エピタキシャル基板のシート抵抗評価方法
【課題】下地基板の導電性を問わずに非破壊でＨＥＭＴ構造のシート抵抗を評価する方法を提供する。
【解決手段】ＨＥＭＴ構造を備えるエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法が、障壁層におけるIII族元素の組成比を除いて評価対象エピタキシャル基板と同一の構造を有する複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてフォトルミネッセンス測定を行い、得られたスペクトルからバンド端ピーク強度値を取得する第１予備測定工程と、複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてシート抵抗値を測定する第２予備測定工程と、取得したバンド端ピーク強度値とシート抵抗値とから検量線を作成する検量線作成工程と、評価対象エピタキシャル基板についてフォトルミネッセンス測定を行ってバンド端ピーク強度値を取得する実測工程と、得られたバンド端ピーク強度値と検量線とに基づいて評価対象エピタキシャル基板のシート抵抗値を算出する工程と、を備える。
【解決手段】ＨＥＭＴ構造を備えるエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法が、障壁層におけるIII族元素の組成比を除いて評価対象エピタキシャル基板と同一の構造を有する複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてフォトルミネッセンス測定を行い、得られたスペクトルからバンド端ピーク強度値を取得する第１予備測定工程と、複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてシート抵抗値を測定する第２予備測定工程と、取得したバンド端ピーク強度値とシート抵抗値とから検量線を作成する検量線作成工程と、評価対象エピタキシャル基板についてフォトルミネッセンス測定を行ってバンド端ピーク強度値を取得する実測工程と、得られたバンド端ピーク強度値と検量線とに基づいて評価対象エピタキシャル基板のシート抵抗値を算出する工程と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下地基板の上に窒化物半導体層を備えたエピタキシャル基板のシート抵抗を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界および高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、ＨＥＭＴなど高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである。チャネル層や障壁層などを含むＨＥＭＴ構造は、ＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル成長手法によって形成される。
【０００３】
さらに、チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＩｎＡｌＮにて形成する構成のように、ピエゾ分極効果への依存が小さく、ほぼ自発分極のみにより高い２ＤＥＧ濃度を実現できる、歪の少ない積層構造が注目されている。
【０００４】
また、ＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させる下地基板としてシリコンやシリコンカーバイドなどを利用するための研究・開発も、活発に行われている。
【０００５】
下地基板の上にＨＥＭＴ構造を形成してなる半導体基板（エピタキシャル基板）の電気特性を検査する手法としては、四探針法や、フォトリソグラフィなどによってエピタキシャル基板上に直接形成した電極間で抵抗を測定する手法などが、広く周知である。これらはいずれも、エピタキシャル基板にダメージを与える破壊測定（破壊検査）である。
【０００６】
一方、エピタキシャル基板に適用される非破壊検査方法として、渦電流法がある。これは、高周波電力を印加したコイルによる磁界内部にエピタキシャル基板を設置し、磁界とIII族窒化物半導体とを電磁誘導結合させてＨＥＭＴ構造内に渦電流を発生させると、エピタキシャル基板にその電気抵抗に応じてジュール熱損が生じることを利用して、非接触でエピタキシャル基板のシート抵抗を測定する方法である。
【０００７】
また、フォトルミネッセンス法を利用した非破壊での電気的特性の検査手法として、Ｓｉ−ドープＧａＡｓ半導体ウェハ中のキャリア濃度を測定する方法（特許文献１参照）や、III−Ｖ族化合物半導体であるＧａＰのキャリア濃度を測定する方法（特許文献２）が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３３４０１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって、その品質管理を好適に行うためには、重要な検査項目については、非破壊での全数測定（全数検査）を行うことが望ましい。
【００１０】
例えば、該エピタキシャル基板において、ＨＥＭＴ構造のシート抵抗は、障壁層の膜厚・組成、チャネル層の結晶性、障壁層／チャネル層あるいは障壁層／スペーサ層／チャネル層の界面ラフネス等の様々な要因に左右されるものである。係るシート抵抗は、非破壊での全数検査が行われるのが好ましい。
【００１１】
下地基板がサファイアや半絶縁性ＳｉＣなどの絶縁性基板である場合は、渦電流法を適用すれば、下地基板の上に設けたＨＥＭＴ構造自体のシート抵抗を再現性よく評価することができる。
【００１２】
しかしながら、下地基板として導電性の基板が用いられているＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板に渦電流法を適用する場合、ＨＥＭＴ構造のみの抵抗が得られるわけではなく、それ自体はデバイスとして機能しない下地基板の抵抗をも含んだ合成抵抗が得られるに過ぎない。このように、下地基板が導電性を有するエピタキシャル基板の場合、渦電流法によるＨＥＭＴ構造自体のシート抵抗の評価は困難である。
【００１３】
一方、特許文献１および特許文献２に開示されているように、キャリア濃度の測定に関しては、フォトルミネッセンス法を用いた非破壊の手法がすでに知られているが、ＨＥＭＴ構造のシート抵抗の評価にフォトルミネッセンス法を適用した例はない。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、下地基板の導電性を問わずに非破壊でＨＥＭＴ構造のシート抵抗を評価することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、それぞれがIII族窒化物からなるチャネル層と障壁層とを含むＨＥＭＴ構造を備えるエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法であって、障壁層におけるIII族元素の組成比を除いて評価対象エピタキシャル基板と同一の構造を有する複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてフォトルミネッセンス測定を行い、得られたスペクトルから、前記チャネル層のバンド端に相当する波長近傍での最大発光強度を表すバンド端ピーク強度値を取得する第１予備測定工程と、前記複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてシート抵抗値を測定する第２予備測定工程と、前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とから、バンド端ピーク強度とシート抵抗との関係を表す検量線を作成する検量線作成工程と、評価対象エピタキシャル基板についてフォトルミネッセンス測定を行い、前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値を取得する実測工程と、前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値と前記検量線とに基づいて前記評価対象エピタキシャル基板のシート抵抗値を算出する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のシート抵抗評価方法であって、前記バンド端ピーク強度をＰ、前記シート抵抗をＲｓ（Ω／□）とし、α、β、γ、ｋはすべて正の定数とするときに、前記検量線を、前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とを用いた回帰分析によって、Ｒｓ＝α・（Ｐ−β）-k＋γなる関係式として定めることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のシート抵抗評価方法であって、前記ＨＥＭＴ構造が下地基板の上にエピタキシャル形成されてなることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、前記複数のエピタキシャル基板として、前記障壁層におけるIII族元素の組成比が相異なる複数のエピタキシャル基板を用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、前記チャネル層がＧａＮからなり、前記フォトルミネッセンス測定においてＨｅ−Ｃｄレーザを励起光源として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１ないし請求項５の発明によれば、ＨＥＭＴ構造を設けたエピタキシャル基板について、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊にて評価することが出来る。測定端子を接続するための電極形成処理などが必要ないので、ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって係る評価手法を適用すれば、短時間での全数検査が可能となる。
