JPH033946B2

JPH033946B2 -

Info

Publication number: JPH033946B2
Application number: JP58056832A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Morita; Shiro Sato
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1983-04-02
Filing date: 1983-04-02
Publication date: 1991-01-21
Also published as: JPS59184539A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は半導体結晶、例えばSi、GaAs、GaP
などの結晶中に存在する転位密度の測定方法に関
し、特に、歩留り良くデバイスを作製するため
に、結晶を破壊することなく、迅速に、かつ容易
に転位密度を測定しようとするものである。

現在作製されている半導体単結晶には多くの転
位が含まれており、例えばGaAs単結晶は、10²〜
10⁵cm／cm³程度の転位（線状欠陥）を含んでいる
ことが知られている。

これら転位の存在は、結晶中にトラツプ準位を
作り、キヤリアーの易動度を低下させたり、ある
いは発光ダイオードやレーザーダイオードの発光
特性や寿命を劣化するなどデバイス特性に悪影響
を及ぼす。

また、一般に、転位密度はウエーハ毎に異な
り、ウエーハ面内においても不均一な分布をとる
ことが多い。

従来、結晶中の転位密度は電気的に測定するこ
とができないので、次の方法がとられていた。

(1) エツチピツト法この方法は、溶液反応を利用したもので、半
導体結晶ごとに、適当な腐食液、例えばGaAs
単結晶に対しては硫酸H₂SO₄と過酸化水素
（H₂O₂）の混合水溶液を用い、この溶液に結晶
を浸して、転位が結晶表面に交わつた個所を溶
解させてくぼみ（エツチピツト）を作り、これ
を光学顕微鏡などを用いて計数する。

この方法は、結晶表面にくぼみを作るので、
測定した結晶をそのままデバイスの作製に用い
ることができないという欠点を有している。さ
らに、腐食液の成分が結晶中に侵入する恐れも
大きく、特に分子線エピタクシー（MBE）で
作製された超薄膜結晶についての測定には適用
することができない。

(2) エツチヒロツク法この方法では、(1)に述べた方法と異なり、転
位が結晶表面に交つた個所が隆起するように腐
食したり熱処理を行う。

例えば、転位が交わつた個所と熱化学反応を
起して特殊な酸化物を生成する物質を結晶表面
に塗布しておき、熱処理を施して酸化物を生成
させる。次に、転位のない表面部分にある物質
を溶解して転位が表面と交わつた個所に酸化物
の隆起を残し、これを(1)と同様に光学顕微鏡な
どを用いて計数する。

この方法も、長時間にわたつて結晶を高温で
熱処理する必要がある場合も生じ、結晶の微細
構造が損傷されるという欠点を有している。

(3) デコレーシヨン法転位が存在している個所には、一般に応力が
働いており、不純物原子をこのような結晶中に
高温で拡散させると、不純物原子は転位の近傍
に集まりやすい。母体結晶が可視光に対して透
明であつて、不純物原子が可視領域に吸収をも
つならば、可視光によりこのような結晶を照射
し、光学顕微鏡を用いて観察すると、転位のと
ころが色づいて見える。この方法を用いると、
転位の立体配置を観察することが可能である。

しかし、この方法も、高温で熱処理を行うの
で、破壊検査の一種である。

(4) Ｘ線回折顕微法一般に完全結晶では多重反射が起こるので、
Ｘ線の回折強度は弱い。しかし、結晶中に転位
があると、多重反射による散乱が生じないの
で、このような結晶からのＸ線回折強度は、強
くなる。従つて、Ｘ線フイルム、乾板あるいは
Ｘ線に感度をもつテレビカメラなどを用いるこ
とによつて転位を撮像することができる。

しかし、Ｘ線回折顕微法は、シリコン結晶で
は広く用いられているが、GaAsのような半導
体はSiに比べてＸ線に対する吸収係数が10倍程
度大きいので、撮像に長時間を要する。また、
強力なＸ線を用いて短時間に撮像を行うことも
できるが、装置が極めて高価なものとなる。し
たがつて、従来、GaAsに対しては、欠点はあ
るものの、エツチピツト法による評価が主とし
て行われていた。

