JPS58155732A - キヤリア寿命測定装置 - 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】 本発明は、半導体におけるｐ　−ｎ接合の接合抵抗が再
結合電流によって支配されているときの空乏層内のキャ
リア寿命を測定する装置に関する。

一般に、ｐ−ｎ接合ダイオードの電流−電圧特性は次式
で表わされることは良く知られている。

ただし、Ｊ４はダイオード電流密度、ＪＩは飽和電流密
度、■−はダイオード印７１Ｅｌ電圧、ｑは電子の電荷
、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｍは１かそれ以上の
数を表わす。理想的なダイオードではキャリアの拡散に
よって電流が流れ、ｍ＝１である。しかし、８にのよう
に真性キャリア濃度ｎｌが小さい場合には、キャリアの
再結合による電流が支配的となり　、ｍ　＝　２で与え
られる特性となる。結局、再結合による電流が支配的な
ダイオードの電流−電圧特性は、横軸に８　Ｖ　ａ　／
　ｋ　Ｔ。

縦軸にｔｏｇｅ　（Ｊａ／Ｊ−）をとると第１図のよう
になる。すなわち、再結合電流が支配的な領域では直流
の頑きが２となる。従って、この直線がＶａ＝０のとき
の縦軸と交差する点のＪ−はＪｉ＝Ｊ。

であるから再結合による飽和電流密度Ｊ、、を与えるこ
とになる。このＪａｒは空乏層でのキャリア寿命τ、。

と次のような関係がある。

ここで、Ｗは空乏層幅である。一方、空乏層に（２）式
と（３）式から、キャリア寿命τ７．は、で与えられる
ことになる。従って、ＣｊとＪａｒとがわかれば、τ１
．を求めることができることになる。　゛ しかし、従来から広く用いられているこの方法では、Ｃ
１とＪ、ｔとを測定するために、ｐ−ｎ接合に抵抗性電
極を形成し、その電極を利用して接合電流を測定して初
めて可能となる。従って、素子の製造プロセスを考えた
場合、電極形成という工程が余分に必要である問題点を
有する。さらに、電極を形成したくないダイオードに対
しては、事実上破壊測定であるという欠点を持つ。

本発明は半導体のｐ−ｎ接合の空乏層におけるキャリア
寿命を試料に成極を形成する前に、非接触、非破壊的に
測定し得るキャリア寿命測定装置を提供することを目的
とする。

以ド、本発明を図面を用いて詳細に述べる。

はじめに、本発明の原理について述べる。

半導体のｐ　−ｎ接合に、エネルギーギャップよりも大
きい光子エネルギーの光を照射すると、接合には光嵯流
が流れ、光電圧が発生することは良く知られている。こ
れを電気的な等価回路で表わすと＠２図のようになる。

ここで、ＣＪは接合容量、ＲＪは接合抵抗を表わす。

次に、光の強度を周波数ｆでチョッピングすると、それ
に応じて光電圧も周波数ｆで変化することになる。この
とき、接合の両端に発生する光電圧の開放直圧Ｖ、、は
充電流密度をＪ２、接合面積をＳとすると次式で与えら
れる。

ここで、ω＝２πｆである。従って、■、、は交流信号
となるが、その振幅は次式で与えられる。

ところで、照射光の波長が、光の吸収が半導体の基板の
キャリア拡散長より十分短かい領域となるように選んで
やれば、Ｊ、はωによって変化せず一定とみなせること
が知られている。従って、このときＩＶ、？＋の周波数
依存性は、横軸と縦軸を対数で表わすと第３図のように
なる。これより、ｌ　Ｖ−ｔ　ｌの周波数特性は、次式
で与えられる遮断周波数ｆ、を持つ。

ｆ、＝□　　　　・・・・・・・・・（７）２πＣＪＲ
。

さて、Ｃ４は通常、接合の空乏層容量であり、（３）式
からＣｊ−ＣＪ８で与えられることがわかっている。ま
た、空乏層の幅はｐ層の不純物密度をＮＡ％”層の不純
物密度をＮＤとすると次式で与えられる。

・・・・・・・・・（８） 一方、接合が再結合電流によって特徴づけられている場
合には、ＲＪは次式で与えられる。

（８）式を（３）、　（９１式に代入し、（動式よりｆ
、を求めると、結局τ１．は次式で与えられることがわ
かる。

従って、Ｎム、Ｎｏが一定のときは、τ１．はｆ。

に逆比例するので、ｆ、の変化によってτ７．の変化を
知ることができる。そして、Ｎム、Ｎｏがわかっていれ
ばｆ、を測定することにより、τ、。を求めることがで
きることになる。

