JP6785642B2

JP6785642B2 - 少数キャリア寿命評価方法および少数キャリア寿命評価装置

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Publication number: JP6785642B2
Application number: JP2016245153A
Authority: JP
Inventors: 俵　武志; 武志俵; 秀一土田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: JP2018101651A

Description

この発明は、少数キャリア寿命評価方法および少数キャリア寿命評価装置に関する。

基板上に炭化珪素（ＳｉＣ）をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウェハ（炭化珪素半導体基板、以下、単に基板と略する）には、多くの結晶欠陥・転位が存在しており、これらが炭化珪素半導体装置の特性に悪影響を与えていると考えられている。特に、エピタキシャル成長させた層中の基底面転位（ＢＰＤ：ＢａｓａｌＰｌａｎｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）は、半導体装置をバイポーラ動作させた際に積層欠陥に拡張し、電流を流れにくくすることにより半導体装置のオン電圧を上昇させ「バイポーラ劣化」の発生につながる。

ＢＰＤは、基板に数百〜数千個／ｃｍ²の密度で存在する。その多くは、エピタキシャル成長中に、貫通刃状転位（ＴＥＤ：ＴｈｒｅａｄｉｎｇＥｄｇｅＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）に変換されるが、ＢＰＤは、エピタキシャル成長後、基板に１〜１００個／ｃｍ²の密度で残る。この場合、この基板から作製（製造）した炭化珪素半導体装置をバイポーラ動作させる際、過剰に電流を流すと、基板内のＢＰＤが拡張し、三角・帯状の積層欠陥が発生する。

帯状積層欠陥、三角形状積層欠陥が発生する原因として、基板中での電子−ホールの再結合が挙げられる。この再結合を抑制するため、基板上のエピタキシャル成長（以下、エピ成長と略する）させたバッファ層を厚くすることにより、基板への過剰なホール注入を防ぐ技術がある（例えば、非特許文献１参照。）。

炭化珪素バイポーラ型半導体装置の第２導電型電荷注入層の表層に高ドーピング層を形成し、ドリフト層からの電子（または正孔）のうち該電界注入層において捕捉できなかった電子（または正孔）を該高ドーピング層にて捕捉し、積層欠陥の発生およびその面積拡大を抑制する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−０１０１２０号公報

Ｊ．Ｊ．スマーケリス（Ｊ．Ｊ．Ｓｕｍａｋｅｒｉｓ）他、「バイポーラ型ＳｉＣ半導体装置の順方向電圧安定化へのアプローチ（ＡｐｐｒｏａｃｈｅｓｔｏＳｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅＦｏｒｗａｒｄＶｏｌｔａｇｅｏｆＢｉｐｏｌａｒＳｉＣＤｅｖｉｃｅｓ）」、（米国）、マテリアルズサイエンスフォーラム（ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍ）、オンライン第４５７−４６０巻、２００４年ｐ．１１１３−１１１６

しかしながら、厚いバッファ層の成膜は、エピ成長のスループット低下によるコスト増大、欠陥密度増加による歩留まり低下および基板の抵抗増大につながる。このため、基板と同程度以上の不純物濃度の窒素（Ｎ）に加えて、ライフタイムキラーとなる元素を同時添加（コドープ）して、少数キャリア寿命の短いバッファ層を成膜することが提案されている。

少数キャリア寿命が短いと、ホールのライフタイムが短くなるため、ホールを十分に減少させることができ、基板へのホールの到達を減少させ、基板中での電子−ホールの再結合を防ぐことができる。これにより、炭化珪素半導体基板（以下、積層欠陥抑制半導体基板と略する）は、バッファ層の厚みを抑制しつつ、大電流でバイポーラ動作させても、基板内の三角・帯状積層欠陥の発生を効果的に抑制することが可能になる。

図６は、積層欠陥抑制半導体基板の構成を示す断面図である。図６に示すように、積層欠陥抑制基板は、ｎ型炭化珪素基板１の第１主面（おもて面）、例えば（０００１）面（Ｓｉ面）、にｎ⁺型炭化珪素バッファ層２が堆積されている。

