JPH0787212B2 - ビーム変調分光装置 - Google Patents
ビーム変調分光装置Info
- Publication number
- JPH0787212B2 JPH0787212B2 JP63002210A JP221088A JPH0787212B2 JP H0787212 B2 JPH0787212 B2 JP H0787212B2 JP 63002210 A JP63002210 A JP 63002210A JP 221088 A JP221088 A JP 221088A JP H0787212 B2 JPH0787212 B2 JP H0787212B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crystal
- electron beam
- modulation
- semiconductor crystal
- electric field
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体材料のキャラクタリゼーションや半導
体デバイスの開発に用いられるビーム変調分光装置に関
するものである。
体デバイスの開発に用いられるビーム変調分光装置に関
するものである。
半導体結晶のエネルギーバンド構造パラメータを実験的
に決定する方法として、従来から変調分光法が知られて
いる。この方法では、結晶に外部からパルス状の電界、
圧力、または温度に加え、これにより引き起こされる誘
電率の変化分のみを分光ビームの反射率変化分としてロ
ックイン増幅器などによりフェーズセンシチィブに検出
する。そのため、測定時のバックグラウンド雑音を除去
でき、極めて高精度な分光測定が可能となる。
に決定する方法として、従来から変調分光法が知られて
いる。この方法では、結晶に外部からパルス状の電界、
圧力、または温度に加え、これにより引き起こされる誘
電率の変化分のみを分光ビームの反射率変化分としてロ
ックイン増幅器などによりフェーズセンシチィブに検出
する。そのため、測定時のバックグラウンド雑音を除去
でき、極めて高精度な分光測定が可能となる。
特に、最も高い測定精度が得られる電界変調分光法は、
現在、半導体物理現像の理解だけでなく、エレクトロニ
クス用半導体材料の重要なキャラクタリゼーション技術
となっている。しかし、電界変調分光法には、以下の問
題がある。即ち、 （１）結晶に局所的な高電界（104V/cm以上）を印加す
るため、その表面にショットキー電極等を形成する必要
がある。そのため、電子（または正孔）濃度が1014〜10
16cm-3の範囲内にある結晶のみが測定対象となり、電子
（または正孔）濃度が1016cm-3以上の結晶や半絶縁性結
晶には適用できない。
現在、半導体物理現像の理解だけでなく、エレクトロニ
クス用半導体材料の重要なキャラクタリゼーション技術
となっている。しかし、電界変調分光法には、以下の問
題がある。即ち、 （１）結晶に局所的な高電界（104V/cm以上）を印加す
るため、その表面にショットキー電極等を形成する必要
がある。そのため、電子（または正孔）濃度が1014〜10
16cm-3の範囲内にある結晶のみが測定対象となり、電子
（または正孔）濃度が1016cm-3以上の結晶や半絶縁性結
晶には適用できない。
（２）ショットキー電極やオーミック電極など金属電極
を必要とするため、非破壊の測定ができない。
を必要とするため、非破壊の測定ができない。
（３）技術的にショットキー電極の形成可能な、せいぜ
い1mm2までの領域にわたる平均的情報が得られ、μ−キ
ャラクタリセーションがむずかしい。
い1mm2までの領域にわたる平均的情報が得られ、μ−キ
ャラクタリセーションがむずかしい。
上記問題点のため、電界変調分光法は、近年急速に開発
の進んでいる半絶縁性結晶やエピタキシャル成長薄膜の
μ−キャラクタリゼーションに対しては全く無力であっ
た。そのため、これに代わる新しい、かつ汎用的な測定
法の開発が切望されていた。
の進んでいる半絶縁性結晶やエピタキシャル成長薄膜の
μ−キャラクタリゼーションに対しては全く無力であっ