【００２１】
特に、請求項３の発明によれば、下地基板が導電性であるか絶縁性であるかを問わず、エピタキシャル基板に設けたＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊にて評価することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るシート抵抗の検査方法の適用対象たるエピタキシャル基板１０の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係るシート抵抗の検査方法の適用対象たるエピタキシャル基板２０の構成を模式的に示す図である。
【図３】エピタキシャル基板１０または２０についての、チャネル層３のバンド端ピーク強度と、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗との関係を模式的に示す図である。
【図４】バンド端ピーク強度の測定に用いるフォトルミネッセンス測定装置１００の構成を概略的に示す模式図である。
【図５】実施例１についてシート抵抗Ｒｓの測定値をバンド端ピーク強度Ｐの測定値に対してプロットした図である。
【図６】実施例２についてシート抵抗Ｒｓの測定値をバンド端ピーク強度Ｐの測定値に対してプロットした図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜シート抵抗評価の対象＞
図１および図２は、それぞれ、本発明に係るシート抵抗の評価方法の適用対象たるエピタキシャル基板１０またはエピタキシャル基板２０の構成を模式的に示す図である。
【００２４】
図１に示すエピタキシャル基板１０は、下地基板１の上に、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とをこの順に積層形成した構成を有する。また、図２に示すエピタキシャル基板２０は、係るエピタキシャル基板１０のチャネル層３と障壁層５との間に、スペーサ層４を介在させた構成を有する。
【００２５】
バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５とはいずれも、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相エピタキシャル成長法）、ＬＰＥ法（液相エピタキシャル成長法）など種々のエピタキシャル成長手法を用いてエピタキシャル形成されるのが好適な一例である。以降、エピタキシャル基板１０のチャネル層３と障壁層５との積層部分、およびエピタキシャル基板２０のチャネル層３とスペーサ層４と障壁層５との積層部分を、ＨＥＭＴ構造もしくはＨＥＭＴ構造部分と称することがある。なお、図１および図２における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
【００２６】
下地基板１は、その上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成できるものであれば、導電性の有無を含め、特段の制限なく用いることができる。例えば、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライトなどの単結晶基板を用いることができる。
【００２７】
バッファ層２は、その上に形成されるチャネル層３とスペーサ層４と障壁層５との結晶品質を良好なものとするべく設けられる層である。バッファ層２は、III族窒化物にて形成されるが、その組成および厚みは、下地基板１の種類に応じて適宜に定められる。バッファ層２は、いわゆる低温バッファ層などの結晶性の劣る層として形成されていてもよいし、高温成長や形成後のアニール処理により優れた結晶性を有するものとなっていてもよい。また、バッファ層２は、単一の層であってもよいし、超格子構造など多層構造を有していてもよい。
【００２８】
チャネル層３は、ＡｌuＩｎvＧａ1-u-vＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｕ＋ｖ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる層である。例えば、チャネル層３は、ＧａＮにて数μｍ程度の厚みに形成されてなる。
【００２９】
障壁層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）なる組成式で表される、ＡｌとＩｎとＧａのうちの少なくとも１つを含むIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる層である。
【００３０】
以上の各層が積層されてなるエピタキシャル基板１０においては、チャネル層３と障壁層５との界面がヘテロ接合界面となる。当該界面には、ピエゾ分極と自発分極効果により、二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域が形成される。
【００３１】
また、エピタキシャル基板２０に設けられたスペーサ層４は、二次元電子ガスの閉じ込め効果を高める目的で形成された層である。スペーサ層４は、ＡｌpＧａ1-pＮ（０．１≦ｐ≦１）なる組成を有するIII族窒化物にて、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲の厚みで形成される。なお、合金散乱効果の抑制による二次元電子ガスの濃度および移動度の向上という観点からは、ＡｌとＮの二元系化合物であるＡｌＮにてスペーサ層４を形成するのが最適であるが、０．９５≦ｐ＜１の場合も同程度の効果を得ることができる。係るスペーサ層４を備えたエピタキシャル基板２０の場合、スペーサ層４を含むヘテロ接合界面領域が二次元電子ガス領域となる。
【００３２】
＜シート抵抗評価＞
次に、本実施の形態において行う、上述のような構成を有するエピタキシャル基板１０または２０を対象としたシート抵抗評価の内容について説明する。
【００３３】
図３は、エピタキシャル基板１０または２０についての、チャネル層３のバンド端ピーク強度と、シート抵抗との相関関係を模式的に示す図である。本発明の発明者は、障壁層５におけるIII族元素の組成比を除く全ての構成が共通するエピタキシャル基板１０または２０に関して、任意単位にて表したバンド端ピーク強度ＰとＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗Ｒｓ（Ω／□）との間に、以下の（１）式として示す近似式が成立することを見出した。係る近似式の成立は、本発明の発明者によって初めて見出された知見である。図３に示したのは、係る近似式を表すグラフである。
【００３４】
Ｒｓ＝α・（Ｐ−β）-k＋γ・・・・・（１）
ただし、α、β、γ、ｋは正の定数である。
【００３５】
ここで、チャネル層３のバンド端ピーク強度とは、フォトルミネッセンス測定を行うことで得られるスペクトルにおける、チャネル層３のバンド端に相当する波長近傍での最大発光強度を表す値である。例えば、チャネル層３がＧａＮからなる場合であれば、バンド端波長は約３６５ｎｍであるので、その近傍での最大発光強度からバンド端ピーク強度が特定される。
【００３６】
ただし、（１）式のＰの値としては、フォトルミネッセンス測定に用いる光検出器から出力される出力信号の値を直接に用いる態様であってもよいし、出力信号値を所定の変換式に基づいて異なる単位の値に変換したものを用いる態様であってもよい。
【００３７】
本実施の形態においては、（１）式で表される関数関係に基づいて、エピタキシャル基板１０または２０のＨＥＭＴ構造部分についてのシート抵抗を評価する。具体的には、あらかじめ構造が既知である複数のエピタキシャル基板１０または２０について、フォトルミネッセンス測定によるバンド端ピーク強度値の取得と、シート抵抗の実測とを行っておき、得られたデータから、回帰分析によって（１）式の係数、α、β、γ、ｋを求めることで、検量線を得る。
【００３８】
ただし、エピタキシャル基板１０または２０のＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗値は、障壁層５におけるIII族元素の組成比に応じて取り得る範囲が限られる（例えば、図３に示すグラフの一部のみとなる）場合があるので、検量線の信頼性を高めるには、少なくとも検査対象となるエピタキシャル基板１０または２０の障壁層５が取り得る組成範囲において、障壁層５の組成の異なるエピタキシャル基板１０または２０を用意するのが好ましい。また、障壁層５の膜厚も適宜に違えておいてもよい。
