JPH0237741A - 半導体の伝導式判別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体試料がＰ型、Ｎ型素子のいずれである
かを簡便、迅速に判別することができる半導体の伝導形
式判別装置に関する。

［従来の技術］ 半導体の研究開発や製造過程では、素子のＰ型、Ｎ型の
別を的確に判別することが必要であるが、その際できる
だけ簡単なシステムで短時間に判別作業の行なえる装置
が要望される。この目的で、従来より種々の原理に基づ
く判別装置が案出されているが、現在−殻内に利用され
ているものは、素子のゼーベック係数を測定して当該素
子の伝導形式を判別する方式のものである。

この種既存装置の概要を説明すると、以下の通りである
。

まず第８図は、バルク状の半導体試料について適用され
るゼーベック係数測定装置の基本的なシステム概要を図
示している。この装置は、図示矢印のように冷却水を流
通するウォータージャゲット３２を内臓した冷却ブロッ
ク３１と、発熱し−タ３４を内臓した加熱ブロック３３
とを対向位置で遠近調整自在に配置して構成される。測
定に際しては、半導体試料Ｗを冷却ブロック３１と加熱
ブロック３３の端面にそれぞれ埋設しである低温電極３
５と高温電極３６との間に挾み込み、スプリング３７等
で弾性保持しつつ試料Ｗを適当な圧力Ｆで圧着する（こ
の際、密着性を良くするなめ必要に応じて試料Ｗと電極
３５．３６との接触面に熱伝導グリスが塗布される）。

この状態で、ウォータージャケット３２と発熱ヒータ３
４とを作動ＯＮにし、試料Ｗの両端に適当な温度差を設
定しつつ、そのときの試料両端の温度差ΔＴと電位差（
熱起電力）ΔＶとをリアルタイムで測定すれば、半導体
試料Ｗのゼーベック係数αは、α＝ΔＶ／ΔＴとして演
算され、この値から試料Ｗの伝導形式が判別される。

すなわち、半導体の両端に金属電極を接触させて一方を
加熱し他方を冷却すると、Ｐ型半導体では高温側で熱励
起される正孔が低温側へ拡散し、Ｎ型半導体では電子が
低温側へ拡散して行くが、ゼーベック効果によって、キ
ャリアの熱拡散に対抗し、Ｐ型半導体の場合は低温側（
＋）、高温側（−）の熱起電力を生じ、またＮ型半導体
の場合は高温側（＋）、低温側（−）の熱起電力を生じ
る。そして、この熱起電力の大きさは、素子の種類と温
度勾配のみに依存し、試料の大きさや形状に左右されな
いことが知られている。従って、ゼーベック係数を測定
することにより、その正負から半導体試料ＷのＰ型、Ｎ
型の別を判別することができ、更にはその絶対値より試
料Ｗの材料種別等を把握することも可能となる訳である
。

また第９図は、上記基本システムにおける両端電極の冷
却・加熱源を、各々ペルチェ効果を利用した一対の電子
冷却装置（サーモモジュール）３８．３つで置換するよ
うにした改良例を図示している（昭和４２年７月３１日
槙書店発行の技術図書（半導体の基礎技術「「物性」実
験技術シリーズＩＩ、ａｐ３０１〜３０２）参照）。す
なわち、前記低温電極２５に絶縁板４０を介して電子冷
却装置３８のコールド・ジャンクションＣＪが接合され
、前記高温電極３６に絶縁板４１を介して電子冷却装置
３９のホット・ジャンクションＨＪが接合されており、
画電極３５．３６の温度が電気的に制御できるようにな
っている。但し、このシステムでは、二つの電子冷却装
置３８．３９はそれぞれ冷却、加熱源として別個に使用
されるものであり、それ故前者はホット・ジャンクショ
ンＨＪ側に絶縁板４０を介してヒートシンク（放熱器）
４２を、後者はコールド・ジャンクションＣＪ側に絶縁
板４１を介してヒートシンク（吸熱器）４３を連接する
必要がある。