た。そのため、これに代わる新しい、かつ汎用的な測定
法の開発が切望されていた。
本発明は、これらの欠点を除去するため為されたもの
で、パルス状の電子ビーム、または光ビームを変調源と
して用いる事により、如何なる伝導特性を持つ半導体結
晶に対しても、金属電極を形成することなく、微小領域
のエネルギーバンド構造パラメータを決定することを可
能にしたものである。
で、パルス状の電子ビーム、または光ビームを変調源と
して用いる事により、如何なる伝導特性を持つ半導体結
晶に対しても、金属電極を形成することなく、微小領域
のエネルギーバンド構造パラメータを決定することを可
能にしたものである。
本発明は、半導体結晶に分光ビームを照射する光源と、
上記半導体結晶に電子ビームまたは光ビームのパルスを
照射してキャリアを発生させるビームソースと、上記半
導体結晶において上記キャリアが発生したときに引き起
こされる誘電率の変化分を分光ビームの反射率の変化分
として位相検波する検波器とを具備してなることを特徴
とするものである。
上記半導体結晶に電子ビームまたは光ビームのパルスを
照射してキャリアを発生させるビームソースと、上記半
導体結晶において上記キャリアが発生したときに引き起
こされる誘電率の変化分を分光ビームの反射率の変化分
として位相検波する検波器とを具備してなることを特徴
とするものである。
第１図は、本発明の一実施例を示す図である。この図の
装置においては、ビームソース（電子ビームまたはレー
ザビームソース）１からのビームをビーム変調用チョッ
パ（ライトチョッパまたはビームブランキング装置）３
によりパルス電子ビーム11とし、このパルス電子ビーム
11を試料（半導体結晶）８に照射する。一方、白色光源
12からの光を分光器２で分光すると共にこの分光器２に
より分光されたビーム９を試料８に照射し、その反射光
ビーム10の強度を光検出器４で受光しその信号をロック
イン増幅器（検波器）５を通してレコーダ７にトレース
させる。エレクトロニックサーボ６は光検出器４の受光
感度を制御するサーボ式高圧電源で、このエレクトロニ
ックサーボ６により種々の波長を有する分光ビーム９に
対して光検出器４の直流出力を常に一定に保持すること
ができる。この条件下では、ロックイン増幅器５の出力
は試料８に加えた外部からの変調成分、即ち電子ビーム
11により変調された反射率信号、のみを高感度に検出で
きる。
装置においては、ビームソース（電子ビームまたはレー
ザビームソース）１からのビームをビーム変調用チョッ
パ（ライトチョッパまたはビームブランキング装置）３
によりパルス電子ビーム11とし、このパルス電子ビーム
11を試料（半導体結晶）８に照射する。一方、白色光源
12からの光を分光器２で分光すると共にこの分光器２に
より分光されたビーム９を試料８に照射し、その反射光
ビーム10の強度を光検出器４で受光しその信号をロック
イン増幅器（検波器）５を通してレコーダ７にトレース
させる。エレクトロニックサーボ６は光検出器４の受光
感度を制御するサーボ式高圧電源で、このエレクトロニ
ックサーボ６により種々の波長を有する分光ビーム９に
対して光検出器４の直流出力を常に一定に保持すること
ができる。この条件下では、ロックイン増幅器５の出力
は試料８に加えた外部からの変調成分、即ち電子ビーム
11により変調された反射率信号、のみを高感度に検出で
きる。
次にパルス電子ビーム11を用いることにより得られる変
調効果について説明する。第２図は、半絶縁性結晶に電
子ビームパルス変調を加えた場合の、結晶表面近傍のバ
ンド変形と表面電界発生の様子を示す。第２図（ａ）
は、電子ビーム11が照射されない条件下での表面のバン
ド図であり、反射光測定用入射分光ビーム９の入射領域
（ｄ）において表面バンドはフラットであり表面電界は
存在しない。一方、第２図（ｂ）は、電子ビーム11が照
射されたときのバンドの変形を示す。図に示したよう
に、電子ビーム11により表面近傍に光キャリア13が発生
し、伝導帯、及び価電子帯は変形し、表面に局所した電
界が発生する。この条件下では、結晶表面からの分光反
射光10の強度（ＩＲ′）は、第２図（ａ）の反射光強度
