JPS59501522A - ダブルヘテロ構造ウエハのフオトルミネセンスの試験法 - 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】 ダブルヘテロ構造ウエハのフオトルミネセンスの試験法本発明は半導体ウェハの 試験法、より具体的にはダブルへテロ構造（ＤＨＩウェハのフォトルミネセンス 測定に係る。

従来技術において、半導体材料中のｐ　−ｎ接合の位置は、典型的な場合ＥＢＩ Ｃ（電子線誘起電流）法又は化学的スティンエッチ法のいずれかにより決められ 、その両方とも破壊的な方法である。

フォトルミネセンス（ＰＬＩは半導体材料り非破壊的評価の有用な方法であるが 、ｐ　−ｎ接合の誤配置を決定するためには用いられなかった。むしろ、禁制帯 幅や近似的なキャリヤ密度などを決る分析的評価に、しばしば用いられてきた。

走査ＰＬはエピタキシャル層中の欠陥や非発光中心を明らかにするための、共通 の技術である。

ダブルへテロ構造（ＤＨＩ材料中の非発光中心の研究において、ダブル・ディー ・ジョンストン　ジュニア（Ｗ、Ｄ、Ｊｏｈｎｓｔｏｎ　、　Ｊｒ　ｌは、アプ ライド　フィジックスレター（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、　ｌ　第２４巻 、４９４頁、＋１９７４１において、欠陥はその周囲１００μｍ程度の距離で消 滅するゝゝ犬ダークスポット“＋ＬＤＳｌｔ−誘導することを見出している。シ ー・エイチ・ヘンリー（Ｃ，Ｈ−Ｈｅｎｒｙ　ｌらはその後、ジャーナル　オブ 　アプライド　フィジックスｔ　Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、ｌ第４８巻、３９６ ２頁ｔ１９７７＋において、ＬＤＳはｐ　−ｎ接合を有するＤＨ内の欠陥の周囲 で、ＬＤＳが生じることを示した。光励起少数キャリヤは接合を横切って拡散し 、欠陥までドリフトし、そこでそれらは非発光再結合をする。そのほかＡ−！Ｇ ａＡｓ　レーザヘテロ構造中の活性層ＰＬの励起依存性が研究された。それらに よると、低パワー密度レベルにおける励起強要に伴うＰＬ信号の著しく非線形な 変化が見出され、そｎらの研究ではｐｎ接合における表面非発光再結合によると された。

我々のＤＨウェハのＰＬに関する研究において、電荷の広がりにより、ＰＬ信号 がそれ以下では観察されない励起パワー閾値ｐｔｈが上昇することが見出された 。ｐｔｈ以下の低励起パワーにおいて、ＰＬ信号が観察されないのは、ウェハを 貫＜　ｐ　−ｎ接合に平行な、光励起キャリｔ７）横方内置がりによる。この閾 値効果はｐ−ｎへテロ構造に固有で、材料中の欠陥や非発光中心とは相関がない 。それに対して、ｐｎ接合が活性層の外側にある時は、ＰＬ信号は励起パワーに 対して直線的で、閾値効果は観察されない。

この効果はＤＨウェハ、特にｐ　−ｎ接合レーザ及びＬＥ［）用に成長させた材 料のＰＬ評価を改善及び拡張するのに用いると有利である。特に、それはｐ−ｎ 接合の誤配置及びクラッド層の全シートコンダクタンス決定に使用することがで きる。

本発明の一視点に従うと、ダブルへテロ構造ウェハは、以下の工程により試験さ れる。ｆａｔ光放射の励起ビームをウェハに入射させると、活性層中で吸収され るが、クラッド層中では吸収されず、それにより活性層からＰＬ発光が起る。ｆ ｂｌｐＬ発光の強度を変えるため励起ビームの強度を変える。（ＣＩＰＬ発光が 検出される。（ｄ）ＰＬ発光対励起強変特性が決められる。（ｅ１強度特性がＰ Ｌ閾値を示すウェハは、活性層中１ｃ　ｐ　−ｎ接合をもつと同定され、そのよ うな閾値をもたない（すなわち、線形特性をもつ）ウェハは　活性層外にｐｎ接 合を有すると同定される。

