JP6142761B2 - Ｘ線分析方法及びｘ線分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線分析方法及びＸ線分析装置に関するものである。

ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の光半導体デバイス以外にも、パワーデバイスとしての用途がある。特に、窒化物半導体は、バンドギャップが広いため、パワーデバイスへの用途が有望とされている。このようなパワーデバイスとしては、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体により、電子走行層と電子供給層を形成した構造の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）がある。ＨＥＭＴでは、電子走行層と電子供給層との界面近傍における電子走行層に２ＤＥＧ（two dimensional electron gas：２次元電子ガス）が生成される。２ＤＥＧにおける電子は、界面近傍における電子走行層を移動するため、特に、電子走行層は、高品質な結晶、即ち、高品質なエピタキシャル成長により形成された結晶であることが好ましい。

ここで、高品質な結晶とは、結晶配列に乱れがなく、原子空孔が、殆どない状態のものをいう。尚、原子空孔とは、結晶の格子において原子が欠損している部分を意味する。電子走行層等において、原子空孔が存在していると、原子空孔はトラップサイトとなるため、ＨＥＭＴにおける電気的特性を大きく低下させてしまい、好ましくない。従って、電子走行層は、原子空孔のない、または、少ない結晶により形成されていることが重要となる。

ところで、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体において、電子走行層を形成するための材料としては、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ以外にも、窒化物半導体であって、バンドギャップの広いＧａＮ等が用いられている。これらの半導体材料により電子走行層を形成する場合、同じ化合物半導体により形成された基板を用い、エピタキシャル成長させることにより、電子走行層を高品質な結晶により容易に形成することができる。例えば、ＧａＡｓ基板を用い、ＧａＡｓ基板の上に、ＧａＡｓからなる電子走行層をエピタキシャル成長させることにより、電子走行層を高品質なＧａＡｓの結晶により形成することができる。

しかしながら、これらの化合物半導体からなる基板は非常に高価であり、また、大口径のものも存在しないため、実際に製品において用いることは、高コストなものとなるため、実用的ではない。このため、低コストで化合物半導体により形成された半導体装置を得るため、基板として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、更には、より安価なシリコン（Ｓｉ）基板を用いることが考えられている。例えば、基板としてＳｉ基板を用いる場合には、Ｓｉ基板の上に、超格子構造からなる超格子バッファ層を化合物半導体により形成し、形成された超格子バッファ層の上に、ＧａＮをエピタキシャル成長させることにより、高品質なＧａＮの結晶を得る方法がある。

ところで、化合物半導体の結晶により形成された膜において、結晶配列の乱れを評価する方法としては、一般的に、Ｘ線回折（ＸＲＤ：X‐ray diffraction）法が用いられている（例えば、特許文献１）。具体的には、Ｘ線回折法においては、例えば、ＧａＮ（０００２）等の対称回折ピークのロッキングカーブ測定における半値幅（チルト）から、基板面に対する垂直方向の結晶方位の乱れを判定することができる。また、ＧａＮ（１０−１０）等の非対称回折ピークの面内回転測定における半値幅（ツイスト）から、基板面に対する面内方向の結晶方位の乱れを判定することができる。

また、結晶における原子空孔を評価する方法としては、一般的に、フォトルミネッセンス（ＰＬ：Photoluminescence）法が用いられている（例えば、特許文献２）。具体的には、波長５７０ｎｍ近傍に現れるイエロールミネッセンスの強度が、ＩＩＩ族元素（Ｇａ等）の原子空孔量に敏感とされており、これにより、ＩＩＩ族元素（Ｇａ等）の原子空孔量の測定をすることが可能である。

また、ＰＬ法ほど一般的には用いられていないが、別の空孔評価法としては、陽電子消滅法がある（例えば、特許文献３）。陽電子消滅法では、結晶が形成されている試料に、陽電子を照射し、陽電子の消滅時に発生するガンマ線を検出することにより、消滅するまでの時間を計測する方法である。陽電子の消滅時間は、空孔に敏感とされており、感度は空孔の電荷に大きく依存する。例えば、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の場合においては、ＩＩＩ族元素であるＧａ空孔やＩｎ空孔の検出に用いることができる。

特開２００９−１４７２７１号公報 特開２０１２−８９６５１号公報 特開２０１１−２７５２８号公報 特開２０１２−２２９２４号公報

しかしながら、ＰＬ法及び陽電子消滅法は、いずれもＩＩＩ族元素の原子空孔に敏感であるため、ＩＩＩ族元素の原子空孔を評価することは可能であるが、Ｖ族元素の原子空孔、即ち、Ｎ空孔やＡｓ空孔やＰ空孔については十分に検出することができない。即ち、従来の方法では、ＩＩＩ族元素の原子空孔の検出及び評価は行なうことが可能であるが、Ｖ族元素の原子空孔、即ち、Ｎ空孔やＡｓ空孔やＰ空孔については十分に検出することができず、化合物半導体における原子空孔の評価を十分に行なうことができない。