ｎ型炭化珪素基板１は、例えば窒素がドーピングされた炭化珪素単結晶基板である。ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２は、ライフタイムキラーとなる元素をコドープしたバッファ層（コドープエピ層）である。ライフタイムキラーとしては、例えば、ホウ素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）等の少なくとも１種類以上が選択可能である。ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の、ｎ型炭化珪素基板１側に対して反対側の表面側は、ｎ型耐圧維持層３が形成されている。ｎ型耐圧維持層３は、ｎ型炭化珪素基板１およびｎ⁺型炭化珪素バッファ層２より低不純物濃度で、例えば窒素がドーピングされているドリフト層である。

積層欠陥抑制半導体基板は、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２内で電子−ホールの再結合を促進し、ｎ型炭化珪素基板１に注入されるホール密度を抑えることで、三角・帯状積層欠陥の発生を効果的に抑制する。

ここで、コドープエピ層において、ライフタイムキラーとなる元素の密度を増やすと少数キャリア寿命が一定の間隔で短くなることが知られている。図７は、コドープ元素密度と少数キャリア寿命の関係を示すグラフである。図７において、縦軸は２５０℃における少数キャリア寿命の逆数であり、単位は／μｓである。また、横軸はコドープした元素の密度であり、単位は／ｃｍ³である。図７は、窒素の密度が５×１０¹⁸／ｃｍ³で、ライフタイムキラーとしてＶをコドープした結果である。図７に示すように、少数キャリア寿命の逆数をｙ、コドープしたＶの密度をｘとすると、ｙ＝５．７０８×１０^-14ｘ＋７．３４３の関係があり、Ｖの密度を増やすと少数キャリア寿命が一定の間隔で短くなっている。

従来、少数キャリア寿命の評価は以下のＴＲＰＬ（ＴｉｍｅＲｅｓｏｌｖｅｄＰｈｏｔｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）法で行われている。図８は、従来の少数キャリア寿命評価方法であるＴＲＰＬ法を示す図である。ＴＲＰＬ法は、まず、ｎ型炭化珪素基板
１上のｎ⁺型炭化珪素バッファ層２にＳｉＣのバンドギャップ（３．２４ｅＶ）以上のエネルギーをもつ励起レーザー光を照射する。次に、コドープエピ層から輻射されるＰＬ（ＰｈｏｔｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光のうち、自由キャリアの再結合に起因するＰＬ発光（中心波長３８７ｎｍ）をバンドパスフィルタ１２によって選別し、光電子増倍管１４で受信しながら、その発光量の時間減衰を測定する。その結果を例えば、演算装置１５で計測する。

図９は、発光量の時間減衰から少数キャリア寿命の測定を示すグラフである。図９において、縦軸は光電子増倍管１４がカウントした光子数であり、横軸はレーザー照射からの経過時間であり、単位はμｓである。少数キャリア寿命は、熱平衡状態より増加した少数キャリアの数がｅ^-1倍（ｅは自然対数の底）に減衰する時間であるため、図９から光子数がｅ^-1倍になる時間幅（例えば、図９で示された実線の間）より評価することができる。

しかしながら、コドープした元素の密度を増やし、少数キャリア寿命が１０ｎｓ以下と短くなると、減衰時間が非常に短くなってしまい、ＴＲＰＬ法では測定できなくなる。図１０は、従来の少数キャリア寿命評価方法の限界を示すグラフである。図１０において、縦軸はＴＲＰＬ法で測定した少数キャリア寿命であり、単位はｎｓである。横軸は温度であり、単位は℃である。図１０は、窒素の密度が５×１０¹⁸／ｃｍ³で、ライフタイムキラーとしてＶをコドープした結果である。図１０において、◇は、Ｖがドープされない場合を示し、□はＶを密度４×１０¹³／ｃｍ³でコドープし、×はＶを密度３×１０¹⁴／ｃｍ³でコドープした場合である。図１０に示すように、Ｖを密度３×１０¹⁴／ｃｍ³でコドープした場合、温度５０℃〜１００℃では少数キャリア寿命が１０ｎｓ以下となる。このため、Ｖの濃度が３×１０¹⁴／ｃｍ³より大きくなると、ＴＲＰＬ法では少数キャリア寿命を測定できなくなる。