（IR）とは異なる。したがって、結晶に電子ビーム11を
照射したことにより発生した表面電界により、反射光強
度において、ΔIR＝IR−ＩＲ′、だけの変化が誘起され
たことになる。この反射光強度差（ΔIR）は、時間に対
して、第２図（ｃ）に示すごとく、T2の周期（パルスビ
ームの周期）で繰り返される。従って、第１図に示した
装置構成では、任意の波長（λ）を有する分光ビーム９
に対しパルス電子ビーム11により変調された反射強度差
（ΔIR）は、分光入射ビーム９の波長（λ）を走査した
時、その値が測定半導体結晶のバンドギャップエネルギ
ー（Eg）に対応する波長（λｇ）になるところで、急激
に増大する。そのため、パルス電子ビーム11の変調周波
数に同期されたロックイン増幅器５を通すことにより、
急峻なスペクトルがレコーダ７上に記録され、Egの値を
きわめて精度良く求める事が出来る。
調効果について説明する。第２図は、半絶縁性結晶に電
子ビームパルス変調を加えた場合の、結晶表面近傍のバ
ンド変形と表面電界発生の様子を示す。第２図（ａ）
は、電子ビーム11が照射されない条件下での表面のバン
ド図であり、反射光測定用入射分光ビーム９の入射領域
（ｄ）において表面バンドはフラットであり表面電界は
存在しない。一方、第２図（ｂ）は、電子ビーム11が照
射されたときのバンドの変形を示す。図に示したよう
に、電子ビーム11により表面近傍に光キャリア13が発生
し、伝導帯、及び価電子帯は変形し、表面に局所した電
界が発生する。この条件下では、結晶表面からの分光反
射光10の強度（ＩＲ′）は、第２図（ａ）の反射光強度
（IR）とは異なる。したがって、結晶に電子ビーム11を
照射したことにより発生した表面電界により、反射光強
度において、ΔIR＝IR−ＩＲ′、だけの変化が誘起され
たことになる。この反射光強度差（ΔIR）は、時間に対
して、第２図（ｃ）に示すごとく、T2の周期（パルスビ
ームの周期）で繰り返される。従って、第１図に示した
装置構成では、任意の波長（λ）を有する分光ビーム９
に対しパルス電子ビーム11により変調された反射強度差
（ΔIR）は、分光入射ビーム９の波長（λ）を走査した
時、その値が測定半導体結晶のバンドギャップエネルギ
ー（Eg）に対応する波長（λｇ）になるところで、急激
に増大する。そのため、パルス電子ビーム11の変調周波
数に同期されたロックイン増幅器５を通すことにより、
急峻なスペクトルがレコーダ７上に記録され、Egの値を
きわめて精度良く求める事が出来る。
以上の説明で明らかになったように、本発明に依り、従
来の変調分光法では不可能であった半絶縁性結晶のバン
ドギャップエネルギー（Eg）を高精度に高めることが可
能になった。更に、金属電極が不用になるので非破壊で
の測定が可能となるとともに、ビームを用いるので、μ
ｍ程度の空間分解能で微小領域のEgを決定することが可
能となる。
来の変調分光法では不可能であった半絶縁性結晶のバン
ドギャップエネルギー（Eg）を高精度に高めることが可
能になった。更に、金属電極が不用になるので非破壊で
の測定が可能となるとともに、ビームを用いるので、μ
ｍ程度の空間分解能で微小領域のEgを決定することが可
能となる。
以上、パルス電子ビームを用いた場合を説明したが、Eg
より大きいエネルギーを有するパルスレーザビームを用
いたときも全く同様の原理による変調効果が生じる。ま
た、半絶縁性結晶以外の他の伝導特性、ｎ型またはｐ
型、を有する結晶の場合も、同様の原理により、パルス
ビーム照射により高精度なEg決定が可能となることは明
らかである。
より大きいエネルギーを有するパルスレーザビームを用
いたときも全く同様の原理による変調効果が生じる。ま
た、半絶縁性結晶以外の他の伝導特性、ｎ型またはｐ
型、を有する結晶の場合も、同様の原理により、パルス
ビーム照射により高精度なEg決定が可能となることは明
らかである。
次に、本発明の装置を用いて測定した例に基づいて説明
する。第３図は、本発明によるEg測定に用いた試料の構
成図を示すもので、III−Ｖ族化合物半導体であるGaAs
の半絶縁性結晶基板14上に、分子線エピタキシャル法に