因みに、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体において、Ｇａ空孔やＩｎ空孔等のＩＩＩ族元素の原子空孔が多いとp型半導体になりやすく、Ｎ空孔やＡｓ空孔やＰ空孔等のＶ族元素の原子空孔が多いとn型半導体になりやすい。よって、原子空孔が存在していると、電気的特性等が所望の特性と異なる特性となるため、好ましくない。また、ＩＩＩ族元素の原子空孔とＶ族元素の原子空孔との間には、相関関係があるか否かは明確ではなく、ＩＩＩ族元素の原子空孔のみの評価に基づいて、成膜条件等を制御してエピタキシャル成長させた場合、高品質な結晶が得られない場合がある。

よって、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体における結晶の評価において、ＩＩＩ族元素の原子空孔のみならず、Ｖ族元素の原子空孔の評価を行なうことのできるＸ線分析方法及びＸ線分析装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、Ｘ線回折により、化合物半導体を含む試料における化合物半導体の原子空孔を分析するＸ線分析方法において、前記化合物半導体に原子空孔がある場合における消滅則ピークの強度を計算により導出する工程と、前記試料にＸ線を照射し、前記試料における化合物半導体の消滅則ピークの強度を測定する工程と、前記計算により算出された消滅則ピークの強度と、前記測定された消滅則ピークの強度とに基づき、前記Ｘ線の照射された前記試料における化合物半導体の原子空孔率を導出する工程と、を有することを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、Ｘ線回折により、化合物半導体を含む試料における化合物半導体の原子空孔を分析するＸ線分析方法において、前記試料にＸ線を照射し、前記試料における化合物半導体の消滅則ピークの強度を測定する工程と、予め計算により得られた前記化合物半導体における原子空孔と消滅則ピークの強度との関係と、前記測定された消滅則ピークの強度とに基づき、前記Ｘ線の照射された前記試料における化合物半導体の原子空孔率を導出する工程と、を有することを特徴とする。

また、本実施の形態の他の一観点によれば、化合物半導体を含むものにより形成されている試料にＸ線を照射するＸ線源と、前記試料を設置する試料台と、前記試料台を回転させる試料台回転機構部と、前記試料において回折されたＸ線を検出する検出器と、前記検出器を回転させる検出器回転機構部と、前記化合物半導体における原子空孔と消滅則ピークの強度との関係が記憶されている記憶部と、前記記憶部に記憶されている前記化合物半導体の原子空孔と消滅則ピークの強度との関係と、前記試料にＸ線を照射することにより測定された前記化合物半導体における消滅則ピークの強度とに基づき、前記試料における前記化合物半導体の原子空孔率を導出する演算部と、を有することを特徴とする。

開示のＸ線分析方法及びＸ線分析装置によれば、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体における結晶の評価において、ＩＩＩ族元素の原子空孔のみならず、Ｖ族元素の原子空孔の評価を行なうことができる。

第１の実施の形態におけるＸ線分析装置の構造図 第１の実施の形態におけるＸ線分析方法のフローチャート ＧａＮ（０００１）における原子空孔率とＸ線の強度の平方根との相関図 ＧａＮ（０００３）における原子空孔率とＸ線の強度の平方根との相関図 第２の実施の形態におけるＸ線分析方法により測定される試料の構造図 超格子バッファ層の干渉に起因する成分が重畳されているＸ線の強度分布図 超格子バッファ層の干渉に起因する成分が除去されているＸ線の強度分布図 ＧａＮに照射されるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの相関図 ＧａＡｓに照射されるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの相関図 ＧａＰに照射されるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの相関図 ＩｎＰに照射されるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの相関図 第３の実施の形態におけるＸ線分析方法の説明図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（Ｘ線分析装置）
第１の実施の形態におけるＸ線分析装置について説明する。本実施の形態におけるＸ線分析装置は、図１に示されるように、Ｘ線源１０、単色器２０、試料台３０、試料台回転機構部４０、検出器５０、検出器回転機構部６０、計測部７０、情報処理部８０、制御部９０等を有している。尚、本実施の形態におけるＸ線分析装置は、制御部９０により制御がなされる。