従来、このような短い少数キャリア寿命の評価は、図７に示す関係を利用して、コドープした元素の密度を評価することにより、少数キャリア寿命を推定することが行われている。しかしながら、コドープした元素の密度の評価にはＳＩＭＳ（二次イオン質量分析：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法のような破壊評価が必要であるため、製品の現物評価ができないという問題がある。ここで、ＳＩＭＳ法とは、固体の表面にビーム状のイオンを照射し、そのイオンと固体表面の分子・原子レベルでの衝突によって発生するイオンを質量分析計で検出する表面計測法である。さらに、ＳＩＭＳ法は、超高真空下で測定しなければならないため、真空引き等の前準備が必要であり、評価に時間がかかるという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、少数キャリア寿命が短い場合にＰＬ発光によって少数キャリア寿命を評価できる少数キャリア寿命評価方法および少数キャリア寿命評価装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる少数キャリア
寿命評価方法は、次の特徴を有する。まず、少数キャリア寿命が評価済みの第２半導体膜にレーザーからレーザー光を照射する第１工程を行う。次に、前記第２半導体膜から輻射されたバンド端ＰＬ発光の時間積分値を測定する第２工程行う。次に、測定した前記時間積分値と、評価済みの前記少数キャリア寿命とから、前記少数キャリア寿命と前記バンド端ＰＬ発光の時間積分値との関係を取得する第３工程行う。次に、前記第１工程から前記第３工程より後、第１半導体膜に、温度、励起レーザーパワーおよび光学系が前記第１工程の前記レーザーと同一のレーザーからレーザー光を照射する第４工程を行う。次に、前記第１半導体膜から輻射されたバンド端ＰＬ発光の時間積分値を測定する第５工程を行う。次に、測定した前記時間積分値と前記関係とから、前記第１半導体膜の少数キャリア寿命を評価する第６工程を行う。また、測定精度をあげるために、第１半導体膜の時間積分値を測定前に、あらかじめ第２半導体膜のバンド端ＰＬ発光の時間積分値が一定値になるように、レーザー光源の強度を校正してもよい。

また、この発明にかかる少数キャリア寿命評価方法は、前記第４工程は、前記第１半導体膜の断面の特定の領域にレーザー光を照射する工程であり、前記第５工程は、前記特定の領域から輻射されたバンド端ＰＬ発光の時間積分値を測定する工程であることを特徴とする。

また、この発明にかかる少数キャリア寿命評価方法は、前記第１半導体膜および前記第２半導体膜は、炭化珪素半導体膜であることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる少数キャリア寿命評価装置は、次の特徴を有する。少数キャリア寿命評価装置は、第１半導体膜および少数キャリア寿命が評価済みの第２半導体膜にレーザー光を照射するレーザーと、前記第１半導体膜および前記第２半導体膜から輻射される輻射光のうちバンド端ＰＬ発光を通過するバンドパスフィルタと、前記バンド端ＰＬ発光を電気信号に変換する光電子増倍管と、を備える。また、少数キャリア寿命評価装置は、前記レーザーに前記レーザー光を照射させ、前記第２半導体膜から輻射される輻射光のうちバンド端ＰＬ発光を電気信号に変換した前記電気信号の時間積分値と、評価済みの前記少数キャリア寿命とから、前記少数キャリア寿命と前記バンド端ＰＬ発光の時間積分値との関係を取得し、前記レーザーに前記レーザー光を照射させ、前記第１半導体膜から輻射される輻射光のうちバンド端ＰＬ発光を電気信号に変換した前記電気信号の時間積分値を測定し、測定した前記時間積分値と前記関係とから、前記第１半導体膜の少数キャリア寿命を評価する制御部と、を備える。

上述した発明によれば、測定した値を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度を求め、少数キャリア寿命を評価する。このため、微弱でもＰＬ発光が出ていれば、積算によって強度を上げて測定できるため、少数キャリア寿命の測定下限を、データのサンプリング間隔で決まってしまう従来のＴＲＰＬ法と比較して広げることができる。具体的には、上述した発明は、１０ｎｓ以下の少数キャリア寿命を評価することができる。