【００３９】
上述のように（１）式の係数、α、β、γ、ｋが特定されることによって検量線が得られれば、被検試料となるエピタキシャル基板１０または２０については、そのバンド端ピーク強度値さえ取得すれば、その測定値を（１）式に代入することで、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を求めることができる。算出値と実測値との誤差は、せいぜい数％程度である。なお、検量線の作成にあたって、バンド端ピーク強度Ｐの値として、光検出器からの出力信号値を変換等した値を用いた場合には、被検試料のシート抵抗を求める場合においても、同様の変換等を行うようにする。
【００４０】
例えば、ある構造を有するエピタキシャル基板１０について、α＝１００００、β＝３．５、γ＝５５０、ｋ＝１．７５なる検量線が得られている場合、同一の構造を有するエピタキシャル基板１０について、フォトルミネッセンス測定を行いＰ＝２５．０（ｍＶ）なるバンド端ピーク強度値が得られたとすると、そのエピタキシャル基板１０のシート抵抗Ｒｓの値は、（１）式より、
Ｒｓ＝１００００・（２５−３．５）-1.75＋５５０＝５９７（Ω／□）
となる。
【００４１】
以上のような、フォトルミネッセンス測定と検量線とを用いる本実施の形態のシート抵抗評価手法は、被検試料となるエピタキシャル基板１０または２０について、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊で求めることができる点で特徴的である。よって、ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって係る評価手法を適用すれば、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗についての全数検査を短時間で迅速に行うことが可能となる。このことは、製品不良の発生を低減し、ひいては、より品質の優れたエピタキシャル基板の実現に資するものである。
【００４２】
また、本実施の形態の評価手法は、下地基板１の導電性を問わない。従って、下地基板１が導電性材料からなる場合であっても、絶縁性材料からなる場合であっても、同様に適用することができる。この点で、導電性の下地基板を用いたエピタキシャル基板については適用ができない渦電流法に比して優れている。
【００４３】
＜バンド端ピーク強度値の取得手法＞
次に、バンド端ピーク強度の取得の仕方について説明する。図４は、バンド端ピーク強度値の取得に用いるフォトルミネッセンス測定装置１００の構成の一例を示す模式図である。バンド端ピーク強度値の取得に適用可能なフォトルミネッセンス測定装置１００の構成は、図４に示したものには限られない。
【００４４】
図４に示すフォトルミネッセンス測定装置１００は、励起光源１０１から出射した励起光Ｌ０を、チョッパ１０２、減光板１０３、および集光レンズ１０４を備える照射光学系を介して試料台１０５に載置固定された試料１０６のＨＥＭＴ構造をなす面（つまりはエピタキシャル基板１０または２０の上面）に照射し、これにより得られるフォトルミネッセンス光Ｌ１を、集光レンズ１０７、１０８からなる集光光学系にて集光し、これを分光器１０９にて分光したうえで光検出器１１０に取り込むことで、スペクトルを得るようになっている。なお、光検出器１１０で検出される信号は微弱であるため、チョッパ１０２と同期してロックインアンプ１１１で増幅されたうえで、スペクトルのデータとして取り出される。また、試料台１０５の位置は、ロックインアンプ１１１での信号の検出値が最大となるように調整される。
【００４５】
励起光源１０１としては、チャネル層３のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する光を出射可能なものを用いればよい。チャネル層３がＧａＮからなるＨＥＭＴ構造を対象とする場合であれば、ＧａＮのバンドギャップエネルギーが３．４ｅＶであることから、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（発振波長３２５ｎｍ）を用いるのが好適な一例である。また、ＧａＮよりもバンドギャップが大きいＡｌＧａＮにてチャネル層を構成したＨＥＭＴ構造を対象とする場合であれば、より高いエネルギーを与えるレーザ光源を用いる態様であってもよいし、電子線励起（ＣＬ）を適用するようにしてもよい。
【００４６】
光検出器１１０としては、光電子増倍管を用いるのが好適な一例であるが、これに代わり、マルチチャンネルプレートやＣＣＤなどを用いる態様であってもよい。
【００４７】
エピタキシャル基板１０または２０を測定対象としてフォトルミネッセンス測定装置１００による測定を行う場合、励起光Ｌ０は、障壁層５あるいはさらにスペーサ層４を透過してチャネル層３に照射される。従って、ＨＥＭＴ構造自体を維持したままでチャネル層３のバンド端に相当する波長近傍での発光を検出することができる。また、フォトルミネッセンス測定は室温で行えるので、迅速なシート抵抗評価が可能となる。
【００４８】
なお、フォトルミネッセンス測定装置１００の構成によって測定時の検出効率は異なり得るため、スペクトル自体は同じであっても、フォトルミネッセンス測定の仕方によって、バンド端ピーク強度を与える光検出器からの出力信号の絶対値は異なることがある。よって、シート抵抗評価のためのフォトルミネッセンス測定時には、検量線作成時と同一の装置構成や出力条件で測定を行う必要がある。また、同一のフォトルミネッセンス測定装置１００であっても、励起光源１０１からの励起光Ｌ０の出力強度変動や、光検出器１１１における検出感度の変動が生じる。シート抵抗評価にあたっては、励起光Ｌ０の出力強度や光検出器１１１における検出感度を一定に保つ必要がある。例えば、光量計や可変減光板などによって励起光Ｌ０の強度を一定に調整したり、較正用試料による再現性確認などを行うことが必要である。
【００４９】
＜シート抵抗の測定方法＞
次に、検量線の作製に際してＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を実測する方法について説明する。
【００５０】
具体的には、まず、上述のフォトルミネッセンス測定装置１００にてフォトルミネッセンス測定を行ったエピタキシャル基板１０または２０の被測定箇所を方形に切り出して測定試料を得る。次に、この切り出された測定試料を真空容器中に設置し、その四隅に、Ｔｉ／Ａｌからなる抵抗測定用の金属電極（測定端子接続電極）を電子ビームによる金属溶融にて蒸着形成する。次に、電極形成後の測定試料を真空容器から取り出した後、高速アニール炉内にて６００℃〜８５０℃の温度で１分〜１０分間、アニール処理する。室温まで自然冷却させた後、測定試料を高速アニール炉から取り出す。取り出した測定試料について、室温にてvan der Pauw法によりシート抵抗を測定する。これにより、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を求めることが出来る。
【００５１】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、下地基板が導電性であるか絶縁性であるかを問わず、下地基板上にＨＥＭＴ構造を設けたエピタキシャル基板について、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊にて評価することが出来る。測定端子を接続するための電極形成処理などが必要ないので、ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって係る評価手法を適用すれば、短時間での全数検査が可能となる。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
本実施例では、エピタキシャル基板１０について、バンド端ピーク強度とシート抵抗との間に（１）式の関係が成り立つことを確認した。
【００５３】
具体的には、障壁層５におけるIII族元素の組成比が異なる２６種のエピタキシャル基板１０を用意し、それぞれのバンド端ピーク強度とシート抵抗の値から検量線を作成した。
【００５４】
まず、エピタキシャル基板１０としては、直径４インチの（１１１）面シリコン基板を下地基板１とし、その上に、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ多層膜からなるバッファ層２を２μｍの厚みに形成し、ＧａＮからなるチャネル層３を１．５μｍの厚みに形成し、さらに、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる障壁層５を目標厚み２５ｎｍに形成したものを用意した。
【００５５】
バンド端ピーク強度を求めるためのフォトルミネッセンス測定には、励起光源１０１としてＨｅ−Ｃｄレーザを備えるフォトルミネッセンス測定装置１００を用いた。入射光学系においては、焦点距離１００ｍｍ、直径３０ｍｍの集光レンズ１０４を用いた。入射角は４５°とした。エピタキシャル基板１０におけるレーザ光の照射径は約０．５ｍｍであった。集光光学系においては、焦点距離１００ｍｍ、直径６０ｍｍおよび焦点距離２５０ｍｍ、直径８０ｍｍの集光レンズ１０７、１０８を用いた。光検出器としては、ＧａＡｓ（Ｃｓ）光電子増倍管を用いた。なお、測定は室温にて行った。