試料台３０には、分析の対象となる試料１００が設置されており、試料台回転機構部４０により、試料台３０を回転させることにより、試料１００を回転させることができる。また、検出器５０は、検出器回転機構部６０により、試料１００を軸に回転させることができる。検出器５０は、計測部７０が接続されており、計測部７０には情報処理部８０が接続されている。計測部７０には、アンプ部７１、シングルチャネルアナライザ（ＳＣＡ）７２、スケーラ７３等を有している。情報処理部８０には、各種演算を行なう演算部８１、記憶部８２、表示部８３等を有している。本実施の形態においては、試料は化合物半導体を含むものであって、バルクの化合物半導体結晶であってもよく、不図示の基板等にエピタキシャル成長等により化合物半導体層が形成されているものであってもよい。尚、本実施の形態におけるＸ線分析装置は、試料における化合物半導体の原子空孔の分析を行なうものである。

Ｘ線源１０からは、連続的なエネルギ分布を有する白色Ｘ線が出射され、単色器２０に入射する。単色器２０では、白色Ｘ線を分光することにより単色化し、特定のエネルギのＸ線である単色Ｘ線にすることができる。単色器２０には、Ｇｅ結晶やＳｉ結晶を用いることができる。単色器２０において単色化された単色Ｘ線は、試料台３０に設置された試料１００に照射される。試料１００が設置される試料台３０を試料台回転機構部４０により回転させることにより、試料１００に所望の入射角度で、単色Ｘ線を入射させることができる。

試料１００に入射した単色Ｘ線は、試料１００において回折されて、検出器５０に入射する。検出器５０は、検出器回転機構部６０により回転させることができ、試料１００において回折されたＸ線のうち、計測したいＸ線を検出するため、検出器５０における位置が、所望となる２θとなる角度となるように調整することができる。尚、検出器５０としては、シンチレーション計数管や比例計数管などの０次元検出器の他、位置敏感型比例計数管などの１次元検出器や、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の２次元検出器を用いてもよい。

検出器５０では、入射したＸ線の強度に応じた電気信号が出力され、この電気信号は計測部７０に入力し、計測部７０に入力した電気信号は、アンプ部７１において増幅された後、シングルチャネルアナライザ７２を介して、スケーラ７３に入力されて計測される。このように、スケーラ７３において計測された情報は、情報処理部８０に送信され、情報処理部８０における記憶部８２に記憶され、計測された情報に基づき、演算部８１における解析プログラム等により、原子空孔率等が算出され、表示部８３に表示される。

（Ｘ線分析方法）
次に、本実施の形態におけるＸ線分析方法について説明する。一例として、図２に基づき、試料１００がＧａＮの場合について説明する。尚、本実施の形態においては、ＧａＮにおけるＸ線回折の消滅則におけるＸ線の強度のピークをＧａＮの消滅則ピークと記載する場合がある。また、本実施の形態においては、Ｘ線回折の消滅則とは、ブラッグ反射の条件を満たしていても、原子欠陥のない完全な結晶の場合には、Ｘ線回折における回折像が出現しない規則をいう。

最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）において、原子位置や原子散乱因子等に基づき、ＧａＮの消滅則ピークの計算による強度Ｉ_Ｃ（例えば、Ｉ_Ｃ１及びＩ_Ｃ２等）を導出する。具体的には、試料１００の原子位置や原子散乱因子等のデータベースを予め記憶部８２等に記憶させておき、記憶部８２等に記憶されている試料１００のデータベースのデータに基づき、ＧａＮの消滅則ピークの計算による強度Ｉ_Ｃを導出する。例えば、ＧａＮの場合では、Ｇａが（０ ０ ０）と（１／３ ２／３ １／２）、Ｎが（０ ０ ３／８）と（１／３ ２／３ ７／８）の結晶格子位置に配置されている。これにより、原子散乱因子ｆ_Ｇａ及びｆ_Ｎを用いて、数１に示される構造因子Ｆを計算することにより、｜Ｆ｜^２に比例する強度Ｉ_Ｃを導出することができる。

ここで、数１に示される式を用いてＦ（０００１）及びＦ（０００３）を計算すると、双方とも０になる。これは、ＧａＮにおいて原子空孔が存在していない場合には、Ｉ_Ｃ（０００１）及びＩ_Ｃ（０００３）の強度は０になることを意味する。原子空孔がある場合には、ユニットセルの大きさを、例えば、１０倍にし、原子空孔率に応じて、ユニットセル中におけるＧａやＮのいくつかを取り除いたものについて、数１に示される式と同様に計算する。これにより、Ｇａ空孔率及びＮ空孔率が異なる条件におけるＩ_Ｃ（０００１）及びＩ_Ｃ（０００３）を算出することができ、得られたＧａ空孔率及びＮ空孔率とＩ_Ｃ（０００１）及びＩ_Ｃ（０００３）との関係を記憶部８２等に記憶させておく。本実施の形態においては、Ｉ_Ｃ（０００１）をＧａＮの消滅則ピークの計算による強度Ｉ_Ｃ１とし、Ｉ_Ｃ（０００３）をＧａＮの消滅則ピークの計算による強度Ｉ_Ｃ２として説明を行なう。

