1 テラヘルツ光で見える！ 半導体キャリア特性 大野 誠吾 1,2 1 理化学研究所 2 東北大学大学院理学研究科
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テラヘルツ光で見える！ 半導体キャリア特性
大野 誠吾1,2
1理化学研究所 2東北大学大学院理学研究科
半導体とテラヘルツ帯
テラヘルツ光と半導体の相互作用 – キャリア ： Drude model < 光学フォノン
– 光学フォノン周波数 10 – 20 THz
→テラヘルツ光:キャリア密度と光学フォノンのプローブ
光学スペクトルがキャリア密度、フォノン周波数、緩和に敏感
→高感度センシングが可能！！
ω
Optical phonon Acoustic phonon
Plasma frequency
m-wave MMW Sub-MMW THz-wave IR
Electronic level Band gap
本技術に関する知的財産
キャリア濃度測定装置およびキャリア濃度測定方法 – 特許第5063325号 – 出願人 独立行政法人理化学研究所, 古河機械金属株式会社
– 発明者 伊藤 弘昌, 大野 誠吾, 濱野 哲英
移動度測定装置及びその方法、並びに、抵抗率測定装置及びその方法 – 特許第5601562号 – 出願人 独立行政法人理化学研究所, 古河機械金属株式会社
– 発明者 大野 誠吾, 伊藤 弘昌, 南出 泰亜, 濱野 哲英
波長可変単色テラヘルツ光源
反射率
↓
キャリア密度 半導体に合わせた測定
キャリア密度
N
抵抗率
r(N)
移動度
m(N) ⇔
物質ごとの関係を網羅的に調査
これらは互いに関係し、物質によって異なる
4
反射率の測定原理
N1
N2
光学フォノン周波数: wT, wL
-100
-50
0
50
100
Die
lectr
ic c
onst.
epsilon
e < 0 e > 0 e > 0
e wT
Frequency w
wL
キャリア密度
N1 > N2
Frequency w
0.001
0.01
0.1
1
測定領域 R=R(N)
Reflectivity
測定領域
e < 0 のところでは
反射率 R ~ 1.
GaN GaAs SiC
wT (THz) 17.4 8.0 23.9
wL (THz) 22.3 8.7 29.4
参照周波数
wT< w < wL
測定周波数
w < wT, w > wL
参照領域 R~1
0
0. 1
0. 2
0. 3
0. 4
0. 5
0. 6
0. 7
0. 8
0. 9
1
0 5 10 15 20 25 30
Reflectivity R
Frequency (THz)
5
GaNにおけるキャリア密度と最適な測定周波数
optimum frequency ranges for carrier density mapping
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1016
1017
1018
1019
1020
Reflectivity
R
Carrier Density N (cm-3
)
0.7 THz
22.7 THz
24.4 THz
15 THz
For 1016-1017cm-3 For > 1019cm-3 For 1017-1019cm-3
3 x 10 16 cm-3
3 x 10 17 cm-3
3 x 10 18 cm-3
3 x 10 19 cm-3
carrier density
6
測定系
tunable range : 1-40 THz Rep. rate : 100 Hz
Reflective angle: 14°
7
反射強度とキャリア密度
5 mm
R(22.7 THz)
R(19.2 THz)
1
2
3
G
(cm-1)
g
(cm-1)
wT
(cm-1)
wL
(cm-1)
einf m*
50 200 750 560 5.35 0.2m
carrier density measured by SIMS
1) N = 2.5 × 1016 cm-3
2) N = 1.0 × 1018 cm-3
3) N = 1.5 × 1018 cm-3
No
rma
lize
d R
efle
ctiv
ity
1.0
0.5
0.0
キャリア密度と緩和定数 移動度、抵抗率
キャリア密度の違いが各パラメータに1次の影響を及ぼす
ホール測定により求めた値 = キャリア密度から見積もった値
キャリア密度の分布から
各パラメータの分布がわかる
Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 022402
大面積測定の例 n-SiC 3” アズカットサンプル
0 20 40 60 800
20
40
60
80
X axis [mm]
Y A
xis
[m
m]
0.8
0.9
1.0
1.1
N [
1
01
8cm
3
]
0 20 40 60 800
20
40
60
80
X axis [mm]
Y A
xis
[m
m]
4.0
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
[
1
0
14s]
0 20 40 60 800
20
40
60
80
X axis [mm]
Y a
xis
[m
m]
201
206
211
216
221
226
m [
cm
2V
1s
1 ]
0 20 40 60 800
20
40
60
80
X axis [mm]
Y a
xis
[m
m]
2.8
2.9
3.0
3.1
3.2
3.3
r [
1
0
2
cm
]
ωref = 24.5 THz
ωmes. = 29.4 THz
N
m
r
想定される用途
製造工程における非破壊非接触検査
–アズグローン、アズカット測定
ウエハから作製段階へのフィードバックの高速化
製造ラインでの流れ測定
–研究室レベルでのウエハの評価、可視化
作製技術が未成熟な次世代半導体
– パワー半導体、太陽電池パネルなど
実用化に向けて
材料 – GaN, GaAs, SiC, Siにおいて検証済み
– そのほかの材料では、検証が必要
測定系 – カメラ撮影によるさらなる高速化
中赤外(8-14mm帯)カメラの応用 – GaN基板の判別を実現
– カメラの帯域が広がればほかの材料へも応用可能
アップコンバージョンカメラ
– 自動化 使いやすいソフトウェア →研究ベースのソフトから製品ベースのソフトへ
企業への期待
システム化、パッケージ化 – 使い勝手の良いシステム – 利用場面に合わせた設計 – 高速信号処理
他への応用 – テラヘルツ光の特性、測定原理等ほかの場面での活用 e.g. a-Si ソーラパネル
共同研究 – 理研テラヘルツ光源研究チームでは共同研究を受け入れ可能です。
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LED, LD
太陽電池 パネル
パワー エレクトロニクス
高密度 集積素子
高性能 トランジスタ
グリーン フォトニクス
エコ社会
先進情報化社会
展望
THz カメラリアルタイム測定
電気伝導 特性評価
低キャリア密度診断
GaN 診断 SiC診断
THz 半導体評価システム
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まとめ
DAST-DFG テラヘルツ光源の単色性、周波数可変性を活かした半導体評価装置 – 非破壊、非接触、高速、高分解能 – 半導体の種類に合わせた測定 – アズグローン、アズカット測定
キャリア密度から移動度、抵抗率 導体基板における特性分布マッピング
– GaN, GaAs, SiC, (Si) – 測定精度 < 5 %
展開：2次元測定
– テラヘルツカメラ＆周波数可変単色光源 – アップコンバージョンカメラ
謝辞
3C-SiCの提供 – 長澤弘幸氏 (HOYA株式会社) – 河原考光氏 (HOYA株式会社)
DAST結晶の作製 – 齋藤美紀子氏 (理化学研究所) – 鈴木千里氏 (古河機械金属株式会社)
FTIR測定 – 鎌田優子氏 (理化学研究所)
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