【００５６】
フォトルミネッセンス測定後の試料について、被測定箇所を含む６ｍｍ×６ｍｍの方形に切り出した。この試料の四隅に、金属電極としてＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（３００ｎｍ）の多層電極を形成し、６００℃ １分間の条件でアニール処理した。得られた試料について、室温にてvan der Pauw法によりシート抵抗測定を行った。
【００５７】
また、シート抵抗を測定した各試料について、ＸＲＤによる２θ−ω測定と、ＴＥＭによる障壁層厚さ測定とを実施した。その結果、エピタキシャル基板１０における障壁層５のＡｌ組成ｘは０．１６〜０．２６の範囲にあり、厚みは２３〜２７ｎｍの範囲にあることが確認された。
【００５８】
図５は、シート抵抗Ｒｓの値をバンド端ピーク強度Ｐの値に対してプロットした図である。ここで、バンド端ピーク強度Ｐの単位としては、ロックインアンプ１１１からの出力値の単位であるｍＶを用いている。また、図５においては、障壁層５の組成（Ａｌ組成比ｘ）に応じてデータ点のマークを変えている。図５からは、プロットしたデータ点が一の近似曲線に沿って分布していることがわかる。回帰分析により、この曲線は、
Ｒｓ＝１００００・（Ｐ−３．５）-1.75＋５５０・・・・（２）
と求められる。
【００５９】
（２）式は、（１）式において、α＝１００００、β＝３．５、γ＝５５０、ｋ＝１．７５としたものである。このことは、上述の構成を有するエピタキシャル基板１０について、（１）式の関係が成り立つことを示している。よって、下地基板１、バッファ層２、およびチャネル層３の構成が同じであり、障壁層５におけるIII族元素の組成比のみが異なるエピタキシャル基板１０については、（２）式を検量線としてシート抵抗を求めることが可能となる。
【００６０】
（実施例２）
本実施例では、エピタキシャル基板２０について、バンド端ピーク強度とシート抵抗との間に（１）式の関係が成り立つことを確認した。
【００６１】
具体的には、障壁層５におけるIII族元素の組成比が異なる２６種のエピタキシャル基板２０を用意し、それぞれのバンド端ピーク強度とシート抵抗の値から検量線を作成した。
【００６２】
まず、エピタキシャル基板２０としては、直径４インチの（１１１）面シリコン基板を下地基板１とし、その上に、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ多層膜からなるバッファ層２を２μｍの厚みに形成し、ＧａＮからなるチャネル層３を１．５μｍの厚みに形成し、ＡｌＮからなるスペーサ層４を１ｎｍの厚みに形成し、さらに、ＡｌxＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる障壁層５を目標厚み１０ｎｍに形成したものを用意した。
【００６３】
フォトルミネッセンス測定およびシート抵抗測定については、実施例１と同様の条件および手順にて行った。
【００６４】
また、ＸＲＤによる２θ−ω測定およびＴＥＭによる障壁層厚さ測定についても、実施例１と同様に行った。その結果、エピタキシャル基板１０における障壁層５のＩｎ組成ｙは０．１４〜０．２４の範囲にあり、厚みは９〜１１ｎｍの範囲にあることが確認された。
【００６５】
図６は、シート抵抗Ｒｓの値をバンド端ピーク強度Ｐの値に対してプロットした図である。ここで、バンド端ピーク強度Ｐの単位としては、ロックインアンプ１１１からの出力値の単位であるｍＶを用いている。また、図６においては、障壁層５の組成（Ｉｎ組成比ｙ）に応じてデータ点のマークを変えている。図６からは、プロットしたデータ点が一の近似曲線に沿って分布していることがわかる。回帰分析により、この曲線は、
Ｒｓ＝１０００・（Ｐ−３．５）-1.25＋２２５・・・・（３）
と求められる。
【００６６】
（３）式は、（１）式において、α＝１０００、β＝３．５、γ＝２２５、ｋ＝１．２５としたものである。このことは、上述の構成を有するエピタキシャル基板２０について、（１）式の関係が成り立つことを示している。よって、下地基板１、バッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４の構成が同じであり、障壁層５におけるIII族元素の組成比のみが異なるエピタキシャル基板２０については、（３）式を検量線としてシート抵抗を求めることが可能となる。
【００６７】
（実施例３）
実施例１で示したエピタキシャル基板１０と同じ構造の基板を作成し、該基板におけるシート抵抗の面内分布を、（２）式を用いた算出値と、実測値とのそれぞれについて評価した。なお、障壁層５の組成はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎであった。
【００６８】
まず、基板１０の径方向７箇所（基板中心からの距離が０ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍ、１８ｍｍ、２４ｍｍ、３２ｍｍ、４０ｍｍ）について、励起レーザ光を照射してフォトルミネッセンス測定を行い、バンド端ピーク出力を記録した。そして（２）式により各点のシート抵抗を算出した。
【００６９】
次に、フォトルミネッセンス測定の測定点を中心とする６ｍｍ角に基板を切出し、実施例１に示した手法にてシート抵抗を実測した。
【００７０】
それぞれの手法にて求めたシート抵抗値を表１に示す。（２）式による算出値と実測値との誤差は、最大でも、１０Ω／□程度であった。
【００７１】
【表１】
【００７２】
（実施例４）
実施例２で示したエピタキシャル基板２０と同じ構造の基板を作成し、該基板におけるシート抵抗の面内分布を、（３）式を用いた算出値と、実測値とのそれぞれについて評価した。なお、障壁層５の組成はＡｌ0.20Ｉｎ0.80Ｎであった。
【００７３】
まず、基板２０の径方向７箇所（位置は実施例３と同様）について、励起レーザ光を照射してフォトルミネッセンス測定を行い、バンド端ピーク出力を記録した。そして（３）式により各点のシート抵抗を算出した。
【００７４】
次に、フォトルミネッセンス測定の各測定点を中心とする６ｍｍ角に基板を切出し、実施例２に示した手法にてシート抵抗を実測した。
【００７５】
それぞれの手法にて求めたシート抵抗値を表２に示す。（３）式による算出値と実測値との誤差の最大でも５Ω／□程度であった。
【００７６】
【表２】
【００７７】
（実施例３および実施例４の結果について）
実施例３および実施例４の結果によれば、（２）式または（３）式からの算出値と実測値との誤差は、最大でも実測値の２〜３％程度に過ぎない。係る結果は、フォトルミネッセンス測定と（１）式を用いた算出とによって非破壊でシート抵抗を求める手法が、実測に代わるシート抵抗の評価手法として適切であることを意味している。
【符号の説明】
【００７８】
１ 下地基板
２ バッファ層
３ チャネル層
４ スペーサ層
５ 障壁層
１０、２０ エピタキシャル基板
１００ フォトルミネッセンス測定装置
１０１ 励起光源
１０２ チョッパ
１０３ 減光板
１０４、１０７、１０８ 集光レンズ
１０５ 試料台
１０６ 試料
１０９ 分光器
１１０ 光検出器
１１１ ロックインアンプ
Ｌ０ 励起光
Ｌ１ フォトルミネッセンス光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下地基板の上に窒化物半導体層を備えたエピタキシャル基板のシート抵抗を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界および高い飽和電子速度を有することから、ＬＥＤやＬＤなどの発光デバイスや、ＨＥＭＴなど高周波／ハイパワーの電子デバイス用半導体材料として注目されている。例えば、ＡｌＧａＮからなる障壁層とＧａＮからなるチャネル層とを積層してなるＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）素子は、窒化物材料特有の大きな分極効果（自発分極効果とピエゾ分極効果）により積層界面（ヘテロ界面）に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生成するという特徴を活かしたものである。チャネル層や障壁層などを含むＨＥＭＴ構造は、ＭＯＣＶＤ法などのエピタキシャル成長手法によって形成される。
【０００３】
さらに、チャネル層をＧａＮにて形成し、障壁層をＩｎＡｌＮにて形成する構成のように、ピエゾ分極効果への依存が小さく、ほぼ自発分極のみにより高い２ＤＥＧ濃度を実現できる、歪の少ない積層構造が注目されている。
【０００４】
また、ＨＥＭＴ構造をエピタキシャル成長させる下地基板としてシリコンやシリコンカーバイドなどを利用するための研究・開発も、活発に行われている。
【０００５】
下地基板の上にＨＥＭＴ構造を形成してなる半導体基板（エピタキシャル基板）の電気特性を検査する手法としては、四探針法や、フォトリソグラフィなどによってエピタキシャル基板上に直接形成した電極間で抵抗を測定する手法などが、広く周知である。これらはいずれも、エピタキシャル基板にダメージを与える破壊測定（破壊検査）である。
【０００６】