そこで、本発明の目的は、かかる欠点を解決し
て半導体結晶中の転位密度を、結晶を破壊するこ
となく、迅速かつ容易に測定しようとするもので
ある。

かかる目的を達成するために、本発明は、断続
光を半導体結晶についての試料に照射して、試料
に断続的に熱を生ぜしめ、試料に接する気体を膨
張、収縮させて音響波を発生させ、音響波を検出
する光音響分光装置を用い、転位密度が既知の半
導体結晶についての複数個の標準試料を用意し、
複数個の標準試料についての音響信号を光音響分
光装置により測定し、転位密度と音響信号との関
係を示す特性曲線を求め、転位密度が未知の試料
についての音響信号を光音響分光装置により測定
し、その測定された音響信号に対する転位密度を
特性曲線から読み取ることにより、未知試料につ
いての転位密度を測定することを特徴とするもの
である。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図に本発明測定方法に用いる光音響分光法
の測定装置の一例を示す。ここで、１はキセノン
アークランプであり、この光をモノクロメーター
（分光器）２を通して単色化する。その単色光出
力をメカニカル光チヨツパー３により数10Hzの断
続光となし、この断続光を、ビームスプリツター
４により２分割し、その一方をプリズム５を通し
て試料照射光６となし光音響（PA）セル７中の
半導体結晶試料に照射する。一方、断続光の約10
％をビームスプリツター４によつて分割し、その
分割光を参照光８として周波数依存性がない物
質、例えばすすを入れた参照用光音響（PA）セ
ル９に入射させる。参照セル９を用いるのは、入
射光強度が波長によつて異なるので、後述するよ
うに、入射光強度で音響信号を規格化することに
より、入射光強度に依存しない信号出力を得るた
めである。

PAセル７および９からの各音響信号１０およ
び１１を光チヨツパー３から得た同期信号１２と
共に、それぞれ、同期整流増幅器１３および１４
に供給して帯域幅を絞つて位相検波を行い、整流
出力１５および１６をそれぞれ得る。次いで、除
算器１７において、未知試料に対する整流出力１
５を参照光整流出力１６で除算し、規格化された
音響出力を取り出し、この規格化された音響出力
を記録計１８により記録する。

第２図に、上述した光音響セル７または９の内
部構造の一例を示す。ここで、２１はパイレツク
スガラス容器であり、この容器２１には研磨した
ステンレス基板２２を収容し、その基板２２上に
は、熱伝導性グリース２３を介して、十分に化学
研磨された半導体結晶、例えばGAs単結晶を試
料２４としてはりつける。２５はしんちゆう製の
試断ホルダである。この容器２１の上方には石英
窓２６を固着し、試料２４上に容器２１の内壁と
石英窓２６とで限界される空間にはガス、例えば
３０を封入しておく。更に、マイクロホン２７を
収容したアルミニウム製の気密容器２８を容器２
１と隣接して配置し、上述の空間と、マイクロホ
ン２７の収容されている気密空間とを音響ガイド
２９を介して連通させる。

ここで、第１図示のプリズム５からの断続単色
光が石英窓２６を介して試料２４に入射すると、
この試料２４が断続的に加熱され、従つて断続的
に熱が発生して、試料２４に接するガス３０が繰
返し膨張・収縮して音響波が発生する。この音響
波は音響ガイド２９を通して気密容器２８中に内
蔵されているマイクロホンにより検出される。

このような光音響分光装置を用いて、転移密度
の予めわかつている種々のGaAs単結晶について
音響信号を測定した結果、第３図および第４図に
示すように転移密度と音響信号との間に相関関係
のあることが確認された。第３図は、GaAs単結
晶の４個の標準試料Ａ，AB，Ｂ，Ｃについて、
大きさと厚みをそろえ、これらの試料の転位密度
（エツチピツト密度）をエツチピツト法により測
定してその値［cm^-2］を横軸にとり、縦軸には、
これらの試料に半透明波長1500nｍ（約0.82eV；
●印）と1470nｍ（約0.84eV；〇印）の断続単色
光（断続周波数33Hz）を照射して音響信号強度を
測定し、試料Ａを基準にして（音響信号強度を１
とする）規格化、すなわち他の試料との音響信号
強度の比をプロツトし、各点を点線で結んだもの
である。ここで照射光として1500nｍと1470nｍ
を用いたのは、このエネルギー領域に不純物もし
くは空孔などの欠陥に起因すると考えられる吸収
体があるからである。この図から明らかなよう
に、転位密度が10³／cm²〜10⁵／cm²の範囲では、音
響信号（点線）は転位密度と共に約４割も減少す
る。

次に第３図の場合と同じ試料に不透明波長
（840nｍ）の断続光（33Hz）を照射して得た結果
を第４図に示す。第３図と異なり、840nｍの光
に対して音響信号強度は転位密度と共に増大し、
変化の割合はきわめて少ない。