尚、数１に示される式においては、原子散乱因子としてｆ_Ｇａやｆ_Ｎを用いた。しかしながら、照射されるＸ線のエネルギが、構成元素の吸収端近傍である場合には、通常の原子散乱因子ｆ_０に、異常分散項の実部ｆ'及び虚部ｆ"を付加したｆ＝ｆ_０＋ｆ'＋ｆ"を原子散乱因子として用いてもよい。原子散乱因子は、予め測定したものをデータベースとして記憶部８２等に記憶させておき、使用してもよいし、また、公知となっているデータベースを用いてもよい。

記憶部８２等に記憶されているＧａ空孔率及びＮ空孔率とＩ_Ｃ（０００１）及びＩ_Ｃ（０００３）との関係は、例えば、図３及び図４に示すように、原子空孔率と消滅則において検出されるＸ線の強度の平方根との関係に基づくものであってもよい。図３は、Ｇａ空孔率及びＮ空孔率とＩ_Ｃ（０００１）の平方根との関係を示すものであり、図４は、Ｇａ空孔率及びＮ空孔率とＩ_Ｃ（０００３）の平方根との関係を示すものである。図３に示されるように、Ｇａ空孔率とＩ_Ｃ（０００１）の平方根とは線形の関係にあり、Ｎ空孔率とＩ_Ｃ（０００１）の平方根とは線形の関係にある。また、図４に示されるように、Ｇａ空孔率とＩ_Ｃ（０００３）の平方根とは線形の関係にあり、Ｎ空孔率とＩ_Ｃ（０００３）の平方根とは線形の関係にある。

よって、図３及び図４に基づき、数２に示されるように２つの式を導出することができる。記憶部８２等においては、このように導出された数２に示される式を記憶させておいてもよい。尚、数２の式におけるα_１、β_１、α_２、β_２は定数であり、ｒ_ＧａはＧａ空孔率、ｒ_ＮはＮ空孔率である。

尚、本ステップは、１回行なえばよく、上述した計算により得られた結果を記憶部８２に記憶させておき、２回目以降からは、後述するステップ１０４以降の工程を行なうことにより、Ｇａ空孔率及びＮ空孔率を導出してもよい。

次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）において、ＧａＮにおけるＸ線回折の消滅則における指数を選択し、対応するエネルギのＸ線を試料１００に照射し、試料１００において回折されたＸ線の強度分布の測定を行なう。例えば、ＧａＮ（０００１）とＧａＮ（０００３）を選択して、試料１００において回折されたＸ線の強度の測定を行なう。尚、本実施の形態において、２つの指数を選択する理由は、Ｇａ空孔とＮ空孔の双方を算出するためである。よって、Ｇａ空孔またはＮ空孔のうちのいずれか一方が既知であって、他方を算出する場合には、１つの指数を選択してもよい。

試料１００において回折されたＸ線の強度の測定は、検出器回転機構部６０により検出器５０を所定の２θの位置に移動させた後、試料台回転機構部４０を用いてロッキングカーブ測定を行う。ここで、検出器５０の前段に設けられている不図示のスリットは、通常よりも少し広い方が好ましく、例えば、計測対象となる２θの範囲が、０．５°程度カバーすることのできるスリット幅が好ましい。

次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）において、指定された指数における消滅則ピークの積分強度Ｉ_１、Ｉ_２を算出する。具体的には、検出器５０において測定された試料１００において回折されたＸ線の強度に基づき、フィッティングにより、各々の消滅則ピークの積分強度Ｉ_１、Ｉ_２を導出する。フィッティング関数は、例えば、Voigt関数を用いてもよい。これにより、積分強度Ｉ_１、Ｉ_２を導出する。尚、算出されたＧａＮにおける消滅則ピークの積分強度Ｉ_１は、ＧａＮ（０００１）における消滅則ピークの積分強度Ｉ（０００１）である。また、ＧａＮにおける消滅則ピークの積分強度Ｉ_２は、ＧａＮ（０００３）における消滅則ピークの積分強度Ｉ（０００３）である。