標準的なりＨウェハの場合、ｐ　−ｎ接合は、活性層中にあるべきで、従って工 程（ｅｌにおいて、ウェハは受け入れられ、一方工程（ｆ＋ではそれらは除かれ るであろう。（あるいは更にプロセスを経る可能性がある。）逆に、アール、エ ル　ハートマンｆ　Ｒ，Ｌ、Ｈａｒｔｍａｎ　）らにより米国特ｒｆ第４．３］ ３．１２５　号ＶＣ述べられている型のアイソタイプＤＨレーザの場合、工程（ ｅｌにおいて、ウェハは除かれ（更にプロセスが続けられ）、工程（ｆ＋におい てそれらは受け入れられるであろう。

本発明の別の視点に従うと、ＤＩ（の最上部クラッド層は、あらかじめ決められ た範囲内の全シートコンダクタンスΣｔｉもつべきで、工程（ｅ）の後別の工程 （ｆ勺が行われ、そこでは測定されたｐｔｈから、次式に従ってΣｔが計算され る。

１−ｅ−αｄａ ここで、ｈｖは励起ビームのフォトンエネルギー、ｋＴは熱エネルギー、αは活 性層の吸収係数、ｄａは活性層の厚さ、ｅは自然対数の底、ａ　’、′ｉ電子の 電荷である。先と同様、あらかじめ決められた範囲内のΣＬを有するウェハは受 入れられ、一方範囲外のものは除かれる。（あるいは更に処理される。） 図面の簡単な説明 本発明はその各種の特徴及び利点とともに、添付図面と関連した以下のより詳細 な説明から、容易に理解できる。

第１図は本発明を実施するのに有用な装置の概略図、第２図は各種ＤＨのＰＬ応 答対ＹＡＧレーザの励起パワーのグラフで、曲線１はｐ　−ｎ接合をもたないＤ Ｈの応答を示し、曲線２．３．４は活性層中にｐ　−ｎ接合を有する標準的なり Ｈの応答を示す図１、第３図は標準的なりＨ中のｐ層の全コンダクタンスの関数 としてプロットしたＰＬ開始（すなわち閾値Ｐｔｈ　）における吸収パワーのグ ラフで、約８．８Ｘ１０−３Ω−１におけるΣを軸上の単一点け、誤配置された 接合を表し、直線は理論から導かれ、第（１）式に従う図、第４図は各種］）　 Ｈ，（ａ）　ｎ　−ｎ　−ｎ　Ｄ　Ｈｌ（ｂｌ標準的なりＨ中の誤配置されたｐ −ｎ接合、（ｃｌは活性層中にｐ　−ｎ接合を有する標準的なりＨのハンド構造 の概略図第１図を参照すると、本発明を実施するための装置が、概略的に示され ている。装置には、マイクロポジショナ１０が含まれ、その上に半導体試料１２ （すなわち、第５図に示された型のＤＨウェハ）がマウントされる。励起ビーム １４を試料１２上に入射させ、適当な光放射源１６、好ましくはレーザにより発 生させる。光放射源は活性層中では吸収されるが、第５図に示された他の層中で は吸収されないエネルギーｈνて放射を放出する。レーザ出力ビームの強度（又 はパワー）は減衰器２０により変えられ、ビームスプリッタ２２により二つのビ ーム成分に分割される。一つの成分２４はパワーモニタ２６に向けられ、他方の ビーム成分２８はレンズ手段３０全通して、励起ビーム１４を生じるように、焦 点があわされる。その結果、励起ビーム１４は減衰器２０の制御下で強度が変化 し、それによジやはり強度の変化するＰＬ３２が生じる。ｐＬ３２はレンス手段 ３４を通して、スペクトロメータ３６上に焦点が合わでれ、スペクトロメータは 活性層のＰ　Ｌをモニタするためにセットされる。