更に、近時利用が拡大されている化合物半導体のように
、検出熱起電力が微弱でかつ温度依存性の大きい試料の
場合、上記の加熱−水冷方式や、電極両端のヒータ出力
を可変する方式等では、ノイズの大きい高温域でしかシ
ステムを作動することができないので、最近では液体窒
素等の極低温冷媒を用いて試料を冷却するシステムも開
発されている。例えば、真空チャンバ内で対向配置され
る絶縁プレートと発熱ブロックとの間に、接触面に各々
Ｉｎ−Ｇａ−Ｎｉ等の電極材を介して試料をセットし、
チャンバ内外に設置されたヒータで雰囲気温度を調整し
つつ発熱ブロックに巻回されたヒータに通電して上部電
極材を加熱する一方、外部からチャンバ内に冷媒を導入
して試料と共に下部電極材を冷却し、ここにおいて試料
の一端を常温以下の低温域に冷やし込んだ温度条件の下
にゼーベック係数を測定する装置、などが知られている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これら既存の判別装置には、次のような
解決すべき共通の問題点がある。

まず第８図に示したブロック間で試料を圧着する基本シ
ステムの場合、装置が大掛かりとなる上、温度調整や試
料のセツティングに手間が掛かり、全体として測定能率
が悪いという不具合がある。

具体的には、加熱ブロックにヒータを、冷却ブロックに
水冷管等を敷設埋入しなければならないので装置全体の
構造が複雑化しかつ大形重量物となってしまうこと、温
度勾配の設定が高温側と低温側とで別々で一義的に行な
えないこと、ブロック間に試料を密着させて装填するの
に手間が掛かること、更に熱容量の大きいブロックの熱
伝導を介して間接的に試料両端に温度差を付けるため、
接触電極の昇降温と均熱化に相当の待機時間を要するこ
となどの要因が挙げられる。

また第９図に示す装置については、電気的に制御可能な
電子冷却装置を利用することで、冷却、加熱源の小型化
や電極の冷却、加熱能がアップする改善効果が得られる
ことは確かであるが、反面電子冷却装置を対に設け、そ
れぞれにヒートシンクを設置しなければならないことか
ら、装置の小型簡素化に限度があることを否めず、また
試料両端の温度差を一義的にコントロールできないこと
や、試料のセツティングが面倒なこと等の事情は上記の
場合と相違しない。

更に、冷媒フロ一方式による判別装置の場合、現状では
上述の如く装置的に非常に複雑で測定の作業能率も劣る
。

本発明は、以上のような現状の問題点に照し、ゼーベッ
ク係数を測定して半導体のＰ型、Ｎ型の別を判別するた
めの装置として、構造が簡単で小型コンパクトに集約で
きるとともに、測定作業の能率改善も期待できる判別装
置を新たに提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の判別装置は、試料の冷却、加熱源にペルチェ効
果により吸熱面から発熱面へ熱を移送してヒートポンプ
の作用を営む電子冷却装置を配して構成される。電子冷
却装置を冷却又は加熱源に利用することは、従来例に示
した通り公知の事項に属するが、サーモモジュールはそ
の熱的特性から、片面側の吸熱又は発熱面を目的部材に
接触させ冷却又は加熱手段のいずれか単独の手段として
利用されるのが通例であり、前記従来例の場合もこの使
用態様の範晴から出るものではない。

しかるに、本発明では電子冷却装置の吸熱面と発熱面の
双方を測定する半導体試料の冷却、加熱源として同時に
有効利用するようにし、かつこれら冷却、加熱源と対応
する電極とをそれぞれ熱的に一体化してシステムアップ
されるものである。

本発明では、電子冷却装置として、電子冷却素子のコー
ルド・ジャンクション側に絶縁基板を介して直接吸熱金
属プレートを接合させ、反対側のホット・ジャンクショ
ン側に絶縁基盤を介して直接発熱金属プレートを接合さ
せて構成したものを使用する。ここに吸熱金属プレート
と発熱金属プレートは共に、なるべく熱伝導性と導電性
に優れた材料、通常銅板を用いて形成される。

