JP6307351B2 - ヘテロ接合電界効果トランジスタ現象を観察する方法及び装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示される技術は、ヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象を観察する方法及び装置に関する。

化合物半導体を材料とするヘテロ接合電界効果トランジスタの開発が進められている。この種のヘテロ接合電界効果トランジスタでは、オン状態においてドレイン電流が減少する電流コラプス現象の発生が問題となっている。電流コラプス現象が生じる原因については不明な点も多いが、ゲート電極のドレイン側端部で電荷が蓄積することが１つの原因だと考えられている。この電荷によって形成される電界領域を検出することができれば、電流コラプス現象の発生位置を可視化させることができ、電流コラプス現象を観察できると考えられる。このため、電流コラプス現象の原因を解明するために、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定する技術の開発が望まれている。また、電流コラプス現象が強く発現する不良品を判別するためにも、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定する技術の開発が望まれている。

非特許文献１には、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）を利用してヘテロ接合電界効果トランジスタの表面電位を測定し、測定された表面電位の時間変化から電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定する技術が開示されている。

"Surface potential measurements of AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor by Kelvin probe force microscopy" Kohei Nakagami, Yutaka Ohno, Shigeru Kishimoto, Koichi Maezawa, and Takashi Mizutani, Appl. Phys. Lett., Vol. 85, No. 24, 13 December 2004

ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）を利用する技術では、探針を利用して表面電位が測定されるので、測定に長い時間を要する。ヘテロ接合電界効果トランジスタは、高周波数で動作されることが多い。このため、そのような高周波動作で生じる電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定する場合、ケルビンフォース顕微鏡を利用する技術は適さない。短時間で電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定可能な技術の開発が望まれている。

本明細書では、ヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定して電流コラプス現象を観察するために、高次高調波を利用する技術が提案される。電界が形成されている電界領域に光が照射されると、その電界領域に高次高調波が発生することが知られている。このため、ヘテロ接合電界効果トランジスタに発生する高次高調波の強度を検出することで、電界領域、即ち、電荷が蓄積されている領域を特定することができる。高次高調波は光であり、短時間で検出可能である。このように、高次高調波を利用する技術によれば、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を短時間で特定することができるので、電流コラプス現象を観察可能な方法及び装置を提供することができる。

図１は、評価対象のヘテロ接合電界効果トランジスタの要部断面図を模式的に示す。 図２は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの半導体層の面内方向において、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定する装置の構成の概略を示す。 図３は、図２の装置の検出作業中におけるドレイン電極、ゲート電極及びレーザ光のタイミングチャートを示す。 図４は、本実施例の装置の検出作業のフローチャートを示す。 図５は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの半導体層の面内方向におけるＳＨＧイメージング像を示す。 図６は、オン抵抗とＳＨＧ強度の関係を示す。 図７は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの半導体層の深さ方向において、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定する装置の構成の概略を示す。 図８は、図７の装置の検出作業中におけるドレイン電極、ゲート電極及びレーザ光のタイミングチャートを示す。 図９は、ヘテロ接合電界効果トランジスタの半導体層の深さ方向におけるＳＨＧ強度の分布を示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

本明細書で開示される方法は、ヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象を観察する方法である。この方法は、ヘテロ接合電界効果トランジスタに光を照射し、光が照射された領域に発生する高次高調波の強度を検出する検出工程を備えていてもよい。ここで、ヘテロ接合電界効果トランジスタの材料は、特に限定されるものではない。例えば、ヘテロ接合電界効果トランジスタの材料は、シリコン系半導体又は化合物半導体であってもよい。化合物半導体には、窒化物半導体、炭化珪素又はガリウムヒ素が含まれる。ヘテロ接合電界効果トランジスタに照射される光は、所定の波長域のレーザ光であり、所定幅のパルス光であってもよい。ヘテロ接合電界効果トランジスタのうちの光が照射される領域は、電流コラプス現象によって電界が形成されている電界領域が存在すると予測される位置を含んでいればよく、ドレイン電極とソース電極の間の少なくとも一部を含むのが好ましく、ドレイン電極とゲート電極の間の少なくとも一部を含むのが好ましい。