微弱なバンド端ＰＬ発光に対する感度を上げるために、望ましくは、レーザー波長を例えば３３０ｎｍ以下の短波長に限定してもよい。レーザー波長を短波長にすることで、レーザー光の炭化珪素半導体膜への侵入長が１０μｍ以下に短くなり、測定時にバックグラウンドノイズとなるｎ型炭化珪素基板からのＰＬ発光の影響を軽減することができる。また、本発明で用いているレーザーの代わりにＵＶ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）ランプ等の光源を利用することも可能であるが、その場合にも、光学フィルター等を用いて波長を短波長に限定するとよい。さらに望ましくは、測定対象と同種のｎ型炭化珪素基板についてバンド端ＰＬ発光を測定し、強度補正された値を差し引くことにより、ｎ型炭化珪素基板からのＰＬ発光の影響をキャンセルするとよい。

また、上述した発明によれば、ＰＬ発光により少数キャリア寿命の評価ができるため、ＳＩＭＳ法によりコドープした元素の密度を評価する方法と異なり、非破壊で簡便に少数キャリアを評価することができる。これにより、上述した発明によれば、ライフタイムキラーとなる元素をコドープしたバッファ層を備えた製品の少数キャリア寿命の現物検査が可能になる。

本発明にかかる少数キャリア寿命評価方法および少数キャリア寿命評価装置によれば、少数キャリア寿命が短い場合にＰＬ発光によって少数キャリア寿命を評価できるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる少数キャリア寿命評価方法を示す図である。実施の形態１にかかる少数キャリア寿命評価方法のフローチャートである。既知の少数キャリア寿命と取得したＰＬ発光スペクトル強度の関係を示すグラフである。コドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度を示すグラフである。実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価方法を示す図である。積層欠陥抑制半導体基板の構成を示す断面図である。コドープ元素密度と少数キャリア寿命の関係を示すグラフである。従来の少数キャリア寿命評価方法であるＴＲＰＬ法を示す図である。発光量の時間減衰から少数キャリア寿命の測定を示すグラフである。従来の少数キャリア寿命評価方法の限界を示すグラフである。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる少数キャリア寿命評価方法および少数キャリア寿命評価装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
実施の形態１においては、ｎ型炭化珪素基板１上にエピタキシャル成長させ、ライフタイムキラーとなる元素をコドープしたｎ⁺型炭化珪素バッファ層（第１半導体膜）２の少数キャリア寿命を評価する。図１は、実施の形態１にかかる少数キャリア寿命評価方法を示す図である。実施の形態１では、従来、バンド端ＰＬ発光の時間減衰によって評価していた少数キャリア寿命の評価方法を、ＰＬ発光スペクトル強度比によって評価する。ここで、バンド端発光とは、価電子帯の上端の正孔と伝導帯の底の電子が再結合することによる発光である。ＳｉＣの場合、バンド端発光は中心波長３８７ｎｍの光となる。また、バンド端ＰＬ発光とは、レーザー等により電子を励起することにより発光されたバンド端発光である。

少数キャリア寿命評価方法を実行する少数キャリア寿命評価装置は、レーザー光を照射するレーザー１１と、特定の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタ１２と、バンドパスフィルタ１２を通過した光を収束させるレンズ等の光学系１３と、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電子増倍管１４と、測定結果から少数キャリア寿命を評価する制御部を有する演算装置１５と、を備える。

レーザー１１は、レーザー光がＳｉＣのバンドギャップ以上のエネルギーを持つ励起レーザーである。また、微弱なバンド端ＰＬ発光に対する感度を上げるために、レーザー１１の波長は、例えば３３０ｎｍ以下の短波長が好ましい。例えば、レーザー光の波長が３２５ｎｍであるＨｅ（ヘリウム）−Ｃｄ（カドミウム）レーザーである。このレーザー光により、バンド端にキャリアを励起させる。また、レーザー１１の代わりにＵＶランプ等の光源を利用することも可能である。この場合にも、ＵＶランプからの光の中で長波長分をカットする光学フィルター等を用いて、ＵＶランプからの光の波長を短波長に限定するとよい。

バンドパスフィルタ１２は、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の励起されたキャリアが再結合する際に輻射する輻射光のうちバンド端のＰＬ発光（中心波長３８７ｎｍ）をフィルタリングする。バンドパスフィルタ１２は同等の機能を有する分光器であってもよい。