さらに、この方法は電圧を印加するかわりに光を照射す
るので非接触、非破壊で行うことが可能である。すなわ
ち、光をチョッピングしているため、発生する光電圧は
交流状となる。従って、電気的容量を介すれば、非接触
で信号の光電圧が測定できることになる。従って、ダイ
オードに電極を形成する必要がない。

なお、ＮムやＮｏの値は、渦電流法や、光反射法、光の
偏光解析法などの方法によりあらかじめ非接触、非破壊
的に測定できることは知られている。

次に、本発明を具体的な実施例を参照して詳細に説明す
る。

第４図は本発明によるキャリア寿命測定装置の一例を示
す。１は金属試料台で電極を兼ねている。

２はｐ　−ｎ接合を有するウェハ試料である。その上に
電気的容量結合をなすために数１０μｍ離して透明電極
４を付けたガラス板５が、試料２と透明電極４との間隔
が一定になるようにスペーサ３の上に載せられている。

一方、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源７は周波数スイー
プ発振器８とＬＥＤ駆動回路９とによって変調され、周
波数ｆのパルス光が放射される。Ｉ、Ｐ：Ｄ７から放射
された光は、レンズ６によって試料３の上に集光される
。光の照射によって試料３に生じた光電圧は、参照番号
ｌと４との電極を介して入力インピーダンスが１００Ｍ
Ω以上の位相検波型増幅器１０により検出される。次に
、発振器８の周波数をスイープさせて光電圧の周波数特
性を測定する。位相検波型増幅器ｌＯの出力は参照番号
１１で示した３ｄＢ降下降下電圧回出に接続され、出力
が３ｄＢ降下した点で周波数スィーブ発振器８のスイー
プを停止させる。同時に、参照番号１１’のゲート回路
を開き、参照番号１２のＡ−Ｄ変換器により発振器８の
そのときの周波数をデジタル信号としてインターフェー
ス回路１３に接続する。一方、Ｎム、ＮＤのデータはイ
ンターフェース回路１３を通してマイクロコンピュータ
１４に入力されており　ｆ、の値が入力される毎に演算
が行なわれる。求められたキャリア寿命τ７．の値はプ
リンター１５で出力される。

以上説明したごとく本発明によれば、再結合電流で支配
されているｐ　−ｎ接合空乏層内のキャリア寿命を、試
料に電極を形成せずに、非接触、非破壊的に測定できる
ことになる。従って、製造プ歩留り向上に大きな効果を
発揮しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図はｐ　−ｎ接合ダイオードの電流−電圧特性を説
明するためのグラフ、第２図はｐ　−ｎ接合の電気的な
等価回路を示す図、第３図は光′屯田の周波数特性を示
すグラフ、第４図は光電圧の周波数特性から遮断周波数
を測定し、キャリア寿命を求めるための本発明によるキ
ャリア寿命測定装置の実施例を示す図である。 １・・・金属試料台兼電極、２・・・試料、３・・・ス
ペーサ、４・・・透明電極、５・・・ガラス板、６・・
・レンズ、７・・・ＬＥＤ光源、８・・・周波数スイー
プ発振器、９・・・ＬＥＤ駆動回路、１０・・・位相検
波型増幅器、１１・・・３ｄＢ降下降下検圧検出、１１
′・・・ゲート回路、１２・・・Ａ−ＤｉＩＩＸＬ器、
１３・・・インターフェース回路、１４・・・マイクロ
コンピュータ、１５・・・プリン第　１　　目 ｒ−二 ′ｂｌＴｄｌｋ丁 ￥’３２　　口 第　３　図 第　４　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、変調信号によシ変調された光ビームを発生する手段
   と、一方の電極を兼ねる試料台上に載置された半導体試
   料と、上記半導体試料に対向して容量結合するように配
   置された透明電極と、上記透明電極を透過して上記変調
   光ビームを上記半導体試料に照射する手段と、上記半導
   体試料に発生した光域圧を上記両電極によって検出し、
   該光電圧の遮断周波数を求める手段と、上記遮断周波数
   から所定の関係式に基づいて上記半導体試料の空乏層で
   のキャリア寿命を算出する信号処理回路とを備え゛〔な
   ることを特徴とするキャリア寿命測定装置。