スペクトロメータ３６及びパワーモニタ２６の電気的出力は、それぞれレコーダ ３８のＸ入力及びＸ入力となる。

ＤＨウェハのＰＬ応答をモデル化するために、二次元横方向電流床がりモデルを 導いた。活性層中にｐ−ｎ接合を有し、従って低励起強度におけるＰＬ応答を抑 えるＤＨ中のフォトキャリヤの広がりの機構は、基本的に（−ｉ欠陥誘起ＬＤＳ 効果を説明する先に引用したシー、エイチ、ヘンリー（Ｃ３Ｈ６Ｈｅｎｒｙ　） らにより提案されたものと同様である。しかし、本発明の取扱いは二次元的で、 それはヘンリー（Ｈｅｎｒｙ　）らの−次元的方法と異なり、閾値効果を示す。

第４図は簡略化した各種ＤＨバンド構造を示す。（ａ）はｐ　−ｎ接合のないｎ 　−ｎ−ｎ　Ｄ　Ｈｌ（ｂ）は活性層の外側に配置されたｐ　−ｎ接合（誤配置 された接合）を有する１）　−ｐ−ｐＤ　ＨＣ（ｂ）でまだアイソタイプＤＨも 示すことができる）及び（ｃ）は活性層中にｐ　−ｎ接合を有する標準的なりＨ である。

定義として、活性層ゝゝ中〃のｐ　−ｎ接合には、ｐ　−ｎ接合がへテロ接合間 にある場合（すなわち、ｐ　−’−ｎ接合ａホモ接合）たけでなく、ｐｎ接合が いずれかのへテロ接合と一致する（すなわち、ｐ　−ｎ接合それ自身かへテロ接 合）場合も含まれる。

第４図に示されたそれぞれの場合、レーザ放射ｈνは広禁制帯最上部クラッド層 を貫いて侵入し、低禁制帯活性層を光励起する。第４（ａ）及び第４（ｂ）図か られかるように、活性層中にｐ　−ｎ接合をもだないＤＨ中のバンド構造は、活 性層中で光励起された少数キャリヤが、ポテンシャル障壁により囲まれ、隣接し たクラッド層中に広がるのが妨げられる。従って、光生成した少数正孔は、たと えば１−２μｍ　の無視できる程度の横方向拡散を除いて、本質的に局在する。

正孔の再結合速度及びＰＬ信号は、従って広範囲の励起パワーに対し、生成速度 又は励起パワーに比例する。

第４（０１図に示されるように、ｐ　−ｎ接合が活性層中にある時は、光励起さ れた少数正孔は、最上部クラッド９層中に拡散でき、正孔ば゛多数キャリヤとし て、このｐ層を貫いて広がる。第５図に示されるように、これらの多数キャリヤ はｐ　−ｎ接合に平行なｐ層中に、電流７を誘起する。ｎ活性層からｐクラッド 層中への正孔の拡散により、電圧降下が生じ、それ￥′１ｐ−ｎ接合を順方向バ イアスし、接合を横切るバイアス電流子を発生させる。７及び〒の空間的変化は 、活性層中の正孔分布従ってＰＬ応答を決定する。それは、第（１）式のもとで ある適当な境界条件で、Ｔ及び了の（組合された）式の解である。

活性層中にｐ　−ｎ接合を有するＤＨ中の光励起キャリヤの広がりは、ＰＬ応答 を第（１）式で与えられる閾値励起パワー以下に抑える。閾値パワーを与えるパ ラメータは、実験的かつ理論的に決めた。この効果は最上部クラッド層のシート コンダクタンスΣｔ、すなわち注入レーザ中の電流広がりの重要なパラメータを 決るのに、有利（Ｃ用いることができる。