次に、ステップ１０８（Ｓ１０８）において、積分強度Ｉ_１、Ｉ_２について補正を行ない、正しい積分強度となる補正後の消滅則ピークの積分強度Ｉ_Ｍ１、Ｉ_Ｍ２を導出する。具体的には、試料１００のデータベースを記憶部８２等に記憶させておき、記憶部８２等に記憶されている試料１００のデータベースのデータに基づき補正を行なう。この補正は、偏光因子、ローレンツ因子、吸収因子、温度因子等に基づき行なう。尚、補正後の消滅則ピークの積分強度Ｉ_Ｍ１は、ＧａＮ（０００１）における消滅則ピークの積分強度Ｉ_Ｍ（０００１）であり、補正後の消滅則ピークの積分強度Ｉ_Ｍ２は、ＧａＮ（０００３）における消滅則ピークの積分強度Ｉ_Ｍ（０００３）である。

次に、ステップ１１０において、Ｇａ及びＮの原子空孔率を導出する。具体的には、補正後の消滅則ピークの積分強度Ｉ_Ｍ１、Ｉ_Ｍ２と、消滅則ピークの計算による強度Ｉ_Ｃ１、Ｉ_Ｃ２に基づき、Ｇａ空孔率ｒ_Ｇａ及びＮ空孔率ｒ_Ｎを導出する。

Ｇａ空孔率とＮ空孔率の組み合わせにより、Ｉ_Ｃ（０００１）とＩ_Ｃ（０００３）との強度比が異なる。よって、Ｉ_Ｃ（０００１）及びＩ_Ｃ（０００３）と、Ｉ_Ｍ（０００１）及びＩ_Ｍ（０００３）とを比較することにより、Ｇａ空孔率ｒ_Ｇａ及びＮ空孔率ｒ_Ｎを導出することができる。即ち、ステップ１０２において、Ｇａ空孔率とＮ空孔率が異なる条件において、Ｉ_Ｃ（０００１）とＩ_Ｃ（０００３）との強度比等が算出され、記憶部８２等に記憶されている。よって、Ｉ_Ｍ（０００１）とＩ_Ｍ（０００３）の強度比と、略一致するＩ_Ｃ（０００１）とＩ_Ｃ（０００３）の強度比となるものを記憶部８２等に記憶されているデータベースより選択する。この後、データベースにおいて選択されたＩ_Ｃ（０００１）とＩ_Ｃ（０００３）の強度比に対応するＧａ空孔率ｒ_Ｇａ及びＮ空孔率ｒ_Ｎを得ることにより、Ｇａ空孔率ｒ_Ｇａ及びＮ空孔率ｒ_Ｎを導出することができる。

具体的には、数２に示される式が記憶部８２等に記憶されている場合には、数２に示される式において、Ｉ_Ｃ（０００１）にＩ_Ｍ（０００１）の値を入れ、Ｉ_Ｃ（０００３）にＩ_Ｍ（０００３）の値を入れる。これにより、Ｇａ空孔率ｒ_Ｇａ及びＮ空孔率ｒ_Ｎの２つの値を未知数とする２つの式を得ることができる。このように得られた２つの式に基づき、Ｇａ空孔率ｒ_Ｇａの値及びＮ空孔率ｒ_Ｎの値を算出してもよい。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、Ｓｉ等の基板の上に、超格子バッファ層が形成されており、超格子バッファ層の上に、化合物半導体層が形成されている試料の分析を行なう分析方法である。

図５は、本実施の形態において分析対象となる試料の構造を示す。この試料は、基板１１０の上に、組成の異なるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を周期的に交互に積層形成することにより、超格子バッファ層１２０が形成されており、超格子バッファ層１２０の上に化合物半導体層１３０が形成されている。本実施の形態においては、基板１１０にはＳｉ基板が用いられており、超格子バッファ層１２０は、ＡｌＧａＮ１２１とＡｌＮ１２２を周期的に交互に積層することにより形成されている。化合物半導体層１３０は、窒化物半導体であるＧａＮにより形成されており、ＨＥＭＴを形成した場合に、電子走行層となるものであり、膜厚が約１μｍとなるように形成されている。尚、本実施の形態においては、化合物半導体層１３０はＩＩＩ−Ｖ化合物半導体により形成されている。