この電子冷却装置の前記吸熱金属プレートと前記発熱金
属プレートとから対をなす低温プレート電極と高温プレ
ート電極とをそれぞれ一体に延出させる。この電極対は
、試料の接触電極とその冷却又は加熱部材を兼ねる。そ
して、半導体試料のゼーベック係数の測定に際し、両プ
レート電極間に試料を接触させる。具体的には、バルク
状試料の場合は、試料の両端面をプレート電極間に挾み
込ませて圧着し、薄膜状試料の場合は、試料表面の間隔
を置いた部位にプレート電極対をそれぞれ適当な接触圧
の下で密着させる。７：ｃお、これらプレート電極の形
状、間隔寸法等は、もとより半導体試料の形態等の測定
条件に応じて適宜に変更される。

また、本装置にはゼーベック係数を測定する上で必要な
前記低温プレート電極と前記高温プレート電極との間の
温度差を測定する温度差測定手段と、同じく電位差を測
定する電位差測定手段とが具備される。これらの測定手
段には、従来システムと同様、銅・コンスタンタン熱電
対やミリ、マイクロボルトメーターなどを使用すればよ
く、特別のものを要しない。

［作用］ 上記の構成からなる判別装置では、以下のようにして半
導体試料の伝導形式を簡便、迅速に判別することができ
る。

既述のように、低温プレート電極と高温プレート電極と
の間に半導体試料をセットした後、電子冷却装置に直流
電源から所定の極性で直流を通電すると、これに即応し
て、吸熱するコールド・ジャンクション側に接合された
吸熱金属プレートが冷却し、反対側の放熱するホット・
ジャンクション側に接合された発熱金属プレートが加熱
する。

しかるに、低温プレート電極と高温プレート電極とは、
それぞれ吸熱金属プレートと発熱金属プレートとから一
体に延出されたものだから、良好な熱伝導性を通して各
々ダイレクトに冷却、加熱されるものとなる。従って、
電極の冷却、加熱に要する待機時間が大幅に削減され、
低温プレート電極と高温プレート電極との間に接触され
る半導体試料の両端に、必要な温度勾配を瞬時に設定す
ることができる。

このように、本装置によれば、システム始動後直ちに測
定が開始でき、しかもその際の温度差調整が電子冷却素
子に印加する電力量のコントロルによって一義的に行な
えるものとなる。

また、装置本体をなす電子冷却装置は、それ白木、軽量
で小型コンパクトな単一のモジュールに集約されるもの
であり、しかも別個にヒートシンクの設置を要しないも
のであるから、装置全体が非常に構造簡素なものとなり
、組立や移動の便にも適合する。

さらに、本装置の場合、電極の形態が電子冷却装置の二
面から平行に延出される弾性をもったプレート状のもの
であることと、試料をセットするプレート電極対の周囲
には、作業のブラインドとなる冷・熱源等の余計な部材
が排除されるので、試料のセツティングや交換作業の利
便も著しく改善される。

なお、低温プレート電極と高温プレート電極は共に熱伝
導の良好な金属材料で形成され、全稈長尺でない限り熱
的に均等と見做せるから、両プレート電極の適宜対向位
置で温度差を測定すれば、試料両端の温度差を相対誤差
少なく測定できる。

また、電子冷却装置に直接接合された部分を含めて各プ
レート上で電位は等しいから、電極間の任意の２点で電
位差を測定すれば、試料両端に発生する熱起電力を正確
に検出することができる。

［実施例］ 以下、本発明に係る判別装置の実施例を図示して説明す
る。

夾旌医ユ 第１図乃至第４図はバルク状試料に適用される判別装置
の一実施例を示す。

装置本体は、絶縁ゴム２を表面に敷設したベースプレー
ト１の一端側に電子冷却装置３を、他端側に半導体試料
Ｗを保持するための試料保持機構１３を配置して構成さ
れる。

電子冷却装置３は、電子冷却素子を電気的には直列に、
熱的には並列に接続して構成され、図示例のものでは全
体として、偏平な平面正方形のものにアセンブリメント
されている。