一方、エピタキシャル基板に適用される非破壊検査方法として、渦電流法がある。これは、高周波電力を印加したコイルによる磁界内部にエピタキシャル基板を設置し、磁界とIII族窒化物半導体とを電磁誘導結合させてＨＥＭＴ構造内に渦電流を発生させると、エピタキシャル基板にその電気抵抗に応じてジュール熱損が生じることを利用して、非接触でエピタキシャル基板のシート抵抗を測定する方法である。
【０００７】
また、フォトルミネッセンス法を利用した非破壊での電気的特性の検査手法として、Ｓｉ−ドープＧａＡｓ半導体ウェハ中のキャリア濃度を測定する方法（特許文献１参照）や、III−Ｖ族化合物半導体であるＧａＰのキャリア濃度を測定する方法（特許文献２）が公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３３４０１２号公報
【特許文献２】特開２００３−１６８７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって、その品質管理を好適に行うためには、重要な検査項目については、非破壊での全数測定（全数検査）を行うことが望ましい。
【００１０】
例えば、該エピタキシャル基板において、ＨＥＭＴ構造のシート抵抗は、障壁層の膜厚・組成、チャネル層の結晶性、障壁層／チャネル層あるいは障壁層／スペーサ層／チャネル層の界面ラフネス等の様々な要因に左右されるものである。係るシート抵抗は、非破壊での全数検査が行われるのが好ましい。
【００１１】
下地基板がサファイアや半絶縁性ＳｉＣなどの絶縁性基板である場合は、渦電流法を適用すれば、下地基板の上に設けたＨＥＭＴ構造自体のシート抵抗を再現性よく評価することができる。
【００１２】
しかしながら、下地基板として導電性の基板が用いられているＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板に渦電流法を適用する場合、ＨＥＭＴ構造のみの抵抗が得られるわけではなく、それ自体はデバイスとして機能しない下地基板の抵抗をも含んだ合成抵抗が得られるに過ぎない。このように、下地基板が導電性を有するエピタキシャル基板の場合、渦電流法によるＨＥＭＴ構造自体のシート抵抗の評価は困難である。
【００１３】
一方、特許文献１および特許文献２に開示されているように、キャリア濃度の測定に関しては、フォトルミネッセンス法を用いた非破壊の手法がすでに知られているが、ＨＥＭＴ構造のシート抵抗の評価にフォトルミネッセンス法を適用した例はない。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、下地基板の導電性を問わずに非破壊でＨＥＭＴ構造のシート抵抗を評価することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、それぞれがIII族窒化物からなるチャネル層と障壁層とを含むＨＥＭＴ構造を備えるエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法であって、障壁層におけるIII族元素の組成比を除いて評価対象エピタキシャル基板と同一の構造を有する複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてフォトルミネッセンス測定を行い、得られたスペクトルから、前記チャネル層のバンド端に相当する波長近傍での最大発光強度を表すバンド端ピーク強度値を取得する第１予備測定工程と、前記複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてシート抵抗値を測定する第２予備測定工程と、前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とから、バンド端ピーク強度とシート抵抗との関係を表す検量線を作成する検量線作成工程と、評価対象エピタキシャル基板についてフォトルミネッセンス測定を行い、前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値を取得する実測工程と、前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値と前記検量線とに基づいて前記評価対象エピタキシャル基板のシート抵抗値を算出する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載のシート抵抗評価方法であって、前記バンド端ピーク強度をＰ、前記シート抵抗をＲｓ（Ω／□）とし、α、β、γ、ｋはすべて正の定数とするときに、前記検量線を、前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とを用いた回帰分析によって、Ｒｓ＝α・（Ｐ−β）-k＋γなる関係式として定めることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のシート抵抗評価方法であって、前記ＨＥＭＴ構造が下地基板の上にエピタキシャル形成されてなることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、前記複数のエピタキシャル基板として、前記障壁層におけるIII族元素の組成比が相異なる複数のエピタキシャル基板を用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、前記チャネル層がＧａＮからなり、前記フォトルミネッセンス測定においてＨｅ−Ｃｄレーザを励起光源として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１ないし請求項５の発明によれば、ＨＥＭＴ構造を設けたエピタキシャル基板について、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊にて評価することが出来る。測定端子を接続するための電極形成処理などが必要ないので、ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって係る評価手法を適用すれば、短時間での全数検査が可能となる。
【００２１】
特に、請求項３の発明によれば、下地基板が導電性であるか絶縁性であるかを問わず、エピタキシャル基板に設けたＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊にて評価することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るシート抵抗の検査方法の適用対象たるエピタキシャル基板１０の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係るシート抵抗の検査方法の適用対象たるエピタキシャル基板２０の構成を模式的に示す図である。
【図３】エピタキシャル基板１０または２０についての、チャネル層３のバンド端ピーク強度と、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗との関係を模式的に示す図である。
【図４】バンド端ピーク強度の測定に用いるフォトルミネッセンス測定装置１００の構成を概略的に示す模式図である。
【図５】実施例１についてシート抵抗Ｒｓの測定値をバンド端ピーク強度Ｐの測定値に対してプロットした図である。
【図６】実施例２についてシート抵抗Ｒｓの測定値をバンド端ピーク強度Ｐの測定値に対してプロットした図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜シート抵抗評価の対象＞
図１および図２は、それぞれ、本発明に係るシート抵抗の評価方法の適用対象たるエピタキシャル基板１０またはエピタキシャル基板２０の構成を模式的に示す図である。
【００２４】
図１に示すエピタキシャル基板１０は、下地基板１の上に、バッファ層２と、チャネル層３と、障壁層５とをこの順に積層形成した構成を有する。また、図２に示すエピタキシャル基板２０は、係るエピタキシャル基板１０のチャネル層３と障壁層５との間に、スペーサ層４を介在させた構成を有する。
【００２５】
バッファ層２と、チャネル層３と、スペーサ層４と、障壁層５とはいずれも、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相エピタキシャル成長法）、ＬＰＥ法（液相エピタキシャル成長法）など種々のエピタキシャル成長手法を用いてエピタキシャル形成されるのが好適な一例である。以降、エピタキシャル基板１０のチャネル層３と障壁層５との積層部分、およびエピタキシャル基板２０のチャネル層３とスペーサ層４と障壁層５との積層部分を、ＨＥＭＴ構造もしくはＨＥＭＴ構造部分と称することがある。なお、図１および図２における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
【００２６】
下地基板１は、その上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成できるものであれば、導電性の有無を含め、特段の制限なく用いることができる。例えば、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライトなどの単結晶基板を用いることができる。