上記方法は、検出工程に先立って、ヘテロ接合電界効果トランジスタがオフのときに、ドレイン電極とソース電極の間に電圧を印加する電圧印加工程をさらに備えていてもよい。検出工程は、ヘテロ接合電界効果トランジスタがオンのときに行われてもよい。検出工程では、ドレイン電極とソース電極の間に電圧を印加してもよいし、印加しなくてもよい。トラップされた電荷で発生する電界を良好に検出するために、検出工程では、ドレイン電極とソース電極の間に電圧を印加しないのが望ましい。電流コラプス現象は、ゲートがオフからオンに切替わってから所定期間内に強く発現する。このため、上記方法によれば、オフストレス状態からオン状態に切り換えた直後の電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を良好に特定することができる。

上記方法は、電圧印加工程と検出工程を含むサイクルを繰り返し、サイクル毎に検出される高次高調波の強度に応じた検出信号を積算する積算工程をさらに備えていてもよい。これにより、サイクル毎の検出信号が微弱であっても、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を高感度に検出することができる。

ヘテロ接合電界効果トランジスタは、半導体層を有していてもよい。この場合、検出工程は、半導体層の面内方向に分布する高次高調波の強度を検出してもよい。あるいは、検出工程は、半導体層の深さ方向に分布する高次高調波の強度を検出してもよい。あるいは、検出工程は、半導体層の面内方向に分布する高次高調波の強度及び半導体層の深さ方向に分布する高次高調波の強度の双方を検出してもよい。

本明細書で開示される装置は、ヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象を観察する。装置は、ヘテロ接合電界効果トランジスタに光を照射する光照射装置及び光が照射された領域に発生する高次高調波の強度を検出する検出装置を備えていてもよい。

上記装置はさらに、ヘテロ接合電界効果トランジスタに印加する電圧を生成する電圧生成装置を備えていてもよい。上記装置はさらに、光照射装置及び電圧生成装置に接続されている制御装置を備えていてもよい。ここで、制御装置は、電圧印加工程及び検出工程を実行するように電圧生成装置と光照射装置を制御してもよい。電圧印加工程は、ヘテロ接合電界効果トランジスタがオフのときに、ドレイン電極とソース電極の間に電圧を印加してもよい。検出工程は、電圧印加工程の後に、ヘテロ接合電界効果トランジスタがオンのときに、ヘテロ接合電界効果トランジスタに光を照射し、光が照射された領域に発生する高次高調波の強度を検出してもよい。この装置によれば、オフストレス状態からオン状態に切り換えた直後の電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を良好に特定することができる。

上記装置では、検出装置が、電圧印加工程と検出工程を含むサイクルが繰り返されたときに、サイクル毎に検出される高次高調波の強度に応じた検出信号を積算する積算手段を有していてもよい。

ヘテロ接合電界効果トランジスタは、半導体層を有していてもよい。この場合、検出装置は、半導体層の面内方向に分布する高次高調波の強度を検出してもよい。あるいは、検出装置は、半導体層の深さ方向に分布する高次高調波の強度を検出してもよい。あるいは、検出装置は、半導体層の面内方向に分布する高次高調波の強度及び半導体層の深さ方向に分布する高次高調波の強度の双方を検出してもよい。

高次高調波は、２次高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）であってもよい。２次高調波は、他の高次高調波よりも強度が強いので、高感度な測定が可能になる。ここで、２次高調波の強度は、電界強度に比例し、以下の式で表すことができる。

Ｉ（２ω）は２次高調波の強度を示しており、χ⁽³⁾は物質固有の線形感受テンソル（物質の光りやすさ）を示しており、Ｅ(0)はトラップされた電荷で発生する電界を示しており、Ｅ(ω)はレーザ光の強度を示している。

以下、図面を参照して、ヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定して電流コラプス現象を観察する方法及び装置を説明する。まず、観察評価対象のヘテロ接合電界効果トランジスタの一例を説明する。