何らかの理由により、活性層及びクラッド層の隣接部分が同じ伝導形を有するな らば、少数キャリヤの考えられる広がり機構は、無視しつるほど短い拡散のみで ある。

従って誤配置された接合型ウェハは、すべてのパワーレベルで線形のＰＬ対励起 関係を示し、これはダブルへテロ構造ウェハ中の誤配置された接合の感度のよい 試験である。

以下の例において、材料、寸法及び他のパラメータは、例を示すだｙ）にのみあ げたもので、特に明示しなければ、本発明の精神を制限するもので（徒ない。

周知の近平衡ＬＰＥ技術により成長させたＩｎＰ　−ＩｎＧａＡｓＰ　Ｄ　Ｈに 対して、定常状態のＰ’Ｌ測定を行った。

ウェハは大きさが〜Ｉ　Ｘ　１　ｅｒａで、注入レーザに用いられる標準的な構 造を有した。典型的な場合、ウェハはＳ−ドープ、ｆｌｏＯ１面ＩｎＰ基板（ｎ 　〜４　Ｘ　Ｉ　Ｑ　１８ｃｍ−３１、ｎ　−１ｎＰクラッド層（３−４μｍ　 厚、ｎ　〜Ｉ　Ｘ　１０１８α−３）、自然にドープされたＩｎＧａＡｓＰ　活 性層ｆ　Ｅｇ二ｏ、　９　Ｄ　ｅｖ　％　ｏ、　１−　ｏ、　４　μｍ厚、ｎ　 （−５Ｘ　１０　＋ｅｃｒｎ−３１、ｐ−ｒｎｐ　クラッド層ｆ　１．５−３． ５μｍ厚、ｐ〜２×１０　”　−２Ｘ　１０　”　ｃｍ’　］　、Ｔｉび最上部 ｐ”　−Ｉ　ｎＧａＡｓＰ電極層［Ｅｇ−”　１．２　ｅｖ、　Ｑ２−０．３　 ｐｍ厚、ｐ〜３’−５Ｘ　Ｉ　Ｑ　”ｃｍ’　ｌ。層厚は測定し、層のドーピン グは、ホール測定とともに成長溶液中のドーパントの原子比率から決めた。

実験装置は第１図に示されている。ＣＷＮｄ：ＹＡＧレーザが光源として用いら れ、それはより小さい禁制帯活性層のみが光を吸収し、光励起されるという利点 をもつ。

ＹＡＧレーザのパワーは可変減衰器２ｏにより、連続的に変えられ、対応するＰ Ｌ強度はＸｙレコーダ３８上でプロットした。ＹＡＧレージパワーはビームスプ リッタ２２及び補正されたパワーメータ２６（レーザプレシジョン社製の熱電気 ラジオメータＲＫ５１００１’ｉｉ：用いてモニターした。ＰＬ信号３２をスペ クトルに分解するだめに、通常の検出システムを用いた。空間的に解像した測定 は、マイクロポジショナ１０を用いて、励起ビーム１４を横切ってウェハ１２を 走査することにより行った。レーザビームは特に述べなければ、２５　、ｕｍ　 径のスポットに焦点を絞った。ＰＬは励起スポット周辺の１００ないし２００μ ｍから、顕微鏡対物レンズ３４により集めた。

ＹＡＧレーザパワーによる活性層ＰＬ強度の変化は、２０　Ｄ　Ｈウェハで測定 した。これらの測定から、以下の結論が導かれた。

１）標準的なり　Ｈ材料の場合の最も主な結論は、第（１）式で与えられるＹＡ Ｇレーザのある閾値上ジ上でのみ、Ｐｒ、信号が得られることであった。活性層 中；Ｃｐ　ｎ接合を有するすべてのＤＨウェハは、すべてそのような非線形応答 を示した。第２図は４個の異なるウェハの場合のＹＡＧレーザパワーに対するＰ Ｌパワーの変化を示す。