【００２７】
バッファ層２は、その上に形成されるチャネル層３とスペーサ層４と障壁層５との結晶品質を良好なものとするべく設けられる層である。バッファ層２は、III族窒化物にて形成されるが、その組成および厚みは、下地基板１の種類に応じて適宜に定められる。バッファ層２は、いわゆる低温バッファ層などの結晶性の劣る層として形成されていてもよいし、高温成長や形成後のアニール処理により優れた結晶性を有するものとなっていてもよい。また、バッファ層２は、単一の層であってもよいし、超格子構造など多層構造を有していてもよい。
【００２８】
チャネル層３は、ＡｌuＩｎvＧａ1-u-vＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｕ＋ｖ≦１）なる組成式で表されるIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる層である。例えば、チャネル層３は、ＧａＮにて数μｍ程度の厚みに形成されてなる。
【００２９】
障壁層５は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）なる組成式で表される、ＡｌとＩｎとＧａのうちの少なくとも１つを含むIII族窒化物にて、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されてなる層である。
【００３０】
以上の各層が積層されてなるエピタキシャル基板１０においては、チャネル層３と障壁層５との界面がヘテロ接合界面となる。当該界面には、ピエゾ分極と自発分極効果により、二次元電子ガスが高濃度に存在する二次元電子ガス領域が形成される。
【００３１】
また、エピタキシャル基板２０に設けられたスペーサ層４は、二次元電子ガスの閉じ込め効果を高める目的で形成された層である。スペーサ層４は、ＡｌpＧａ1-pＮ（０．１≦ｐ≦１）なる組成を有するIII族窒化物にて、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲の厚みで形成される。なお、合金散乱効果の抑制による二次元電子ガスの濃度および移動度の向上という観点からは、ＡｌとＮの二元系化合物であるＡｌＮにてスペーサ層４を形成するのが最適であるが、０．９５≦ｐ＜１の場合も同程度の効果を得ることができる。係るスペーサ層４を備えたエピタキシャル基板２０の場合、スペーサ層４を含むヘテロ接合界面領域が二次元電子ガス領域となる。
【００３２】
＜シート抵抗評価＞
次に、本実施の形態において行う、上述のような構成を有するエピタキシャル基板１０または２０を対象としたシート抵抗評価の内容について説明する。
【００３３】
図３は、エピタキシャル基板１０または２０についての、チャネル層３のバンド端ピーク強度と、シート抵抗との相関関係を模式的に示す図である。本発明の発明者は、障壁層５におけるIII族元素の組成比を除く全ての構成が共通するエピタキシャル基板１０または２０に関して、任意単位にて表したバンド端ピーク強度ＰとＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗Ｒｓ（Ω／□）との間に、以下の（１）式として示す近似式が成立することを見出した。係る近似式の成立は、本発明の発明者によって初めて見出された知見である。図３に示したのは、係る近似式を表すグラフである。
【００３４】
Ｒｓ＝α・（Ｐ−β）-k＋γ・・・・・（１）
ただし、α、β、γ、ｋは正の定数である。
【００３５】
ここで、チャネル層３のバンド端ピーク強度とは、フォトルミネッセンス測定を行うことで得られるスペクトルにおける、チャネル層３のバンド端に相当する波長近傍での最大発光強度を表す値である。例えば、チャネル層３がＧａＮからなる場合であれば、バンド端波長は約３６５ｎｍであるので、その近傍での最大発光強度からバンド端ピーク強度が特定される。
【００３６】
ただし、（１）式のＰの値としては、フォトルミネッセンス測定に用いる光検出器から出力される出力信号の値を直接に用いる態様であってもよいし、出力信号値を所定の変換式に基づいて異なる単位の値に変換したものを用いる態様であってもよい。
【００３７】
本実施の形態においては、（１）式で表される関数関係に基づいて、エピタキシャル基板１０または２０のＨＥＭＴ構造部分についてのシート抵抗を評価する。具体的には、あらかじめ構造が既知である複数のエピタキシャル基板１０または２０について、フォトルミネッセンス測定によるバンド端ピーク強度値の取得と、シート抵抗の実測とを行っておき、得られたデータから、回帰分析によって（１）式の係数、α、β、γ、ｋを求めることで、検量線を得る。
【００３８】
ただし、エピタキシャル基板１０または２０のＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗値は、障壁層５におけるIII族元素の組成比に応じて取り得る範囲が限られる（例えば、図３に示すグラフの一部のみとなる）場合があるので、検量線の信頼性を高めるには、少なくとも検査対象となるエピタキシャル基板１０または２０の障壁層５が取り得る組成範囲において、障壁層５の組成の異なるエピタキシャル基板１０または２０を用意するのが好ましい。また、障壁層５の膜厚も適宜に違えておいてもよい。
【００３９】
上述のように（１）式の係数、α、β、γ、ｋが特定されることによって検量線が得られれば、被検試料となるエピタキシャル基板１０または２０については、そのバンド端ピーク強度値さえ取得すれば、その測定値を（１）式に代入することで、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を求めることができる。算出値と実測値との誤差は、せいぜい数％程度である。なお、検量線の作成にあたって、バンド端ピーク強度Ｐの値として、光検出器からの出力信号値を変換等した値を用いた場合には、被検試料のシート抵抗を求める場合においても、同様の変換等を行うようにする。
【００４０】
例えば、ある構造を有するエピタキシャル基板１０について、α＝１００００、β＝３．５、γ＝５５０、ｋ＝１．７５なる検量線が得られている場合、同一の構造を有するエピタキシャル基板１０について、フォトルミネッセンス測定を行いＰ＝２５．０（ｍＶ）なるバンド端ピーク強度値が得られたとすると、そのエピタキシャル基板１０のシート抵抗Ｒｓの値は、（１）式より、
Ｒｓ＝１００００・（２５−３．５）-1.75＋５５０＝５９７（Ω／□）
となる。
【００４１】
以上のような、フォトルミネッセンス測定と検量線とを用いる本実施の形態のシート抵抗評価手法は、被検試料となるエピタキシャル基板１０または２０について、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊で求めることができる点で特徴的である。よって、ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって係る評価手法を適用すれば、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗についての全数検査を短時間で迅速に行うことが可能となる。このことは、製品不良の発生を低減し、ひいては、より品質の優れたエピタキシャル基板の実現に資するものである。
【００４２】
また、本実施の形態の評価手法は、下地基板１の導電性を問わない。従って、下地基板１が導電性材料からなる場合であっても、絶縁性材料からなる場合であっても、同様に適用することができる。この点で、導電性の下地基板を用いたエピタキシャル基板については適用ができない渦電流法に比して優れている。
【００４３】
＜バンド端ピーク強度値の取得手法＞
次に、バンド端ピーク強度の取得の仕方について説明する。図４は、バンド端ピーク強度値の取得に用いるフォトルミネッセンス測定装置１００の構成の一例を示す模式図である。バンド端ピーク強度値の取得に適用可能なフォトルミネッセンス測定装置１００の構成は、図４に示したものには限られない。
【００４４】
図４に示すフォトルミネッセンス測定装置１００は、励起光源１０１から出射した励起光Ｌ０を、チョッパ１０２、減光板１０３、および集光レンズ１０４を備える照射光学系を介して試料台１０５に載置固定された試料１０６のＨＥＭＴ構造をなす面（つまりはエピタキシャル基板１０または２０の上面）に照射し、これにより得られるフォトルミネッセンス光Ｌ１を、集光レンズ１０７、１０８からなる集光光学系にて集光し、これを分光器１０９にて分光したうえで光検出器１１０に取り込むことで、スペクトルを得るようになっている。なお、光検出器１１０で検出される信号は微弱であるため、チョッパ１０２と同期してロックインアンプ１１１で増幅されたうえで、スペクトルのデータとして取り出される。また、試料台１０５の位置は、ロックインアンプ１１１での信号の検出値が最大となるように調整される。
【００４５】
励起光源１０１としては、チャネル層３のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する光を出射可能なものを用いればよい。チャネル層３がＧａＮからなるＨＥＭＴ構造を対象とする場合であれば、ＧａＮのバンドギャップエネルギーが３．４ｅＶであることから、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（発振波長３２５ｎｍ）を用いるのが好適な一例である。また、ＧａＮよりもバンドギャップが大きいＡｌＧａＮにてチャネル層を構成したＨＥＭＴ構造を対象とする場合であれば、より高いエネルギーを与えるレーザ光源を用いる態様であってもよいし、電子線励起（ＣＬ）を適用するようにしてもよい。