図１に示されるように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、半導体層２を備える。半導体層２は、シリコン（Ｓｉ）のＳｉ基板３、超格子（ＡｌＮ／ＧａＮ）又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のバッファ層４、窒化ガリウム（ＧａＮ）の電子走行層５及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の電子供給層６を備える。電子走行層５と電子供給層６は、ヘテロ接合を構成しており、そのヘテロ接合面に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が形成される。ヘテロ接合電界効果トランジスタ１はさらに、電子供給層６上に設けられているドレイン電極７、ゲート電極８及びソース電極９を備える。ドレイン電極７及びソース電極９は、電子供給層６にオーミック接触する。ゲート電極８は、ドレイン電極７とソース電極９の間に配置されており、電子供給層６にショットキー接触する。

ヘテロ接合電界効果トランジスタ１をスイッチング動作させるとき、ドレイン電極７に正の高電圧が印加され、ソース電極９に接地電圧が印加され、ゲート電極８にオン電圧又はオフ電圧が印加される。本実施例のヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、ノーマリオン型である。このため、ゲート電極８にオン電圧（この例では接地電圧）が印加されているとき、ドレイン電極７とソース電極９の間の２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を介して電流が流れ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１はオンとなる。一方、ノーマリオンデバイスでは、ゲート電極８にオフ電圧（この例では負電圧）が印加されているとき、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）が空乏化されて電流の流れが遮断され、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１はオフとなる。

ヘテロ接合電界効果トランジスタ１では、オフ状態において、ドレイン電極７とゲート電極８の間に高電圧が印加される。このため、オフ状態において、ゲート電極８からドレイン側に向けて電子が注入され、その電子の一部がゲート電極８のドレイン側端部の電子供給層６の表面又はバルクにトラップされる。これにより、ゲート電極８のドレイン側端部に負帯電領域が形成される。この負帯電領域の影響によって、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のオン状態における抵抗が増加し、ドレイン電流が減少する。このような負帯電領域の形成が、電流コラプス現象の原因であると考えられている。以下では、負帯電領域に形成される電界を２次高調波（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）を利用して検出することで、電流コラプス現象によって発現する電界領域の位置を特定して電流コラプス現象を観察する方法及び装置を説明する。

図２に示されるように、電流コラプス現象の評価装置１００は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に向けてレーザ光を照射する光照射装置１０、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に発生する２次高調波を検出する検出装置２０、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の各電極に印加する電圧を生成する電圧生成装置３０及び制御装置４０を備える。

光照射装置１０は、レーザ発振器１１、第１ＩＲパスフィルタ１２、ＮＤフィルタ１３、ミラー１４、偏光板１５、第２ＩＲパスフィルタ１６、レンズ１７及びローパスフィルタ１８を有する。

レーザ発振器１１は、固体レーザ装置であり、所定波長のレーザ光を出射する。この例では、レーザ発振器１１はTi-Sapphireレーザ発振器であり、レーザ光の波長は１０００ｎｍである。第１ＩＲパスフィルタ１２は、レーザ発振器１１から出射された赤外線の波長域のレーザ光を選択的に透過させる。ＮＤフィルタ１３は、第１ＩＲパスフィルタ１２を透過したレーザ光の強度を減衰させる。ミラー１４は、ＮＤフィルタ１３を透過したレーザ光を反射させ、偏光板１５に入射させる。偏光板１５は、所定の振動方向のレーザ光のみを透過させ、レーザ光の偏光成分の品質を高めている。第２ＩＲパスフィルタ１６は、迷い光などの光をカットする。レンズ１７は、第２ＩＲパスフィルタ１６を透過したレーザ光を集光する。ローパスフィルタ１８は、所定波長よりも長い波長（所定周波数よりも低い周波数）のレーザ光のみを透過させる。この例では、ローパスフィルタ１８は、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光の半分の波長よりも長い波長の光のみを透過させる。ローパスフィルタ１８を透過したレーザ光の一部がハーフミラー２２及び対物レンズ２１に入射する。対物レンズ２１で集光されたレーザ光は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に照射される。

ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に照射されるレーザ光のスポット径は、約φ１００μｍである。このため、レーザ光は、ドレイン電極７とソース電極９の間の全域を照射する。ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に電界が形成されている電界領域が存在すると、その電界領域にレーザ光の半分の波長の２次高調波が発生する。この例では、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に１０００ｎｍのレーザ光を照射させているので、５００ｎｍの２次高調波が発生する。