図５に示される試料において、化合物半導体層１３０における原子空孔率の分析をする場合について説明する。一般的なＸ線回折測定では、ＣｕＫα線（〜８ｋｅＶ）が用いられている。ＣｕＫα線（〜８ｋｅＶ）に近い、９ｋｅＶのエネルギのＸ線を用いて、２θ／ωスキャンで測定した結果を図６に示す。尚、図６（ａ）は、２θの値が、ＧａＮ（０００１）に対応する範囲の強度であり、図６（ｂ）は、２θの値が、ＧａＮ（０００３）に対応する範囲の強度である。図６（ａ）及び（ｂ）に示されるように、ＧａＮ（０００１）及びＧａＮ（０００３）における強度分布は、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分が重畳しているため、原子空孔に起因する成分のみを取り出すことは、極めて困難である。

このような超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分を除去する方法としては、通常、微小角入射Ｘ線回折測定が行われる。しかしながら、微小角入射Ｘ線回折測定の場合には、試料となる化合物半導体層の表面の粗さにより、Ｘ線の侵入深さが大きく変わるため、検出されるＸ線の強度に影響を及ぼす。このため、この方法では、正確な原子空孔の分析を行なうことは困難である。

本実施の形態は、化合物半導体層１３０に照射されたＸ線を吸収させ、超格子バッファ層１２０からの干渉成分を除去するものである。具体的には、照射されるＸ線のエネルギを１１ｋｅＶとして、２θ／ωスキャンで測定した結果を図７に示す。尚、図７（ａ）は、２θの値が、ＧａＮ（０００１）に対応する範囲の強度であり、図７（ｂ）は、２θの値が、ＧａＮ（０００３）に対応する範囲の強度である。図７に示されるように、ＧａＮ（０００１）及びＧａＮ（０００３）における強度分布は、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分は重畳されておらず、化合物半導体層１３０における原子空孔に起因する成分のみを取り出すことができる。

従って、図７に示されるような検出結果に基づき、各々のピークの２θの位置においてロッキングカーブ測定を行い、第１の実施の形態における図２に示す方法と同様のＸ線分析方法により分析を行なう。これにより、周期的に積層された超格子バッファ層１２０の上に形成されている化合物半導体層１３０においても、Ｇａ空孔率及びＮ空孔率を導出することができる。

本実施の形態においては、試料に照射されるＸ線のエネルギＥは、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２０ｋｅＶであることが好ましい。照射されるＸ線のエネルギＥをこの範囲とすることにより、超格子バッファ層１２０における干渉起因の成分を除去、又は、干渉起因の成分と空孔起因の成分とを分離することが可能であることを確認している。具体的には、図８に示されるＧａＮにおけるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの関係より、Ｘ線侵入深さが３μｍ以下となるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２０ｋｅＶである。よって、この範囲であれば、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分を除去することができる。

また、ＧａＮ以外のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体について調べたところ、ＧａＡｓの場合には、試料に照射されるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦７ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２２ｋｅＶが好ましい。具体的には、図９に示されるＧａＡｓにおけるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの関係より、Ｘ線侵入深さが３μｍ以下となるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦７ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２２ｋｅＶである。よって、この範囲であれば、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分を除去することができる。

また、ＧａＰの場合には、試料に照射されるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦１５ｋｅＶが好ましい。具体的には、図１０に示されるＧａＰにおけるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの関係より、Ｘ線侵入深さが３μｍ以下となるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦１５ｋｅＶである。よって、この範囲であれば、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分を除去することができる。

また、ＩｎＰの場合には、試料に照射されるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦１５ｋｅＶ、又は、２８ｋｅＶ≦Ｅ≦３６ｋｅＶが好ましい。具体的には、図１１に示されるＩｎＰにおけるＸ線のエネルギとＸ線侵入深さとの関係より、Ｘ線侵入深さが３μｍ以下となるＸ線のエネルギＥの範囲は、Ｅ≦１５ｋｅＶ、又は、２８ｋｅＶ≦Ｅ≦３６ｋｅＶである。よって、この範囲であれば、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分を除去することができる。

試料に照射されるＸ線のエネルギの範囲を上記の範囲とすることにより、前述したＧａＮの場合と同様に、超格子バッファ層における干渉起因の成分を除去等することができる。尚、試料に照射されるＸ線のエネルギＥは、試料における回折ピークのブラッグ角θ、線吸収係数μ、分析の対象となる化合物半導体層１３０の膜厚ｄとした場合に、ｓｉｎθ／μ≦３ｄを満たすように設定してもよい。これにより、超格子バッファ層１２０からの干渉に起因する成分を除去することができる。