光電子増倍管１４は、光電効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電管に、電流増幅機能を付加したものであり、ＰＬ発光の強度を測定する。また、光電子増倍管１４は、光による明暗を電荷の量に光電変換し、それを順次読み出して電気信号に変換するＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）イメージセンサであってもよい。演算装置１５は、光電子増倍管１４が測定した値を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度（バンド端ＰＬ発光の時間積分値）を求め、この結果を、少数キャリア寿命が事前に評価済み（既知）のコドープエピ膜（第２半導体膜）のＰＬ発光スペクトル強度との比から少数キャリア寿命を評価する。処理の詳細は、以下で説明する。

図２は、実施の形態１にかかる少数キャリア寿命評価方法のフローチャートである。図２のフローチャートは、例えば、少数キャリア寿命評価装置の演算装置１５のＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）で実行される。

まず、少数キャリア寿命評価装置は、少数キャリア寿命が既知のコドープエピ膜のＰＬ発光を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度を取得する（ステップＳ１）。例えば、従来のＴＲＰＬ法で少数キャリア寿命を評価した、少数キャリア寿命２０ｎｓ以上の少数キャリア寿命が既知のコドープエピ膜を用意する。このコドープエピ膜に対して、レーザー１１でレーザー光を照射する。既知のコドープエピ膜から輻射される輻射光のうちバンド端のＰＬ発光をバンドパスフィルタ１２でフィルタリングして、光電子増倍管１４が測定した値を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度を求める。図１０に示すように、コドープした元素の密度が同じでも温度により少数キャリア寿命が異なるため、このコドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度は、複数の温度条件下で取得することが好ましい。

次に、少数キャリア寿命評価装置は、少数キャリア寿命とＰＬ発光スペクトル強度との関係を取得する（ステップＳ２）。図３は、既知の少数キャリア寿命と取得したＰＬ発光スペクトル強度の関係を示すグラフである。図３において、縦軸はＴＲＰＬ法で測定した少数キャリア寿命であり、単位はｎｓである。横軸は、波長３８７ｎｍでのＰＬ発光スペクトル強度である。また、図３の○は、１００℃の温度条件でコドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度を取得した場合であり、図３の＋は、１５０℃の温度条件でコドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度を取得した場合である。また、図３の−は、２００℃の温度条件でコドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度を取得した場合であり、図３の□は、２５０℃の温度条件でコドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度を取得した場合である。

図３において、ＴＲＰＬ法の評価下限より上（１０ｎｓより大きい）の点がステップＳ１で得られた結果である。この図３から、例えば、最小二乗法等を用いることにより、少数キャリア寿命評価装置は、各温度条件における少数キャリア寿命とＰＬ発光スペクトル強度との関係を取得することができる。例えば、図３の直線３１は、１００℃の温度条件での少数キャリア寿命とＰＬ発光スペクトル強度との関係を示す直線である。

次に、少数キャリア寿命評価装置は、少数キャリア寿命が未知のコドープエピ膜のＰＬ発光を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度を取得する（ステップＳ３）。例えば、少数キャリア寿命を評価したいコドープエピ膜に対して、レーザー１１でレーザー光を照射する。このコドープエピ膜から輻射される輻射光のうちバンド端のＰＬ発光をバンドパスフィルタ１２でフィルタリングして、光電子増倍管１４が測定した値を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度を求める。条件（温度、励起レーザーパワー、光学系）が異なると、少数キャリア寿命とＰＬ発光スペクトル強度との関係が異なるため、ステップＳ１とステップＳ３のＰＬ発光スペクトル強度の取得は同じ条件で行う。

また、ＰＬ発光スペクトル強度の測定精度を上げるために、少数キャリア寿命が未知のコドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度の測定前に、あらかじめ少数キャリア寿命が既知のコドープエピ膜のバンド端ＰＬ発光の時間積分値が一定値になるように、レーザー１１の光源の強度を校正してもよい。さらに、少数キャリア寿命が未知のコドープエピ膜が、当該コドープエピ膜と同種のｎ型炭化珪素基板１上に設けられている場合、ｎ型炭化珪素基板１についてバンド端ＰＬ発光を測定することが好ましい。この場合、少数キャリア寿命が未知のコドープエピ膜のバンド端ＰＬ発光の測定値からｎ型炭化珪素基板１のバンド端ＰＬ発光の測定値を引くことにより、ｎ型炭化珪素基板１からのＰＬ発光の影響をキャンセルできる。