検出装置２０は、対物レンズ２１、ハーフミラー２２、ＩＲカットフィルタ２３、バンドパスフィルタ２４、光電変換装置２５及び処理部２６を有する。

対物レンズ２１は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に発生した２次高調波を採光し、ハーフミラー２２に入射させる。対物レンズ２１の倍率は、２０倍である。ハーフミラー２２は、２次高調波の一部を反射させ、ＩＲカットフィルタ２３に入射させる。ＩＲカットフィルタ２３は、赤外線の波長域のレーザ光をカットする。このため、ＩＲカットフィルタ２３は、レーザ発振器１１から出射されるレーザ光の反射光をカットし、２次高調波を選択的に透過させる。バンドパスフィルタ２４は、２次高調波付近の所定の波長域を選択的に透過させる。このため、バンドパスフィルタ２４は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に発生した２次高調波を選択的に透過させる。光電変換装置２５は、ＣＣＤカメラを有しており、２次高調波の光の強度に応じた平面情報を取得する。処理部２６は、積算回路を有する。後述するように、処理部２６は、検出サイクル毎に検出された検出信号を積算するように構成されている。これにより、取得される平面情報は、検出サイクル毎に検出された検出信号の総和となっている。検出サイクル毎の２次高調波の強度が微弱であっても、検出装置２０は、高感度に平面情報を取得することができる。

電圧生成装置３０は、直流電源を有する。電圧生成装置３０は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７、ゲート電極８及びソース電極９に接続されており、これらの電極に印加する所定電圧を生成可能に構成されている。

制御装置４０は、光照射装置１０のレーザ発振器１１と電圧生成装置３０に接続されている。制御装置４０は、レーザ発振器１１からレーザ光を出射させるタイミングを制御可能に構成されている。さらに、制御装置４０は、電圧生成装置３０からヘテロ接合電界効果トランジスタ１の各電極に所定電圧を印加するタイミングを制御可能に構成されている。

図３及び図４に示されるように、制御装置４０は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のオフ期間（ｔ１−ｔ２）において、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７にストレス電圧（正の高電圧）を印加すると同時に、ゲート電極８にオフ電圧（負の電圧）を印加する（図４のステップＳ１参照）。一例では、ストレス電圧が１００Ｖ、２００Ｖ又は３００Ｖのいずれかに設定されており、ソース電極９には接地電圧が印加されており、ゲート電極８には−５Ｖが印加されている。一例では、オフ期間（ｔ１−ｔ２）は、１３０μｓに設定される。これにより、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７とゲート電極８の間には高電圧が印加され、ゲート電極８からドレイン側に向けて電子が注入される。注入された電子の一部は、ゲート電極８のドレイン側端部において、電子供給層６及びバルクにトラップされ、負帯電領域を形成する。

次に、制御装置４０は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７に接地電圧を印加すると同時に、ゲート電極８にオン電圧（接地電圧）を印加し、オン期間（ｔ２以降）に移行する（図４のステップＳ２）。なお、ソース電極９にも、接地電圧が印加されている。

次に、制御装置４０は、所定のタイミングｔ３において、レーザ発振器１１からレーザ光を出射させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１にレーザ光を照射させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に２次高調波を発生させる（図４のステップＳ３参照）。一例では、タイミングｔ３については、タイミングｔ２からの経過時間が１０μｓ、１００μｓ又は８００μｓのいずれかに設定される。制御装置４０は、図３に示される過程を１サイクルとし、これを複数回繰り返し、所定回数に達したときに検出作業を終了する（図４のステップＳ４参照）。その結果、所定のタイミングｔ３で測定された検出信号は積算され、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の面内方向に分布する２次高調波の強度（以下、ＳＨＧ強度という）を含む平面情報が取得される。