また、一般的に、ＨＥＭＴにおいて、図５に示される試料における化合物半導体層１３０は、電子走行層となるものである。よって、ＨＥＭＴを製造する際には、図５に示される試料における電子走行層となる化合物半導体層１３０の上に、ＡｌＧａＮ等により電子供給層を形成し、電子供給層の上にＮｉ、Ａｕ等により電極を形成し、熱処理等の工程が行なわれる。これらの工程においては、加熱等が行なわれるため、成膜直後よりも、電子走行層となるＧａＮ等におけるＮ空孔が増加する場合がある。

従来の分析方法により分析を行なった場合、分析したい電子走行層における情報に、電子走行層の上に形成された電子供給層や電極における情報が重畳してしまい、各々の情報を分離することは困難であった。しかしながら、ＨＥＭＴにおいて、電子走行層となる化合物半導体層１３０を形成しているＧａＮと、電子供給層を形成しているＡｌＧａＮ及び電極を形成しているＮｉ、Ａｕ等は格子定数が異なっており、ピークとなる２θの位置が異なっている。よって、本実施の形態においては、電子走行層における情報と電子供給層や電極における情報を分離することができる。これにより、電子供給層や電極を形成した後においても、電子走行層となる化合物半導体層１３０を形成しているＧａＮにおけるＧａ空孔及びＮ空孔の分析を行なうことが可能である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、分析対象となる試料、即ち、電子走行層となる化合物半導体層１３０を形成しているＧａＮにおいて転位が生じている場合において、原子空孔を測定する方法である。図１２は、２次元検出器を用いて、転位が生じている試料を測定した結果である。尚、転位の場合には、領域１２Ａに示されるようなパターンとなって示されるが、原子空孔の場合では、領域１２Ｂに示されるように、パターンは観測されない。この違いを利用し、２次元検出器を用いて、試料における消滅則ピークの２次元画像を取得し、領域１２Ｂに示されるようなパターンが現れない領域の強度を取得することにより、原子空孔に起因した強度を検出することが可能である。このように検出された強度に基づき、第１の実施の形態における図２に示すＸ線分析方法によりＧａ及びＮにおける原子空孔率を得ることができる。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
Ｘ線回折により、化合物半導体を含む試料における化合物半導体の原子空孔を分析するＸ線分析方法において、
前記化合物半導体に原子空孔がある場合における消滅則ピークの強度を計算により導出する工程と、
前記試料にＸ線を照射し、前記試料における化合物半導体の消滅則ピークの強度を測定する工程と、
前記計算により算出された消滅則ピークの強度と、前記測定された消滅則ピークの強度とに基づき、前記Ｘ線の照射された前記試料における化合物半導体の原子空孔率を導出する工程と、
を有することを特徴とするＸ線分析方法。
（付記２）
Ｘ線回折により、化合物半導体を含む試料における化合物半導体の原子空孔を分析するＸ線分析方法において、
前記試料にＸ線を照射し、前記試料における化合物半導体の消滅則ピークの強度を測定する工程と、
予め計算により得られた前記化合物半導体における原子空孔と消滅則ピークの強度との関係と、前記測定された消滅則ピークの強度とに基づき、前記Ｘ線の照射された前記試料における化合物半導体の原子空孔率を導出する工程と、
を有することを特徴とするＸ線分析方法。
（付記３）
前記消滅則ピークの強度を測定する工程は、２以上の異なる消滅則における消滅則ピークの強度を測定するものであって、
前記原子空孔率を導出する工程において、測定された前記２以上の異なる消滅則における消滅則ピークの強度を用いて、前記試料における化合物半導体を構成している元素の各々の原子空孔率を導出することを特徴とする付記１又は２に記載のＸ線分析方法。
（付記４）
前記試料は、基板の上に化合物半導体層が形成されているものであることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記５）
前記試料は、前記基板の上に、組成の異なる材料を交互に周期的に積層することにより超格子バッファ層が形成されており、
前記超格子バッファ層の上に、前記化合物半導体層が形成されているものであることを特徴とする付記４に記載のＸ線分析方法。
（付記６）
前記化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体であることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記７）
前記化合物半導体は、窒化物化合物半導体であることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記８）
前記化合物半導体は、ＧａＮを含むものであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記９）
前記化合物半導体は、ＧａＮを含むものであって、
前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２０ｋｅＶであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記１０）
前記化合物半導体は、ＧａＡｓを含むものであって、
前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦７ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２２ｋｅＶであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記１１）
前記化合物半導体は、ＧａＰを含むものであって、
前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦１５ｋｅＶであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記１２）
前記化合物半導体は、ＩｎＰを含むものであって、
前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦１５ｋｅＶ、又は、２８ｋｅＶ≦Ｅ≦３６ｋｅＶであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
（付記１３）
化合物半導体を含むものにより形成されている試料にＸ線を照射するＸ線源と、
前記試料を設置する試料台と、
前記試料台を回転させる試料台回転機構部と、
前記試料において回折されたＸ線を検出する検出器と、
前記検出器を回転させる検出器回転機構部と、
前記化合物半導体における原子空孔と消滅則ピークの強度との関係が記憶されている記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記化合物半導体の原子空孔と消滅則ピークの強度との関係と、前記試料にＸ線を照射することにより測定された前記化合物半導体における消滅則ピークの強度とに基づき、前記試料における前記化合物半導体の原子空孔率を導出する演算部と、
を有することを特徴とするＸ線分析装置。
（付記１４）
前記化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体であることを特徴とする付記１３に記載のＸ線分析装置。