図４は、コドープエピ膜のＰＬ発光スペクトル強度を示すグラフである。図４において、縦軸は、ステップＳ１、ステップＳ３で測定したＰＬ発光スペクトル強度であり、横軸は、ＰＬ発光の波長である。図４は、窒素の密度が５×１０¹⁸／ｃｍ³であるコドープエピ膜にＶをコドープした結果である。図４において、Ｔ１は、Ｖがドープされない場合を示し、Ｔ２はＶを密度４×１０¹³／ｃｍ³でコドープし、Ｔ３はＶを密度３×１０¹⁴／ｃｍ³でコドープした場合を示す。

図４に示すように、少数キャリア寿命が短くなるほど、波長３８７ｎｍを中心とするＰＬ発光スペクトル強度は小さくなることが分かる。しかし、本発明の方法では、微弱でもＰＬ発光が出ていれば、積算によって強度を上げてＰＬ発光スペクトル強度を測定できる。例えば、図４のＴ３のＴＲＰＬ法で評価できないレベルの短い少数キャリア寿命でもＰＬ発光スペクトル強度を測定できる。このため、本発明の方法は、少数キャリア寿命の測定下限を広げることができる。

最後に、少数キャリア寿命評価装置は、上記関係を基にＰＬ発光スペクトル強度から少数キャリア寿命を算出する（ステップＳ４）。例えば、ステップＳ１とステップＳ２において、１００℃の温度条件での少数キャリア寿命とＰＬ発光スペクトル強度との関係を示す直線３１を取得したとする。ステップＳ３において、少数キャリア寿命が未知のコドープエピ膜に対して、１００℃の温度条件で取得したＰＬ発光スペクトル強度の値が、図３の点３２の位置であるとする。この場合、点３２から直線３１上の点３３を求め、点３３から、このコドープエピ膜の少数キャリア寿命が、図３の点３４の位置であると評価することができる。

以上のように、本フローチャートを実行することにより、少数キャリア寿命評価装置は、ＰＬ発光スペクトル強度を取得することにより、ＴＲＰＬ法で評価できないレベルの短い少数キャリア寿命を評価することができる。

以上、説明したように、実施の形態１によれば、測定した値を時間積分してＰＬ発光スペクトル強度を求め、少数キャリア寿命を評価する。このため、微弱でもＰＬ発光が出ていれば、積算によって強度を上げて測定できるため、少数キャリア寿命の測定下限を、データのサンプリング間隔で決まってしまう従来のＴＲＰＬ法と比較して広げることができる。具体的には、実施の形態１は、１０ｎｓ以下の少数キャリア寿命を評価することができる。

また、実施の形態１によれば、ＰＬ発光により少数キャリア寿命の評価ができるため、ＳＩＭＳ法によりコドープした元素の密度を評価する方法と異なり、非破壊で簡便に少数キャリアを評価することができる。これにより、実施の形態１によれば、ライフタイムキラーとなる元素をコドープしたバッファ層を備えた製品の少数キャリア寿命の現物検査が可能になる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価方法を説明する。図５は、実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価方法を示す図である。実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価方法が、実施の形態１にかかる少数キャリア寿命評価方法と異なるところは、素子の断面に現れたｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の少数キャリア寿命を評価している点である。これは、少数キャリア寿命評価対象のｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の上にｎ型耐圧維持層３が堆積されているため、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の表面にレーザー光を照射できないためである。なお、素子の断面とは、素子が形成された基板を切断、例えば、チップ状に切断（ダイシング）した際の切断面のことである。

実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価装置では、レーザー光を断面に照射するため、レーザー１１のレーザースポット径は小さい。例えば、直径φ１μｍ以下のレーザー光を照射できるものを用いる。実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価装置のその他の構成は実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。また、実施の形態２にかかる少数キャリア寿命評価方法のフローチャートも実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