図５に、検出されたＳＨＧ強度を含む平面情報を示す。なお、図中の「Ｄ」がドレイン電極７であり、「Ｇ」がゲート電極８であり、「Ｓ」がソース電極９を示す。図５に示されるように、ゲート電極８のドレイン側端部に、電界領域を示す白い像（２次高調波の像であり、以下、ＳＨＧ像という）が観察された。ストレス電圧が１００Ｖ及び２００Ｖでは、ゲート電極８の長手方向に沿って、ゲート電極８のドレイン側端部にＳＨＧ像が一定幅で観察されている。このように、本実施例の評価装置１００では、ＳＨＧ強度を含む平面情報を取得することができるので、電界領域の位置を特定することができる。ＳＨＧ強度は、ストレス電圧が大きいほど大きく、時間が経過すると減少することが確認された。一方、ストレス電圧が３００Ｖでは、ＳＨＧ像の幅の均一性が悪くなっている。これは、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の劣化が原因と考えられる。このように、本実施例の評価装置１００では、局所的な電界領域の位置も特定することができるので、不良解析にも有用であることが示唆された。

図６に、各検出タイミングにおけるヘテロ接合電界効果トランジスタ１のオン抵抗及びＳＨＧ強度をプロットした結果を示す。図６に示されるように、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のオン抵抗とＳＨＧ強度の間に比例関係が存在することが確認された。このことは、ＳＨＧ強度が、電流コラプス現象の評価指標として有用であることを示唆している。

このように、本実施例の技術を利用すると、ＳＨＧ像から電流コラプス現象の発生位置を特定することができ、また、ＳＨＧ強度から電流コラプス現象の強さを評価することができる。ＳＨＧ強度から電流コラプス現象の強さを評価することができるので、不良品の選別にも有用である。

本実施例の技術では、２次高調波を利用するので、オフストレス状態からオン状態に切り換えた直後の情報を得ることができる。ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、高周波でスイッチング動作する。例えば、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１は、１００ＫＨｚでスイッチング動作して用いられることが想定される。このような場合、ストレス電圧をオフしてから短時間（例えば、１０μｓ）で電流コラプス現象を評価することが必要とされるが、本実施例の技術はこの要求に応えることができる。例えば、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）を利用した評価技術では、触針式によって表面ポテンシャルを計測するので、短時間の現象を捉えることは不可能である。

加えて、本実施例の技術では、電圧生成装置３０が検出系から独立しているので、ヘテロ接合電界効果トランジスタに大きな電圧（６００Ｖ以上）を印加可能である。例えば、ケルビンフォース顕微鏡（ＫＦＭ）を利用した評価技術では、ヘテロ接合電界効果トランジスタに印加可能な電圧に制限（最大で１００Ｖ程度）があり、高電圧を印加できない。このため、本実施例の技術は、パワーデバイス用途のヘテロ接合電界効果トランジスタの電流コラプス現象を評価するのに特に有用である。

上記実施例の電流コラプス現象の評価装置１００は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の面内方向（半導体層２の深さ方向に対して直交する方向）に分布するＳＨＧ強度を検出することを特徴とする。これに代えて又はこれに加えて、電流コラプス現象の評価装置は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向に分布するＳＨＧ強度を検出するように構成されることができる。

図７に、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向に分布するＳＨＧ強度を検出する電流コラプス現象の評価装置１０１の構成を例示する。なお、図１に示す評価装置１００と相違する点のみを説明し、一致する構成については説明を省略する。

評価装置１０１の検出装置２０は、ｚスキャン２１ａ及びピンホール２７を備える。ｚスキャン２１ａは、対物レンズ２１をｚ軸方向（ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向）に移動させるように構成されている。ｚスキャン２１ａは、ピエゾ素子を利用しており、０．１μｍステップで対物レンズ２１をｚ軸方向に移動させることができる。ピンホール２７は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向において、焦点の合った位置に発生する２次高調波のみを通過させ、それ以外の位置に発生する２次高調波をカットする。

評価装置１０１の検出装置２０では、対物レンズ２１の倍率が１００倍に向上されている。また、評価装置１０１の検出装置２０では、光電変換装置２５が、ＣＣＤカメラに代えて、光電子倍増管を利用してＳＨＧ強度に応じた電気信号を取得するように構成されている。

このように、評価装置１０１では、対物レンズ２１の倍率向上及びピンホール２７の追加によって深さ方向の分解能が向上する。さらに、評価装置１０１は、ｚスキャン２１ａによって対物レンズ２１を深さ方向に沿って移動させることができるので、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向に分布するＳＨＧ強度を検出することができる。