１０ Ｘ線源
２０ 単色器
３０ 試料台
４０ 試料台回転機構部
５０ 検出器
６０ 検出器回転機構部
７０ 計測部
７１ アンプ部
７２ シングルチャネルアナライザ
７３ スケーラ
８０ 情報処理部
８１ 演算部
８２ 記憶部
８３ 表示部
９０ 制御部
１００ 試料
１１０ 基板
１２０ 超格子バッファ層
１３０ 化合物半導体層

Claims (11)

1. Ｘ線回折により、化合物半導体を含む試料における化合物半導体の原子空孔を分析するＸ線分析方法において、
   前記化合物半導体に原子空孔がある場合における消滅則ピークの強度を計算により導出する工程と、
   前記試料にＸ線を照射し、前記試料における化合物半導体の消滅則ピークの強度を測定する工程と、
   前記計算により算出された消滅則ピークの強度と、前記測定された消滅則ピークの強度とに基づき、前記Ｘ線の照射された前記試料における化合物半導体の原子空孔率を導出する工程と、
   を有することを特徴とするＸ線分析方法。
2. Ｘ線回折により、化合物半導体を含む試料における化合物半導体の原子空孔を分析するＸ線分析方法において、
   前記試料にＸ線を照射し、前記試料における化合物半導体の消滅則ピークの強度を測定する工程と、
   予め計算により得られた前記化合物半導体における原子空孔と消滅則ピークの強度との関係と、前記測定された消滅則ピークの強度とに基づき、前記Ｘ線の照射された前記試料における化合物半導体の原子空孔率を導出する工程と、
   を有することを特徴とするＸ線分析方法。
3. 前記消滅則ピークの強度を測定する工程は、２以上の異なる消滅則における消滅則ピークの強度を測定するものであって、
   前記原子空孔率を導出する工程において、測定された前記２以上の異なる消滅則における消滅則ピークの強度を用いて、前記試料における化合物半導体を構成している元素の各々の原子空孔率を導出することを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線分析方法。
4. 前記試料は、基板の上に化合物半導体層が形成されているものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＸ線分析方法。
5. 前記試料は、前記基板の上に、組成の異なる材料を交互に周期的に積層することにより超格子バッファ層が形成されており、
   前記超格子バッファ層の上に、前記化合物半導体層が形成されているものであることを特徴とする請求項４に記載のＸ線分析方法。
6. 前記化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
7. 前記化合物半導体は、ＧａＮを含むものであって、
   前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２０ｋｅＶであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
8. 前記化合物半導体は、ＧａＡｓを含むものであって、
   前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦７ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦２２ｋｅＶであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
9. 前記化合物半導体は、ＧａＰを含むものであって、
   前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦６ｋｅＶ、又は、１０．４ｋｅＶ≦Ｅ≦１５ｋｅＶであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
10. 前記化合物半導体は、ＩｎＰを含むものであって、
    前記Ｘ線のエネルギＥは、Ｅ≦１５ｋｅＶ、又は、２８ｋｅＶ≦Ｅ≦３６ｋｅＶであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線分析方法。
11. 化合物半導体を含むものにより形成されている試料にＸ線を照射するＸ線源と、
    前記試料を設置する試料台と、
    前記試料台を回転させる試料台回転機構部と、
    前記試料において回折されたＸ線を検出する検出器と、
    前記検出器を回転させる検出器回転機構部と、
    前記化合物半導体における原子空孔と消滅則ピークの強度との関係が記憶されている記憶部と、
    前記記憶部に記憶されている前記化合物半導体の原子空孔と消滅則ピークの強度との関係と、前記試料にＸ線を照射することにより測定された前記化合物半導体における消滅則ピークの強度とに基づき、前記試料における前記化合物半導体の原子空孔率を導出する演算部と、
    を有することを特徴とするＸ線分析装置。