電子冷却素子は、Ｎ型半導体とＰ型半導体とのカプルを
、第２図のように、互い違いの位置に配したコールド・
ジャンクションＣＪとホット・ジャンクションＨＪとの
間に交互に接続して組み立てられ、図示の極性で直流を
印加すると、ペルチェ効果（ゼーベック効果の逆の現象
に当る）によりコールド・ジャンクションＣＪ側で吸熱
し、ホット・ジャンクションＨＪ側で吸熱する。もつと
も、極性を逆にすれば、素子のコールド・ジャンクショ
ンＣＪとホット・ジャンクションＨＪとは相互に反転す
る。

前記電子冷却装置３は、第３図に示すように、電子冷却
素子（・・・ＨＪ−Ｎ−ＣＪ−Ｐ−ＨＪ・・・）を平面
上に配列し電気的に直列に接続したものを上下から良熱
伝導性の絶縁基板（ＡＮ　２０３等）４．５で挾み込み
、更にコールド・ジャンクションＣＪ側（上面側）の絶
縁基板４の外側に吸熱金属プレート６を、またホット・
ジャンクションＨＪ側（下面側）の絶縁基板５の外側に
発熱金属プレート７をそれぞれ直接接合して構成される
。しかし、実際には上面側の吸熱金属プレート６、絶縁
基板４及びコールド・ジャンクションＣＪからなる三層
と、下面側の発熱金属プレート７、絶縁基板５及びホッ
ト・ジャンクションＨＪからなる三層は、それぞれ表裏
一対の金属プレート間にセラミックスを挾み込んで一体
に接合したクラツド板で形成されている。すなわち、三
層クラツド板の片側金属プレート面をエツチング等で処
理して必要な導体ジャンクション部分を刻設し、そこに
半導体く熱電素子）を接合して作られている訳である。

このようなサイドイツチ構造のクラツド板を利用する理
由は、接合面での熱伝導性を高めることと同時に、金属
とセラミックスとの熱膨張率の差を打ち消す効果をねら
ったものである。

なお、一般に電子冷却装置のモジュールは、熱電素子を
絶縁基板で挾んだ状態で提供されるものであるから、第
４図のように、絶縁基板４．５の上に別体に用意した吸
熱金属プレート６と発熱金属プレート７とを、各熱伝導
グリスの層８．９を介して接合させ、これを絶縁ビス１
０等で機械的に締結してもよい。

しかして、電子冷却装置３の上面側に接合された吸熱金
属プレート６からは、第１図に示すように、熱容量の小
さい短冊状に形成した低温プレート電極１１が前記試料
保持機構１３の側に向けて一体に延出される。この低温
プレート電極１１はそれ自身、板バネのような弾性を有
する。そして、図示例の場合、測定する試料サイズに応
じて後述する高温プレート電極１２との間隔を調節する
ため、その中途部に屈曲部１１ｂを形成しているととも
に、先端部１１ａを折り曲げ、ここを低温プレート電極
１１の電位測定端子として利用している。

一方、電子冷却装置３の下面側に接合された発熱金属プ
レート７からは、上記の低温プレート電極１１と平行に
高温プレート電極１２が一体に延出される。高温プレー
ト電極１２は、この場合、電子冷却装置３の熱ボンピン
グ作用を高めるヒートシンクを兼ねる目的で、熱容量の
大きい広幅のものに形成しである。そして、発熱金属プ
レート７は高温プレート電極１２と反対側にも延出部１
２ａを有し、この延出部１２ａを高温プレート電極１２
の電位測定端子として利用している。

そして、低温プレート電極１１の先端部近傍と対面する
フラットな高温プレート電極１２との間に直交方向から
測定する半導体試料Ｗを挿入するとともに、前記試料保
持機構１３により、該試料Ｗをプレート電極１１．１２
間に密着させるようにする。この試料保持機Ｗ４１３は
、ベース１の端部から立設したＬ°形ササポート１４、
その頂辺部１４ａに設けたねじ孔１４ｂに螺合されて上
下に昇降可能なスクリュ１５とからなり、試料Ｗを所定
の位置に介在した後、スクリュ１５を降下させ、先端の
圧子１５ａを低温プレート電極１１に圧接することで、
試料両端が電極面に密着される。