図８に示されるように、評価装置１０１の検出作業中におけるドレイン電極、ゲート電極及びレーザ光のタイミングチャートは、評価装置１００のそれと概ね一致する。後述するように、評価装置１０１の検出作業では、深さ方向のＳＨＧ強度の分布が電界強度に依存することを検証するために、オフ期間（ｔ１−ｔ２）のタイミングｔ４においても、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１にレーザ光を照射させる。

図８に示されるように、評価装置１０１の制御装置４０は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のオフ期間（ｔ１−ｔ２）において、ノーマリオンのデバイスでは、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７にストレス電圧（正の高電圧）を印加すると同時に、ゲート電極８にオフ電圧（負の電圧）を印加する。一例では、ストレス電圧が１００Ｖに設定されており、ソース電極９には接地電圧が印加されており、ゲート電極８に−５Ｖが印加されている。一例では、オフ期間（ｔ１−ｔ２）は、２００μｓに設定される。これにより、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７とゲート電極８の間には高電圧が印加され、ゲート電極８からドレイン側に向けて電子が注入される。注入された電子の一部は、ゲート電極８のドレイン側端部において、電子供給層６及びバルクにトラップされ、負帯電領域を形成する。

このオフ期間（ｔ１−ｔ２）において、制御装置４０は、所定のタイミングｔ４において、レーザ発振器１１からレーザ光を出射させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１にレーザ光を照射させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に２次高調波を発生させる。一例では、タイミングｔ４については、タイミングｔ１からの経過時間が１００μｓに設定される。

次に、制御装置４０は、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のドレイン電極７に接地電圧を印加すると同時に、ゲート電極８にオン電圧（接地電圧）を印加し、オン期間（ｔ２以降）に移行する。なお、ソース電極９にも、接地電圧が印加されている。

次に、制御装置４０は、所定のタイミングｔ３において、レーザ発振器１１からレーザ光を出射させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１にレーザ光を照射させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１に２次高調波を発生させる。一例では、タイミングｔ３については、タイミングｔ２からの経過時間が８００ｎｓに設定される。

制御装置４０は、図８に示される過程を１サイクルとし、これを複数回繰り返し、所定回数に達したときに、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の所定深さにおける検出作業を終了する。その結果、所定のタイミングｔ４及びｔ３で測定された検出信号の各々が積算される、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の所定深さにおけるＳＨＧ強度を含む情報が取得される。

次に、評価装置１０１は、ｚスキャン２１ａを利用して対物レンズ２１を移動させ、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向の焦点位置を変更する。評価装置１０１は、変更された焦点位置において、上記と同様に、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の所定深さにおけるＳＨＧ強度を含む情報を取得する。このような検出作業を複数の焦点位置で実行することで、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１の半導体層２の深さ方向に分布するＳＨＧ強度を含む深さ情報が取得される。

図９に、検出されたＳＨＧ強度を含む深さ情報をヘテロ接合電界効果トランジスタ１の断面図に対応させて示す。なお、図９に示すＳＨＧ強度は、ゲート電極８からドレイン側に３μｍ離れた位置の結果である。また、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１については、バッファ層４の厚みが約２．４μｍであり、電子走行層５の厚みが約１．６μｍであり、電子供給層６の厚みが約２０ｎｍである。

オフ時に検出されたＳＨＧ強度は、半導体層２の表面側で強く、深部に向けて弱くなる。また、バッファ層４においては、ＳＨＧ強度がほぼ検出されない。ヘテロ接合電界効果トランジスタ１がオフ時の電界は、半導体層２の表面側で強く、深部に向けて弱くなり、バッファ層４には生じない。このように、オフ時に検出されたＳＨＧ強度の分布は、電界分布と概ね一致する。このことから、検出されるＳＨＧ強度は、電界分布の観測に適用可能と考えられる。

図９に示されるように、オン時に検出されたＳＨＧ強度は、半導体層２の表面側で強く、深部に向けて弱くなる。このことから、電流コラプス現象に影響する局所的な電界領域が、半導体層２の表面に強く存在することが確認された。また、オン時に検出されたＳＨＧ強度は、電子走行層５にも観察された。これは、電子走行層５の窒素空孔に電子がトラップされたからと考えられる。このように、本実施例の技術を利用すると、深さ方向のＳＨＧ強度から電流コラプス現象の発生位置を特定することができ、また、ＳＨＧ強度から電流コラプス現象の強さを評価することができる。ＳＨＧ強度から電流コラプス現象の強さを評価することができるので、不良品の選別にも有用である。

