記光誘起キャリア密度の比との関係をプロットしたデータテーブルに対して、前記各照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）毎に算出した光励起キャリア密度の比をフィッティングさせることにより、前記半導体基体に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムを得る
   光誘起キャリアライフタイム測定方法。
2. 半導体基体に対して照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２とした異なる各周期で光をパルス照射し、
   前記各周期毎に前記照射時間Ｔ１および前記非照射時間Ｔ２において前記半導体基体に対して連続的にマイクロ波を照射し、前記半導体基体を透過するかまたは当該半導体基体で反射した前記マイクロ波を検出し、
   前記非照射時間Ｔ２において検出したマイクロ波強度の積分値に基づく光誘起キャリア密度と、前記照射時間Ｔ１において検出したマイクロ波強度の積分値に基づく光誘起キャリア密度との比Ｐ（Ｔ）を算出し、
   Ｐ（Ｔ）＝０．８５９、Ｐ（Ｔ）＝０．６１５となる前記照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）をそれぞれ特定し、
   下記式（８）を用いて実効ライフタイムτ _ｅｆｆ を算出する
   光誘起キャリアライフタイム測定方法。
   Ｔは、Ｔ＝Ｔ１＝Ｔ２となる時間であり、
   Ｔ（Ｐ＝０．８５９）は、キャリア密度比Ｐ（Ｔ）＝０．８５９が得られる時間であって前記それぞれ特定した時間Ｔ１＝Ｔ２の一方であり、
   Ｔ（Ｐ＝０．６１５）は、キャリア密度比Ｐ（Ｔ）＝０．６１５が得られる時間であって前記それぞれ特定した時間Ｔ１＝Ｔ２の他方である。
3. 前記半導体基体の一主面を領域分けし、当該各領域に対して個別に前記マイクロ波を照射することにより、当該各領域について前記光誘起キャリアの実効ライフタイムを個別に得る
   請求項１または２に記載の光誘起キャリアライフタイム測定方法。
4. 前記光は、照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２が、０．０１ｍｓから１０ｍｓの範囲内で変化する
   請求項１〜３の何れかに記載の光誘起キャリアライフタイム測定方法。
5. 前記光は、波長２５０ｎｍ以上、２５００ｎｍ以下である
   請求項１〜４の何れかに記載の光誘起キャリアライフタイム測定方法。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の光誘起キャリアライフタイム測定方法によって半導体基体に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムτ_ｅｆｆを得た後、
   下記式（２）から前記半導体基体においての光入射効率（１−ｒ）を求める
   光入射効率測定方法。
   ただし式中、ｒは表面反射率、ｎは光誘起キャリアのキャリア密度、Ｇは光強度（フォトン１個のエネルギー）である。
7. 前記キャリア密度は、前記非照射時間Ｔ２において検出したマイクロ波強度の積分値に基づいて求められる
   請求項６に記載の光入射効率測定方法。
8. 試料に光誘起キャリアを発生させるための光をパルス照射する光照射光源と、
   前記試料に照射するマイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、
   前記試料を透過するかまたは当該試料で反射した前記マイクロ波を検出する検出部と、
   前記光の周期的な複数回のパルス照射に際しての照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２と、前記検出部で検出したマイクロ波の強度の積分値とに基づいて、当該光のパルス照射によって前記試料に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムを算出する演算部とを備え、
   前記光照射光源は、前記試料に対して照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２とした異なる各周期で光をパルス照射し、
   前記マイクロ波発生源は、前記各周期毎に前記非照射時間Ｔ２において前記試料にマイクロ波を照射し、
   前記演算部は、前記各非照射時間Ｔ２において検出したマイクロ波強度の積分値に対応する光誘起キャリア密度と、前記試料に対して前記光を連続照射した場合においての光誘起キャリア密度の比を算出し、
   予め用意された異なる複数の値に仮定した実効ライフタイム毎に前記照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）と前記光誘起キャリア密度の比との関係をプロットしたデータテーブルに対して、前記各照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）毎に算出した光励起キャリア密度の比をフィッティングさせることにより、前記試料に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムを得る
   光誘起キャリアライフタイム測定装置。
9. 試料に光誘起キャリアを発生させるための光をパルス照射する光照射光源と、
   前記試料に照射するマイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、
   前記試料を透過するかまたは当該試料で反射した前記マイクロ波を検出する検出部と、
   前記光の周期的な複数回のパルス照射に際しての照射時間Ｔ１および非照射時間Ｔ２と、前記検出部で検出したマイクロ波の強度の積分値とに基づいて、当該光のパルス照射によって前記試料に発生した光誘起キャリアの実効ライフタイムを算出する演算部とを備え、
   前記光照射光源は、前記試料に対して照射時間Ｔ１＝非照射時間Ｔ２とした異なる各周期で光をパルス照射し、
   前記マイクロ波発生源は、前記各周期毎に前記照射時間Ｔ１および前記非照射時間Ｔ２において前記試料に対して連続的にマイクロ波を照射し、
   前記演算部は、前記非照射時間Ｔ２において検出したマイクロ波強度の積分値に基づく光誘起キャリア密度と、前記照射時間Ｔ１において検出したマイクロ波強度の積分値に基づく光誘起キャリア密度との比Ｐ（Ｔ）を算出し、
   Ｐ（Ｔ）＝０．８５９、Ｐ（Ｔ）＝０．６１５となる前記照射時間Ｔ１（＝非照射時間Ｔ２）をそれぞれ特定し、
   下記式（８）を用いて実効ライフタイムτ _ｅｆｆ を算出する
   光誘起キャリアライフタイム測定装置。
   Ｔは、Ｔ＝Ｔ１＝Ｔ２となる時間であり、
   Ｔ（Ｐ＝０．８５９）は、キャリア密度比Ｐ（Ｔ）＝０．８５９が得られる時間であって前記それぞれ特定した時間Ｔ１＝Ｔ２の一方であり、
   Ｔ（Ｐ＝０．６１５）は、キャリア密度比Ｐ（Ｔ）＝０．６１５が得られる時間であって前記それぞれ特定した時間Ｔ１＝Ｔ２の他方である。
10. 前記マイクロ波発生源から発生したマイクロ波を、前記試料の一主面を領域分けした各領域に対して選択的に照射するための位置合わせ手段を備えた
    請求項８または９に記載の光誘起キャリアライフタイム測定装置。
11. 請求項８〜１０の何れかに記載の光誘起キャリアライフタイム測定装置を用いた光入射効率測定装置であって、
    前記演算部は、算出した前記実効ライフタイムτ _ｅｆｆ に基づいて、下記式（２）から前記試料においての光入射効率（１−ｒ）を求める
    光入射効率測定装置。
    ただし式中、ｒは表面反射率、ｎは光誘起キャリアのキャリア密度、Ｇは光強度（フォトン１個のエネルギー）である。