この結果は定性的に次のように解釈することが
できる。

バンドギヤツプより大きなエネルギーの光で
GaAs単結晶を照射したとき、GaAsは〜0.65eV
および1.41eVの蛍光を発生するが、これらの蛍
光量子効率の総和をηとし、吸収係数をα、反射
率をＲとすれば、音響信号強度は、不透明波長で
は（１−Ｒ）（１−η）に比例し、半透明波長で
は（１−Ｒ）α（１−η）に比例することが知ら
れている。このうち、Ｒは試料を変えても変化し
ない。さらにまた、第４図によれば不透明波長に
おける信号の転移密度依存性はきわめてわずかで
あるから、ηは転位密度にほとんど依存しない。
それゆえ、半透明波長における転移密度依存性の
音響信号の変化は吸収係数αに依存するものであ
り、αの変化はバンド間に存在する不純物レベル
による光の吸収が転移密度の増加につれて減少し
たためと理解される。転移の箇所では不純物や点
欠陥が補捉され、補捉された不純物は不純物準位
の形式に寄与しなくなると考えられる。

このように、あらかじめ音響信号Ｉと転位密度
との関係を示す特性曲線を得ておけば、標準試料
と大きさおよび厚みが同じ未知試料について音響
信号を測定し、前述した試料Ａの音響信号との比
をとることにより、転位密度を簡単にかつ非破壊
で知ることができる。また、上述したごとく比を
とらず各試料についての音響信号の強度と転位密
度との関係を示す特性曲線を得て、この曲線を用
いて未知試料の転位密度を測定することも可能で
ある。

なお、試料の大きさと厚みを揃えたのは実験の
都合によるものであり、必ずしも揃える必要はな
い。

以上述べたことから明らかなように、本発明に
よれば、 (1) 転位密度を結晶を破壊することなく簡単な光
音響分光装置を用いて測定することができる。

(2) １個の結晶についての測定時間は10分以内で
あり、エツチピツト法などに比べて迅速な測定
が可能である。

(3) 照射光を走査して広い面積をもつ試料につ
き、試料上の各点の音響信号を測定しておけ
ば、広い面積をもつ試料の転位密度の測定も可
能である。

(4) 本発明測定方法は、GaAsの他にもGaPなど
他の半導体結晶の転位密度の測定のみならず、
広く絶縁体結晶の転位密度の測定にも有効に適
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明測定方法で用いる光音響分光装
置の一例を示すブロツク線図、第２図はその光音
響セルの具体例を示す断面図、第３図および第４
図は転位密度と規格化光音響信号強度との関係を
示す特性曲線図である。１……キセノンアークランプ、２……モノクロ
メーター、３……メカニカルチヨツパー、４……
ビームスプリツター、５……プリズム、６……試
料照射光、７……光音響（PA）セル、８……参
照光、９……参照用光音響（PA）セル、１０…
…音響信号、１１……参照光音響信号、１２……
同期信号、１３，１４……同期整流増幅器、１
５，１６……整流出力、１７……除算器、１８…
…記録計、２１……パイレツクスガラス容器、２
２……ステンレス基板、２３……熱伝導性グリー
ス、２４……試料、２５……しんちゆう製試料ホ
ルダ、２６……石英窓、２７……マイクロホン、
２８……アルミニウム製気密容器、２９……音響
ガイド、３０……ガス。

Claims

【特許請求の範囲】１断続光を半導体結晶についての試料に照射し
て、前記試料に断続的に熱を生ぜしめ、前記試料
に接する気体を膨張、収縮させて音響波を発生さ
せ、前記音響波を検出する光音響分光装置を用
い、転位密度が既知の半導体結晶についての複数
個の標準試料を用意し、該複数個の標準試料につ
いての音響信号を前記光音響分光装置により測定
し、前記転位密度と前記音響信号との関係を示す
特性曲線を求め、転位密度が未知の試料について
の音響信号を前記光音響分光装置により測定し、
その測定された音響信号に対する転位密度を前記
特性曲線から読み取ることにより、当該未知試料
についての転位密度を測定することを特徴とする
半導体結晶の転位密度測定方法。２特許請求の範囲第１項記載の方法において、
前記複数個の標準試料のうちの１個に対する他の
標準試料の音響信号の比を算出して前記特性曲線
を求めることを特徴とする半導体結晶の転位密度
測定方法。３特許請求の範囲第１項または第２項のいずれ
かの項に記載の方法において、前記断続光の波長
を、前記試料として用いる半導体結晶の吸収帯の
波長に設定することを特徴とする半導体結晶の転
位密度測定方法。