ｐｔｈは層ドーピング及び厚ざとともに変化したが、すべての場合ｐｔｈは有限 である。曲線２．３．４は活性層中にｐ−’ｎ接合を有する標準的なりＨに対応 する。各ウェハ中のｐｔｈに影響を与えるパラメータについては、以下で述べる 。

２＋ｐ−ｎ接合をもたないＤＨのＰＬ強度は、励起源パワーとともに線形に変化 した。すなわち、単一層のＰＬと同様、ｐｔｈ　＝　Ｑである。たとえば、第２ 図の曲線１は両方のＩｎＰクラッド層がｎ−ドープされたＤ　Ｈウェハに対応す る。また、誤配置された接合をもつ標準的なりＨウェハけ、ｆＥＢＩｃ測定で明 らかになるように）曲線１で示される型の、線形のＰＬ応答を有した。

先に述べたように、ＰＬは光励起少数キャリヤの横方向の広がりにより、低励起 しヘルｔ　ｐ　ｔｈ　以下）で消えた。速く長距離の広がりは、ｐ　−ｎ接合を 横切る光励起少数正孔の拡散と、接合（Ｃ平行でＤＨウェハを貫くｐ層中の多数 正孔としてのその後のドリフトから生じた。検出システムの多くの穴の中で再結 合するキャリヤのみが、光システムにより検出されるから、キャリヤの広がりは ＰＬ信号を抑える。（実際もし全ウェハを貫くキャリヤの広がりによる再結合放 射をモニターできたとすると、ウェハ中に非発光中ノドがないと仮定すれば、Ｐ Ｌ信号と励起源パワー間の直線的な関係が予測される。しかし、実際には、ウェ ハの境界は広がるキャリヤの非発光再結合中心を導入するから、大きな窓の集光 系でも、非線形のＰＬが観察される＋Ｐ）Ｐｔｈ　において、光励起電荷はｐ層 の有限のシート抵抗により、蓄積さ；ｉ、ｐｒ、信号が現れる。従って、ｐｎ接 合が無ければ、通常の直線的なＰＬ特性が期待され、事実観察された。

３１　ＰｔｈはＤＨのｐ層のシートコンダクタンスと相関があった。高シートコ ンダクタンスを有するウェハは、ＰＬ信号を開始させるために、高励起パワーを 必要とした。この結果は、高ｐ層コンダクタンスを有すると、ｐ層中の正孔の広 がりはより高効率になるため、横方向床がりモデルと一致する。

４）閾値ＹＡＧレーザパワーは、活性層の厚さに依存した。ｐｔｈ　はより厚い 活性層を有するウェハでは小さかった。四元活性＠　ｆ　Ｅｇ＝０．９５　ｅＶ ｊ　中のＹＡＧレーザ放射の吸収係数は、１．８５　Ｘ　１０　’ｃｍ−’であ る。吸収長は本測定に用いた典型的な活性層厚より長いから、活性層中の吸収レ ーザパワー及び光励起キャリヤの数は、活性層厚とともに増加した。この結果は 、ｐｔｈ　は活性層中で光生成したキャリヤの数と関係があり、横方向床がりモ デルで予測されるように、それらの密度に（は依存しない。

５１ＰＬ応答は（端部は近を除き）ウエノλ全体で均一で、局部的な再結合中心 は検出できなかった。従って、局在した欠陥はここで検討したウェハのＰＬ応答 で重要な役割をもたない。