上記実施例の評価装置１０１では、深さ方向の焦点位置を設定するために、対物レンズ２１に接続するｚスキャン２１ａを利用する。この例に代えて、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１が載置されるステージがｚ方向に駆動するように構成されてもよい。

評価装置１０１の深さ方向の分解能を向上させるために、レーザ発振器１１が出射するレーザ光の品質を向上させるのが望ましい。特に、レーザ発振器１１が出射するレーザ光の強度分布がガウシアン分布を示すのを利用するのが望ましく、そのガウシアン半径が１μｍ以下であるのが望ましい。

半導体層２の面内方向のＳＨＧ強度を検出する技術と深さ方向のＳＨＧ強度を検出する技術を組み合わせるのが望ましい。これにより、ヘテロ接合電界効果トランジスタ１のＳＨＧ強度の分布を３次元で検出することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：ヘテロ接合電界効果トランジスタ、 １０：光照射装置、 １１：レーザ発振器、 １２：第１ＩＲパスフィルタ、 １３：ＮＤフィルタ、 １４：ミラー、 １５：偏光板、 １６：第２ＩＲパスフィルタ、 １７：レンズ、１８：ローパスフィルタ、 ２０：検出装置、 ２１：対物レンズ、 ２２：ハーフミラー、 ２３：ＩＲカットフィルタ、 ２４：バンドパスフィルタ、 ２５：光電変換装置、 ２６：処理部、 ３０：電圧生成装置、 ４０：制御装置

Claims (6)

1. 半導体層を有するヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象を観察する方法であって、
   前記ヘテロ接合電界効果トランジスタがオフのときに、ドレイン電極とソース電極の間に電圧を印加する電圧印加工程と、
   前記電圧印加工程の後に、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタに光を照射し、前記光が照射された領域に発生する高次高調波の強度を検出する検出工程と、を備えており、
   前記検出工程は、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタがオンのときに行われ、少なくとも前記半導体層の深さ方向に分布する前記高次高調波の強度を検出する方法。
2. 前記電圧印加工程と前記検出工程を含むサイクルを繰り返し、サイクル毎に検出される前記高次高調波の強度に応じた検出信号を積算する積算工程をさらに備える請求項１に記載の方法。
3. 前記検出工程は、前記半導体層の面内方向に分布する前記高次高調波の強度を検出する請求項１又は２に記載の方法。
4. 半導体層を有するヘテロ接合電界効果トランジスタで生じる電流コラプス現象を観察する装置であって、
   前記ヘテロ接合電界効果トランジスタに光を照射する光照射装置と、
   前記光が照射された領域に発生する高次高調波の強度を検出する検出装置と、
   前記ヘテロ接合電界効果トランジスタに印加する電圧を生成する電圧生成装置と、
   前記電圧生成装置及び前記光照射装置に接続されている制御装置と、を備えており、
   前記制御装置は、
   前記ヘテロ接合電界効果トランジスタがオフのときに、ドレイン電極とソース電極の間に電圧を印加する電圧印加工程と、
   前記電圧印加工程の後に、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタがオンのときに、前記ヘテロ接合電界効果トランジスタに前記光を照射し、前記光が照射された領域に発生する高次高調波の強度を検出する検出工程と、を実行するように前記電圧生成装置及び前記光照射装置を制御するように構成されており、
   前記検出装置は、少なくとも前記半導体層の深さ方向に分布する前記高次高調波の強度を検出するように構成されている装置。
5. 前記検出装置は、前記電圧印加工程と前記検出工程を含むサイクルが繰り返されたときに、サイクル毎に検出される前記高次高調波の強度に応じた検出信号を積算する積算手段を有する請求項４に記載の装置。
6. 前記検出装置は、前記半導体層の面内方向に分布する前記高次高調波の強度を検出するように構成されている請求項４又は５に記載の装置。