その他、本装置にはプレート電極１１．１２の間の温度
差を測定する温度差測定手段１６と、同じく電位差を測
定する電位差測定手段１７とを兼ねてハイブリッド・レ
コーダＨＲが具備される。

すなわち、該レコーダＨＲの入出力端子の一対には、試
料近傍の対向位置でそれぞれプレート電極１１．１２に
点接された熱電対１８ａ、１８ｂが接続され、両者の温
度差ΔＴが測定される。また池の一対には、前述の位置
でプレート電極１１．１２に点接されたリード線１９ａ
、１９ｂが接続され、両者の電位差ΔＶが測定される。

なお、電子冷却装置３は直流電源２０を付帯し、その給
電端子にリード線２１．２１を通じて作動電流が正逆切
替可能に印加される。

以上のような構成からなる判別装置であると、既に説明
したように、非常に構造が単純化されて小型コンパクト
なものに組み立てることができ、次の試験例にも見られ
る通り測定能率も著しくスピードアップされる。

〈試験例〉 第１図に示すシステム構成の判別装置を用い、化合物半
導体の一種で電子冷却装置の熱電素子に利用されるビス
マス・テルル（メルコア社製）について、Ｐ型素子（Ｂ
　ｉｏ、５Ｓｂｔ、５）Ｔｅｓ、Ｎ型素子（Ｂ　ｉ　２
Ｔｅ２．、Ｓｅｏ、ｔ＞の別にそれぞれゼーベック係数
を測定した結果を第１表、第２表に示す。

この試験は、試料をプレート電極間にセットしてから電
子冷却装置に通電開始し、３秒経過後に第１回目の測定
（Ｎα１）を行ない、以ｆ＆３秒置きに次回の測定（Ｎ
α２・・・）を行なって、順次そのときのデータからゼ
ーベック係数を算出したものである。この試験より、本
装置を使用すれば、システム作動直後の比較的小さな温
度差条件でも信頼性の高い判別能が発揮されることが分
かる。なお、試料両端には士数秒の間に十分な温度差を
設定することができ、その段階で当該半導体素子の固有
第１表　　Ｐ型素子 第２表　　Ｎ型素子 のゼーベック係数に測定データが集束して行くことも確
かめられる（この種Ｐ形素子ではゼーベック係数ａ　ｐ
　＝　＋２００　（ｕ　Ｖ／ｄｅｇ）と知られ、同Ｎ形
素子ではゼーベック係数α５＝１９０（μＶ　／ｄｅｃ
＋　）と知られている）。

本装置では、勿論電子冷却装置３の通電方向を逆にし、
低温プレート電極１１と高温プレート電極１２とを反転
させて測定することもできる。また、システムを熱的に
初期化する場合にも、このような操作が有効となり得る
。

また、便宜上、熱起電力の大きい熱電素子の試験例を例
示したが、熱起電力の微弱な試料を対象とする場合は、
常法の通りシステムを真空チャンバに収容して測定する
ことになる。

なお、本装置に付加される試料保持機′Ｍ４１３は例示
のような簡易なもので十分な機能を果すが、必要ならよ
り高精度の機構を採用してもよいし、連続測定を企図す
る場合は試料の自動送り装置等を付加することも自由で
ある。

叉施医ユ 第５図は、本発明に係る判別装置をハンディタイプにア
レンジした実施例を図示している。この場合、低温プレ
ート電極１１と高温プレート電極１２とを可撓性を有す
る上下対称な平行平板形に形成し、試料Ｗをセットする
先端部を内側に折り返して対向する挾持電極面１１Ａ、
１２Ａを形成している。この装置では、プレート電極１
１．１２の先端部の挾持電極面１１Ａ、１２Ａに試料Ｗ
を挾み込み、適当な圧着力Ｆをプレート電極１１．１２
に与えて試料Ｗを密着保持し測定する。