ただし、少数キャリア寿命が短い場合でもレーザーで励起されたキャリアが、その寿命の間に広がることのできる距離（拡散長）を考慮する必要がある。このため、実施の形態２において、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の少数キャリア寿命のみを適切に評価するために、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の厚みは３μｍ以上必要である。つまり、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の厚みが３μｍより小さいと、ｎ⁺型炭化珪素バッファ層２を挟む、ｎ型炭化珪素基板１やｎ型耐圧維持層３の少数キャリア寿命も評価してしまう。このため、少数キャリア寿命評価装置はｎ⁺型炭化珪素バッファ層２の少数キャリア寿命を正しく評価できなくなる。

以上、説明したように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、１０ｎｓ以下の少数キャリア寿命を評価することができる。また、実施の形態２では、コドープエピ膜上に、ドリフト層等が成膜された状態でも、コドープエピ膜の少数キャリア寿命を評価することができる。

また、上記実施の形態１および実施の形態２では、ライフタイムキラーとなる元素をコドープしたバッファ層の少数キャリア寿命を評価する例を示した。本発明は、バッファ層以外の少数キャリア寿命の評価にも適用可能である。さらに、上記実施の形態１および実施の形態２では、炭化珪素以外の半導体基板にも適用可能である。この際、レーザーは、この半導体のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ励起レーザー光を照射可能なレーザーを用いる。また、バンドパスフィルタは、この半導体のバンド端のＰＬ発光をフィルタリングするバンドパスフィルタを用いる。

以上において本発明では、各実施の形態では第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としたが、本発明は第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としても同様に成り立つ。

以上のように、本発明にかかる少数キャリア寿命評価方法および少数キャリア寿命評価装置は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される高耐圧半導体装置の基板の評価に有用である。

１ｎ型炭化珪素基板
２ｎ⁺型炭化珪素バッファ層
３ｎ型耐圧維持層
１１レーザー
１２バンドパスフィルタ
１３光学系
１４光電子増倍管
１５演算装置

Claims

少数キャリア寿命が評価済みの第２半導体膜にレーザーからレーザー光を照射する第１工程と、
前記第２半導体膜から輻射されたバンド端ＰＬ発光の時間積分値を測定する第２工程と、
測定した前記時間積分値と、評価済みの前記少数キャリア寿命とから、前記少数キャリア寿命と前記バンド端ＰＬ発光の時間積分値との関係を取得する第３工程と、
前記第１工程から前記第３工程より後、第１半導体膜に、温度、励起レーザーパワーおよび光学系が前記第１工程の前記レーザーと同一のレーザーからレーザー光を照射する第４工程と、
前記第１半導体膜から輻射されたバンド端ＰＬ発光の時間積分値を測定する第５工程と、
測定した前記時間積分値と前記関係とから、前記第１半導体膜の少数キャリア寿命を評価する第６工程と、
を含むことを特徴とする少数キャリア寿命評価方法。
前記第４工程は、前記第１半導体膜の断面の特定の領域にレーザー光を照射する工程であり、
前記第５工程は、前記特定の領域から輻射されたバンド端ＰＬ発光の時間積分値を測定する工程であることを特徴とする請求項１に記載の少数キャリア寿命評価方法。
前記第１半導体膜および前記第２半導体膜は、炭化珪素半導体膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の少数キャリア寿命評価方法。
第１半導体膜および少数キャリア寿命が評価済みの第２半導体膜にレーザー光を照射すレーザーと、
前記第１半導体膜および前記第２半導体膜から輻射される輻射光のうちバンド端ＰＬ発光を通過するバンドパスフィルタと、
前記バンド端ＰＬ発光を電気信号に変換する光電子増倍管と、
前記レーザーに前記レーザー光を照射させ、前記第２半導体膜から輻射される輻射光のうちバンド端ＰＬ発光を電気信号に変換した前記電気信号の時間積分値と、評価済みの前記少数キャリア寿命とから、前記少数キャリア寿命と前記バンド端ＰＬ発光の時間積分値との関係を取得し、
前記レーザーに前記レーザー光を照射させ、前記第１半導体膜から輻射される輻射光のうちバンド端ＰＬ発光を電気信号に変換した前記電気信号の時間積分値を測定し、測定した前記時間積分値と前記関係とから、前記第１半導体膜の少数キャリア寿命を評価する制御部と、
を備えることを特徴とする少数キャリア寿命評価装置。