より約３μｍ厚のAl0.28Ga0.72As薄膜15を10μｍの間隔
（ｐ）で選択的に成長させたもので、変調用レーザビー
ム11として、直径３μｍのパルスArイオンレーザビーム
を使用した。入射分光ビーム９の直径（Ｄ）は約1000μ
ｍである。第４図は、測定結果を示すもので、入射分光
ビーム９を試料表面に照射しつつ、Arイオンレーザスポ
ットの位置を約２μｍ間隔で移動したときに得られたEg
の面内分布である。図から明らかなように、Al0.28Ga
0.72As薄膜15の1.72eVのバンドギャップ信号の間に、Ga
As結晶14のバンドキャップ信号、Eg＝1.43eVが10〜20μ
ｍの間のスポット位置で検出されており、本装置の基本
性能が確認された。本発明により得られる空間的分解能
は、レーザまたは電子ビームの直径に強く依存する。限
界値はおおよそ１〜２μｍであった。
する。第３図は、本発明によるEg測定に用いた試料の構
成図を示すもので、III−Ｖ族化合物半導体であるGaAs
の半絶縁性結晶基板14上に、分子線エピタキシャル法に
より約３μｍ厚のAl0.28Ga0.72As薄膜15を10μｍの間隔
（ｐ）で選択的に成長させたもので、変調用レーザビー
ム11として、直径３μｍのパルスArイオンレーザビーム
を使用した。入射分光ビーム９の直径（Ｄ）は約1000μ
ｍである。第４図は、測定結果を示すもので、入射分光
ビーム９を試料表面に照射しつつ、Arイオンレーザスポ
ットの位置を約２μｍ間隔で移動したときに得られたEg
の面内分布である。図から明らかなように、Al0.28Ga
0.72As薄膜15の1.72eVのバンドギャップ信号の間に、Ga
As結晶14のバンドキャップ信号、Eg＝1.43eVが10〜20μ
ｍの間のスポット位置で検出されており、本装置の基本
性能が確認された。本発明により得られる空間的分解能
は、レーザまたは電子ビームの直径に強く依存する。限
界値はおおよそ１〜２μｍであった。
以上の説明から明らかなように、本発明の装置では、電
子ビームまたは光ビームを変調源として用いるので、試
料表面の微小領域でのバンドギャップエネルギー（Eg）
を高精度に測定することが出来る。従って、試料表面を
ビーム走査することにより、Egの結晶面内における２次
元分布を測定できるので、化合物半導体固溶体薄膜結晶
の不均一性の定量的評価に利用すれば極めて有効であ
る。また本発明は、如何なる伝導特性を持つ半導体結晶
に対しても、金属電極を形成することなく、微小領域の
エネルギーバンド構造パラメータを決定することが可能
である。
子ビームまたは光ビームを変調源として用いるので、試
料表面の微小領域でのバンドギャップエネルギー（Eg）
を高精度に測定することが出来る。従って、試料表面を
ビーム走査することにより、Egの結晶面内における２次
元分布を測定できるので、化合物半導体固溶体薄膜結晶
の不均一性の定量的評価に利用すれば極めて有効であ
る。また本発明は、如何なる伝導特性を持つ半導体結晶
に対しても、金属電極を形成することなく、微小領域の
エネルギーバンド構造パラメータを決定することが可能
である。
第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
（ａ）〜（ｃ）はパルス電子ビーム照射により得られる
変調効果を説明するための図であって、同図（ａ）およ
び（ｂ）は半絶縁結晶に電子ビームパルス変調を加えた
場合の結晶表面近傍のバンド変形と表面電界発生の状況
を示す図、同図（ｃ）はパルスビーム照射による表面電
界及び反射光強度差の時間的変化の様子を示す図、第３
図は本発明の装置によるバンドギャップエネルギー測定
に用いた試料の構成図、第４図は第３図の試料を用いた
測定結果を示す図である。 １……ビームソース（電子ビームまたはレーザビームソ
ース）、 ２……分光器、 ３……ビーム変調用チョッパ（ライトチョッパまたはビ