大施医旦 第６図は、例えばＧａＡｓのように検出熱起電力が小さ
く、温度依存性の大きい半導体試料の測定に対応するた
めに改善されたカスケードタイプの実施例を図示してい
る。この場合、複数段の電子冷却装置（３Ａ〜３Ｄ）を
積層し、熱的に直列に接続することにより、最上段から
延出される低温プレート電極１１と最下段から延出され
る高温プレート電極１２との間に設定可能な温度差ΔＴ
を倍加できるようにしている。かくすれば、電気的攪乱
や外乱の少ない温度域（低温端一２０℃程度以下）での
ゼーベック係数測定が可能になる。

なお、図示例のシステムでは、説明の便宜上、複数別体
のモジュールを多段に接合させたものを図示しているが
、これは勿論単一のモジュールとして設計することも可
能である。

夾旌躬Ａ 第７図は、例えば基板２２に膜付けされたもの等、薄膜
試料Ｗに適用すべく設計された実施例を図示している。

このものでは第５図に例示したハンディタイプと同様に
設計されているとともに、各プレート電極１１．１２の
先端部を外側に折り曲げて、膜厚計（パーマスコープ）
のプローブ様探子１１Ｂ、１２Ｂを形成している。測定
に際しては、他端に介装しているスプリング２３のバネ
作用を介して、電子冷却装置３と一体に両探子１１Ｂ、
１２Ｂを試料Ｗの間隔を置いた面に密着状に接触させる
。このように構成すれば、近年の薄膜化半導体のニーズ
にも対応し得る。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明の判別装置は単一のモジュールから
なる電子冷却装置を冷却、加熱源に兼用し、その吸熱金
属プレートと発熱金属プレートとからそれぞれ一体に低
温プレート電極と高温プレート電極を延出させる構成を
採用しているので、以下の効果を奏する。

まず、第１に装置全体が構造簡素で小型コンパクトに集
約できる特徴が得られる。第２には、待機時間を要せず
測定が短時間で迅速に行えるものとなる。第３には、測
定端子の接続、試料両端の温度差の設定並びに試料のセ
ツティング等の作業が簡便に行なえる利点がある。第４
には、半導体試料の種別や形態の変化に対し、容易に対
応できる汎用性を備えることが挙げられる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の第１実施例を示す。 第１図は装置全体の斜視図、第２図は電子冷却素子の回
路図、第３図は電子冷却装置の断面図、第４図は同変形
例を示す断面図である。第５図は本発明の第２実施例を
示す斜視図である。第６図は本発明の第３実施例を示す
断面図である。第７図は本発明の第４実施例を示す断面
図である。第８図は従来例を示す説明図であり、第９図
は改良従来例を示す説明図である。 Ｐ・・・Ｐ型半導体（熱電素子） Ｎ・・・Ｎ型半導体（熱電素子） ＣＪ・・・コールド・ジャンクション ＨＪ・・・ホット・ジャンクション ３．３Ａ〜３Ｄ・・・電子冷却装置 ４．５・・・絶縁基板 ６・・・吸熱金属プレート ７・・・発熱金属プレート １１・・・低温プレート電極 １２・・・高温プレート電極 １６・・・温度差測定手段 １７・・・電位差測定手段 Ｗ・・・半導体試料 特許出願人　日本アルミニウム工業株式会社同　　　三
　和　研　磨　工業株式会社第３図 第５図 第６ 図 第 ７図 第８ 図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子冷却素子のコールド・ジャンクション側に吸熱金属
   プレートを、ホット・ジャンクション側に発熱金属プレ
   ートを接合してなる電子冷却装置を配し、この電子冷却
   装置の前記吸熱金属プレートと前記発熱金属プレートと
   から対をなす低温フード電極と高温プレート電極とをそ
   れぞれ一体に延出させ、これら電極間に半導体試料を接
   触させるとともに、前記低温プレート電極と前記高温プ
   レート電極との間の温度差を測定する温度差測定手段と
   、同じく電位差を測定する電位差測定手段とを具備して
   なることを特徴とする半導体の伝導形式判別装置。