【００４６】
光検出器１１０としては、光電子増倍管を用いるのが好適な一例であるが、これに代わり、マルチチャンネルプレートやＣＣＤなどを用いる態様であってもよい。
【００４７】
エピタキシャル基板１０または２０を測定対象としてフォトルミネッセンス測定装置１００による測定を行う場合、励起光Ｌ０は、障壁層５あるいはさらにスペーサ層４を透過してチャネル層３に照射される。従って、ＨＥＭＴ構造自体を維持したままでチャネル層３のバンド端に相当する波長近傍での発光を検出することができる。また、フォトルミネッセンス測定は室温で行えるので、迅速なシート抵抗評価が可能となる。
【００４８】
なお、フォトルミネッセンス測定装置１００の構成によって測定時の検出効率は異なり得るため、スペクトル自体は同じであっても、フォトルミネッセンス測定の仕方によって、バンド端ピーク強度を与える光検出器からの出力信号の絶対値は異なることがある。よって、シート抵抗評価のためのフォトルミネッセンス測定時には、検量線作成時と同一の装置構成や出力条件で測定を行う必要がある。また、同一のフォトルミネッセンス測定装置１００であっても、励起光源１０１からの励起光Ｌ０の出力強度変動や、光検出器１１１における検出感度の変動が生じる。シート抵抗評価にあたっては、励起光Ｌ０の出力強度や光検出器１１１における検出感度を一定に保つ必要がある。例えば、光量計や可変減光板などによって励起光Ｌ０の強度を一定に調整したり、較正用試料による再現性確認などを行うことが必要である。
【００４９】
＜シート抵抗の測定方法＞
次に、検量線の作製に際してＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を実測する方法について説明する。
【００５０】
具体的には、まず、上述のフォトルミネッセンス測定装置１００にてフォトルミネッセンス測定を行ったエピタキシャル基板１０または２０の被測定箇所を方形に切り出して測定試料を得る。次に、この切り出された測定試料を真空容器中に設置し、その四隅に、Ｔｉ／Ａｌからなる抵抗測定用の金属電極（測定端子接続電極）を電子ビームによる金属溶融にて蒸着形成する。次に、電極形成後の測定試料を真空容器から取り出した後、高速アニール炉内にて６００℃〜８５０℃の温度で１分〜１０分間、アニール処理する。室温まで自然冷却させた後、測定試料を高速アニール炉から取り出す。取り出した測定試料について、室温にてvan der Pauw法によりシート抵抗を測定する。これにより、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を求めることが出来る。
【００５１】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、下地基板が導電性であるか絶縁性であるかを問わず、下地基板上にＨＥＭＴ構造を設けたエピタキシャル基板について、ＨＥＭＴ構造部分のシート抵抗を非破壊にて評価することが出来る。測定端子を接続するための電極形成処理などが必要ないので、ＨＥＭＴ素子用のエピタキシャル基板を量産するにあたって係る評価手法を適用すれば、短時間での全数検査が可能となる。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
本実施例では、エピタキシャル基板１０について、バンド端ピーク強度とシート抵抗との間に（１）式の関係が成り立つことを確認した。
【００５３】
具体的には、障壁層５におけるIII族元素の組成比が異なる２６種のエピタキシャル基板１０を用意し、それぞれのバンド端ピーク強度とシート抵抗の値から検量線を作成した。
【００５４】
まず、エピタキシャル基板１０としては、直径４インチの（１１１）面シリコン基板を下地基板１とし、その上に、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ多層膜からなるバッファ層２を２μｍの厚みに形成し、ＧａＮからなるチャネル層３を１．５μｍの厚みに形成し、さらに、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる障壁層５を目標厚み２５ｎｍに形成したものを用意した。
【００５５】
バンド端ピーク強度を求めるためのフォトルミネッセンス測定には、励起光源１０１としてＨｅ−Ｃｄレーザを備えるフォトルミネッセンス測定装置１００を用いた。入射光学系においては、焦点距離１００ｍｍ、直径３０ｍｍの集光レンズ１０４を用いた。入射角は４５°とした。エピタキシャル基板１０におけるレーザ光の照射径は約０．５ｍｍであった。集光光学系においては、焦点距離１００ｍｍ、直径６０ｍｍおよび焦点距離２５０ｍｍ、直径８０ｍｍの集光レンズ１０７、１０８を用いた。光検出器としては、ＧａＡｓ（Ｃｓ）光電子増倍管を用いた。なお、測定は室温にて行った。
【００５６】
フォトルミネッセンス測定後の試料について、被測定箇所を含む６ｍｍ×６ｍｍの方形に切り出した。この試料の四隅に、金属電極としてＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（３００ｎｍ）の多層電極を形成し、６００℃ １分間の条件でアニール処理した。得られた試料について、室温にてvan der Pauw法によりシート抵抗測定を行った。
【００５７】
また、シート抵抗を測定した各試料について、ＸＲＤによる２θ−ω測定と、ＴＥＭによる障壁層厚さ測定とを実施した。その結果、エピタキシャル基板１０における障壁層５のＡｌ組成ｘは０．１６〜０．２６の範囲にあり、厚みは２３〜２７ｎｍの範囲にあることが確認された。
【００５８】
図５は、シート抵抗Ｒｓの値をバンド端ピーク強度Ｐの値に対してプロットした図である。ここで、バンド端ピーク強度Ｐの単位としては、ロックインアンプ１１１からの出力値の単位であるｍＶを用いている。また、図５においては、障壁層５の組成（Ａｌ組成比ｘ）に応じてデータ点のマークを変えている。図５からは、プロットしたデータ点が一の近似曲線に沿って分布していることがわかる。回帰分析により、この曲線は、
Ｒｓ＝１００００・（Ｐ−３．５）-1.75＋５５０・・・・（２）
と求められる。
【００５９】
（２）式は、（１）式において、α＝１００００、β＝３．５、γ＝５５０、ｋ＝１．７５としたものである。このことは、上述の構成を有するエピタキシャル基板１０について、（１）式の関係が成り立つことを示している。よって、下地基板１、バッファ層２、およびチャネル層３の構成が同じであり、障壁層５におけるIII族元素の組成比のみが異なるエピタキシャル基板１０については、（２）式を検量線としてシート抵抗を求めることが可能となる。
【００６０】
（実施例２）
本実施例では、エピタキシャル基板２０について、バンド端ピーク強度とシート抵抗との間に（１）式の関係が成り立つことを確認した。
【００６１】
具体的には、障壁層５におけるIII族元素の組成比が異なる２６種のエピタキシャル基板２０を用意し、それぞれのバンド端ピーク強度とシート抵抗の値から検量線を作成した。
【００６２】
まず、エピタキシャル基板２０としては、直径４インチの（１１１）面シリコン基板を下地基板１とし、その上に、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ多層膜からなるバッファ層２を２μｍの厚みに形成し、ＧａＮからなるチャネル層３を１．５μｍの厚みに形成し、ＡｌＮからなるスペーサ層４を１ｎｍの厚みに形成し、さらに、ＡｌxＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる障壁層５を目標厚み１０ｎｍに形成したものを用意した。
【００６３】
フォトルミネッセンス測定およびシート抵抗測定については、実施例１と同様の条件および手順にて行った。
【００６４】
また、ＸＲＤによる２θ−ω測定およびＴＥＭによる障壁層厚さ測定についても、実施例１と同様に行った。その結果、エピタキシャル基板１０における障壁層５のＩｎ組成ｙは０．１４〜０．２４の範囲にあり、厚みは９〜１１ｎｍの範囲にあることが確認された。
【００６５】
図６は、シート抵抗Ｒｓの値をバンド端ピーク強度Ｐの値に対してプロットした図である。ここで、バンド端ピーク強度Ｐの単位としては、ロックインアンプ１１１からの出力値の単位であるｍＶを用いている。また、図６においては、障壁層５の組成（Ｉｎ組成比ｙ）に応じてデータ点のマークを変えている。図６からは、プロットしたデータ点が一の近似曲線に沿って分布していることがわかる。回帰分析により、この曲線は、
Ｒｓ＝１０００・（Ｐ−３．５）-1.25＋２２５・・・・（３）
と求められる。
【００６６】
（３）式は、（１）式において、α＝１０００、β＝３．５、γ＝２２５、ｋ＝１．２５としたものである。このことは、上述の構成を有するエピタキシャル基板２０について、（１）式の関係が成り立つことを示している。よって、下地基板１、バッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４の構成が同じであり、障壁層５におけるIII族元素の組成比のみが異なるエピタキシャル基板２０については、（３）式を検量線としてシート抵抗を求めることが可能となる。