ームブランキング装置）、 ４……光検出器、 ５……検波器（ロックイン増幅器）、 ６……エレクトロニックサーボ、 ７……レコーダ、 ８……半導体結晶（試料）、 ９……入射分光ビーム、 10……反射分光ビーム、 11……パルスレーザビームまたはパルス電子ビーム、 12……光源（白色光源）、 13……ビーム照射により発生した表面光キャリア、 14……半絶縁性GaAs結晶基板、 15……Al0.28Ga0.72As薄膜。
（ａ）〜（ｃ）はパルス電子ビーム照射により得られる
変調効果を説明するための図であって、同図（ａ）およ
び（ｂ）は半絶縁結晶に電子ビームパルス変調を加えた
場合の結晶表面近傍のバンド変形と表面電界発生の状況
を示す図、同図（ｃ）はパルスビーム照射による表面電
界及び反射光強度差の時間的変化の様子を示す図、第３
図は本発明の装置によるバンドギャップエネルギー測定
に用いた試料の構成図、第４図は第３図の試料を用いた
測定結果を示す図である。 １……ビームソース（電子ビームまたはレーザビームソ
ース）、 ２……分光器、 ３……ビーム変調用チョッパ（ライトチョッパまたはビ
ームブランキング装置）、 ４……光検出器、 ５……検波器（ロックイン増幅器）、 ６……エレクトロニックサーボ、 ７……レコーダ、 ８……半導体結晶（試料）、 ９……入射分光ビーム、 10……反射分光ビーム、 11……パルスレーザビームまたはパルス電子ビーム、 12……光源（白色光源）、 13……ビーム照射により発生した表面光キャリア、 14……半絶縁性GaAs結晶基板、 15……Al0.28Ga0.72As薄膜。
Claims (1)
- 【請求項１】半導体結晶に分光ビームを照射する光源
と、上記半導体結晶に電子ビームまたは光ビームのパル
スを照射してキャリアを発生するビームソースと、上記
半導体結晶において上記キャリアが発生したときに引き
起こされる誘電率の変化分を分光ビームの反射率の変化
分として位相検波する検波器とを具備してなることを特
徴とするビーム変調分光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63002210A JPH0787212B2 (ja) | 1988-01-08 | 1988-01-08 | ビーム変調分光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63002210A JPH0787212B2 (ja) | 1988-01-08 | 1988-01-08 | ビーム変調分光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01181434A JPH01181434A (ja) | 1989-07-19 |
| JPH0787212B2 true JPH0787212B2 (ja) | 1995-09-20 |
Family
ID=11522987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63002210A Expired - Lifetime JPH0787212B2 (ja) | 1988-01-08 | 1988-01-08 | ビーム変調分光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0787212B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004265945A (ja) * | 2003-02-21 | 2004-09-24 | Sumitomo Chem Co Ltd | 半導体エピタキシャル結晶ウエハの品質判定方法並びにこれを用いたウエハ製造方法 |
| CN103080725B (zh) * | 2010-07-21 | 2016-08-10 | Imec公司 | 用于确定有效掺杂物分布的方法 |
-
1988
- 1988-01-08 JP JP63002210A patent/JPH0787212B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01181434A (ja) | 1989-07-19 |
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