第３図はこれらの結果をまとめたものである。閾値において活性層中で吸収され るパワーｐ　ｔｈ　＋　１−ｅ−”ａｔが、二つのｐ層の全シートコンダクタン スΣＬ−Σ　ｐ１ｅμｍｄ１の関数としてプロットされてｉ＝１．２ いる。ここで、ｐｔｈは入射ＹＡＧレーザパワー（反射されたパワーは測定され 、考慮されている）で、α＝　１．８５Ｘ　Ｉ　Ｑ　’ｃｍ−’は活性四元層中 の１．０６μｍ放射の吸収係数、ｄａは活性層厚、ｐｉ　、μｍ及びｄｌｆ　＋ 　＝　１　、２　］はそれぞれドーピング濃度、移動度及び二つｖｐ層の厚ざで ある。ｐ　及びμ　はホールデータから決定したかあるいは溶液の組成から見積 った。最上部ＩｎＧａＡｓＰ電極層中の正孔移動度は、ホール測定によシ決定し 念。第３図中の線は、第（１）式の理論的変化を示す。

第３図中のコンダクタンス軸上の単一の点は、先に述べたよう：τ、ｐｔｈ＝ｏ 　を有する誤配置された接合を有するＤＨを表す。

上で述べた装置は、本発明の原理の応用を示すために考えられる多くの可能な実 施例ｒ、単に示すだけのものであることを理解すべきである。本発明の精神及び 視野を離れることなく、当業者にはこれらの原理に従い、多くＤ変形された他の 装置が考案できる。

特：（、本発明ｌ″ｌ：また最上部クラッド層と同様、底部クラッド層を通して 、活は層を励起することにも適用できる。たとえば、底部クラッド層はＩｎＰ　 のような透明な基板上：（形成される。

ＦＩＧ、　２ 励起ツマゝワー　（マｉＷ） ゛腎

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．一対のより広い禁制帯のクラッド層間に、より狭い禁制帯の活性層を有する ダブルへテロ構造ウェハの試験方法において、 （ａｌ　光放射の励起ビームを、ウェハに向け、放射エネルギーはそれが活性層 中では吸収されるが、クラッド層中では吸収されず、それにより活性層からフォ トルミネセンスを発生させ、 （ｂｌ　フォトルミネセンスの強度が変るように、励起ビームの強度を変え （Ｃ１フォトルミネセンスを検出し、 （ｄｌ　フォトルミネセンス強度対勅起ビーム強度特性を生じさせ、 ｔｅｌ　その特性がウェハ（は活性層中Ｋ　ｐ　−ｎ接合を有することを示す特 性であるか、ウェハは活性層の外側にｐ　−−ｎ接合含有することを示す特性で あるかにより、ウェハを分類することを特徴とする方法。 ２　活性層はＩｎＧａＡｓＰから成り、クラッド層はＩｎＰから成る請求の範囲 第１項に記載される方法において、工程（ａｌにおいて、励起ビームは活性層中 で吸収される波長で放射を放出するＮｄ：ＹＡＧレーザにより生じることを特徴 とする方法。 ３、請求の範囲第１又は２項に記載された方法において、フォトルミネセンス閾 値ｐｔｈ　を示す全シートコンダクタンスΣＬは、Ｐｔｈから計算され、ウェハ は計算されたΣｔに従って分類されることを特徴とする方法。 ４請求の範囲第６項に記載された方法において、を用いてＰｔｈ　から計算され 、ｈνは放射のフォトンエネルギー、ｋＴ　は熱エネルギー、αは電子電荷、α はｈνの放射、ｄａの活性層に対する活性層の吸収係数、ｅは自然対数の底であ る。 ５一対のより広い禁制帯クラッド層間に、より狭い禁制帯の活性層を有するダブ ルへテロ構造において、活性層に対するｐ　−ｎ接合の位置は、請求の範囲第１ 項の方法により決定されることを特徴とするダブルへテロ構造。 ６一対のより広い禁制帯のクラッド層間の、より狭い禁制帯活性層の中又は境に 配置された、ｐ　−ｎ接合を有するダブルへテロ構造ウェハにおいて、シートコ ンダクタンスΣむは請求の範囲第３項により決ることを特徴とするダブルへテロ 構造ウェハ・