【００６７】
（実施例３）
実施例１で示したエピタキシャル基板１０と同じ構造の基板を作成し、該基板におけるシート抵抗の面内分布を、（２）式を用いた算出値と、実測値とのそれぞれについて評価した。なお、障壁層５の組成はＡｌ0.20Ｇａ0.80Ｎであった。
【００６８】
まず、基板１０の径方向７箇所（基板中心からの距離が０ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍ、１８ｍｍ、２４ｍｍ、３２ｍｍ、４０ｍｍ）について、励起レーザ光を照射してフォトルミネッセンス測定を行い、バンド端ピーク出力を記録した。そして（２）式により各点のシート抵抗を算出した。
【００６９】
次に、フォトルミネッセンス測定の測定点を中心とする６ｍｍ角に基板を切出し、実施例１に示した手法にてシート抵抗を実測した。
【００７０】
それぞれの手法にて求めたシート抵抗値を表１に示す。（２）式による算出値と実測値との誤差は、最大でも、１０Ω／□程度であった。
【００７１】
【表１】
【００７２】
（実施例４）
実施例２で示したエピタキシャル基板２０と同じ構造の基板を作成し、該基板におけるシート抵抗の面内分布を、（３）式を用いた算出値と、実測値とのそれぞれについて評価した。なお、障壁層５の組成はＡｌ0.20Ｉｎ0.80Ｎであった。
【００７３】
まず、基板２０の径方向７箇所（位置は実施例３と同様）について、励起レーザ光を照射してフォトルミネッセンス測定を行い、バンド端ピーク出力を記録した。そして（３）式により各点のシート抵抗を算出した。
【００７４】
次に、フォトルミネッセンス測定の各測定点を中心とする６ｍｍ角に基板を切出し、実施例２に示した手法にてシート抵抗を実測した。
【００７５】
それぞれの手法にて求めたシート抵抗値を表２に示す。（３）式による算出値と実測値との誤差の最大でも５Ω／□程度であった。
【００７６】
【表２】
【００７７】
（実施例３および実施例４の結果について）
実施例３および実施例４の結果によれば、（２）式または（３）式からの算出値と実測値との誤差は、最大でも実測値の２〜３％程度に過ぎない。係る結果は、フォトルミネッセンス測定と（１）式を用いた算出とによって非破壊でシート抵抗を求める手法が、実測に代わるシート抵抗の評価手法として適切であることを意味している。
【符号の説明】
【００７８】
１ 下地基板
２ バッファ層
３ チャネル層
４ スペーサ層
５ 障壁層
１０、２０ エピタキシャル基板
１００ フォトルミネッセンス測定装置
１０１ 励起光源
１０２ チョッパ
１０３ 減光板
１０４、１０７、１０８ 集光レンズ
１０５ 試料台
１０６ 試料
１０９ 分光器
１１０ 光検出器
１１１ ロックインアンプ
Ｌ０ 励起光
Ｌ１ フォトルミネッセンス光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがIII族窒化物からなるチャネル層と障壁層とを含むＨＥＭＴ構造を備えるエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法であって、
障壁層におけるIII族元素の組成比を除いて評価対象エピタキシャル基板と同一の構造を有する複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてフォトルミネッセンス測定を行い、得られたスペクトルから、前記チャネル層のバンド端に相当する波長近傍での最大発光強度を表すバンド端ピーク強度値を取得する第１予備測定工程と、
前記複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてシート抵抗値を測定する第２予備測定工程と、
前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とから、バンド端ピーク強度とシート抵抗との関係を表す検量線を作成する検量線作成工程と、
評価対象エピタキシャル基板についてフォトルミネッセンス測定を行い、前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値を取得する実測工程と、
前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値と前記検量線とに基づいて前記評価対象エピタキシャル基板のシート抵抗値を算出する工程と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシート抵抗評価方法であって、
前記バンド端ピーク強度をＰ、前記シート抵抗をＲｓ（Ω／□）とし、α、β、γ、ｋはすべて正の定数とするときに、前記検量線を、前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とを用いた回帰分析によって、
Ｒｓ＝α・（Ｐ−β）-k＋γ
なる関係式として定めることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のシート抵抗評価方法であって、
前記ＨＥＭＴ構造が下地基板の上にエピタキシャル形成されてなることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、
前記複数のエピタキシャル基板として、前記障壁層におけるIII族元素の組成比が相異なる複数のエピタキシャル基板を用いることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、
前記チャネル層がＧａＮからなり、前記フォトルミネッセンス測定においてＨｅ−Ｃｄレーザを励起光源として用いることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項１】
それぞれがIII族窒化物からなるチャネル層と障壁層とを含むＨＥＭＴ構造を備えるエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法であって、
障壁層におけるIII族元素の組成比を除いて評価対象エピタキシャル基板と同一の構造を有する複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてフォトルミネッセンス測定を行い、得られたスペクトルから、前記チャネル層のバンド端に相当する波長近傍での最大発光強度を表すバンド端ピーク強度値を取得する第１予備測定工程と、
前記複数のエピタキシャル基板のそれぞれについてシート抵抗値を測定する第２予備測定工程と、
前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とから、バンド端ピーク強度とシート抵抗との関係を表す検量線を作成する検量線作成工程と、
評価対象エピタキシャル基板についてフォトルミネッセンス測定を行い、前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値を取得する実測工程と、
前記評価対象エピタキシャル基板のバンド端ピーク強度値と前記検量線とに基づいて前記評価対象エピタキシャル基板のシート抵抗値を算出する工程と、
を備えることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシート抵抗評価方法であって、
前記バンド端ピーク強度をＰ、前記シート抵抗をＲｓ（Ω／□）とし、α、β、γ、ｋはすべて正の定数とするときに、前記検量線を、前記第１予備測定工程において取得したバンド端ピーク強度値と前記第２予備測定工程とにおいて取得したシート抵抗値とを用いた回帰分析によって、
Ｒｓ＝α・（Ｐ−β）-k＋γ
なる関係式として定めることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のシート抵抗評価方法であって、
前記ＨＥＭＴ構造が下地基板の上にエピタキシャル形成されてなることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、
前記複数のエピタキシャル基板として、前記障壁層におけるIII族元素の組成比が相異なる複数のエピタキシャル基板を用いることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシート抵抗評価方法であって、
前記チャネル層がＧａＮからなり、前記フォトルミネッセンス測定においてＨｅ−Ｃｄレーザを励起光源として用いることを特徴とするエピタキシャル基板のシート抵抗評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１７８４１３（Ｐ２０１２−１７８４１３Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９８４７（Ｐ２０１１−３９８４７）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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