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JP7627071B2 - Mobility measurement device - Google Patents
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JP7627071B2 - Mobility measurement device - Google Patents

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Description

半導体基板などの導電性基板または表面に形成された導電層のシート抵抗、その導電層内のキャリアである電子・正孔などの移動度、その導電層内のキャリア濃度などを測定する方法と測定装置に関するものである。 This relates to a method and measuring device for measuring the sheet resistance of a conductive substrate such as a semiconductor substrate or a conductive layer formed on the surface, the mobility of carriers such as electrons and holes in the conductive layer, and the carrier concentration in the conductive layer.

GaAs半導体や、AlGaNを表面層に有するGaN半導体は、MOCVD法などを用いた結晶成長やイオン注入を用いて電気導電層を形成した基板にデバイス作成を行う。このためデバイス作成前に基板の電気導電層のシート抵抗測定やキャリア移動度の測定を行うことが必要である。然しながら、GaAs半導体やAlGaNを表面層に有するGaN半導体に対して金属針を半導体表面に直接接触させると金属針と半導体間にショットキー接合が形成されるため、通電させることができない。このため、金属をリソグラフィーによりパターニングし、高温アニールで合金化させるなどして通電可能なオーミック性の電気的コンタクトを形成する。これはオーミック形成プロセスと呼ばれ、測定試料を作成するには多大な時間を要する。半導体などの電気特性の測定として一般的なシート抵抗測定、ホール測定、CV測定などの電気特性の評価には、このようなオーミック電極作成は必須となっている。 GaAs semiconductors and GaN semiconductors with AlGaN on the surface layer are fabricated on substrates on which an electrically conductive layer is formed by crystal growth using MOCVD or ion implantation. For this reason, it is necessary to measure the sheet resistance and carrier mobility of the electrically conductive layer of the substrate before fabricating the device. However, when a metal needle is directly contacted with the semiconductor surface of a GaAs semiconductor or a GaN semiconductor with AlGaN on the surface layer, a Schottky junction is formed between the metal needle and the semiconductor, making it impossible to conduct electricity. For this reason, metal is patterned by lithography and alloyed by high-temperature annealing to form an ohmic electrical contact that can conduct electricity. This is called the ohmic formation process, and it takes a lot of time to create a measurement sample. Such ohmic electrode creation is essential for evaluating electrical properties such as sheet resistance measurement, Hall measurement, and CV measurement, which are common for measuring the electrical properties of semiconductors.

シート抵抗測定には、4端子プローブ法が用いられている。これは直線状に配列された4本の金属針を半導体に接触させ、外側2本の金属針に電流源を接続し、内側の2本の金属針間に発生する電圧を測定することでシート抵抗を測定できるものであるが、金属針と半導体がショットキー・ダイオードとなる接合となるGaAsやGaNなどの半導体に対しては通電することができないため、4端子プローブ法は適用できなかった。 The four-terminal probe method is used to measure sheet resistance. This method involves contacting four metal needles arranged in a straight line with a semiconductor, connecting a current source to the two outer metal needles, and measuring the voltage generated between the two inner metal needles, thereby measuring the sheet resistance. However, the four-terminal probe method cannot be applied to semiconductors such as GaAs and GaN, where the metal needles and the semiconductor form a junction that forms a Schottky diode, because it is not possible to pass a current through them.

別の方法として、交流磁場印加により電気伝導層で発生する渦電流をインピーダンスとして測定することによって、シート抵抗を測定する装置が実用化されているが、シリコンなどの導電性基板を用いた場合は、合成されたシート抵抗を測定することになり、正確な測定ができない。また、市販されている非接触渦電流によるシート抵抗測定器は、高抵抗の基板では渦電流が小さくなるため、広範囲での測定ができない問題がある。 As an alternative method, a device has been developed that measures sheet resistance by measuring the eddy currents generated in an electrically conductive layer by applying an AC magnetic field as impedance. However, when a conductive substrate such as silicon is used, the composite sheet resistance is measured, making accurate measurements impossible. In addition, commercially available sheet resistance measuring devices that use non-contact eddy currents have the problem that they cannot measure over a wide range because eddy currents are small on high-resistance substrates.

更に、キャリア移動度を測定するためにホール効果を測定する場合においても、オーミック性の電気的コンタクト形成が必要である。このために、サンプル表面に部分的にIn半田を接着し、加熱してオーミック形成を行うことが一般的である。この工程はサンプルを切り出して行う場合が多く、時間を要するものである。 Furthermore, when measuring the Hall effect to measure carrier mobility, it is necessary to form an ohmic electrical contact. For this purpose, it is common to partially attach In solder to the sample surface and heat it to form an ohmic contact. This process is often performed by cutting out the sample, and is time-consuming.

また、キャリア濃度を測定するためには、CV測定(容量・電圧測定)を行うことが一般的である。これは、面積の決まったショットキー・ダイオードに逆方向電圧を印加して容量値を測定するものである。当然ながら、ショットキー・ダイオードの片側は、オーミック性の電気的コンタクトが必要である。このため半導体表面にショットキー電極とは別の電極パターンを形成し、熱処理によってオーミック・コンタクトを作成しておくことが必要になっている。 In addition, to measure the carrier concentration, it is common to perform CV measurements (capacitance-voltage measurements). This involves applying a reverse voltage to a Schottky diode of a fixed area and measuring the capacitance value. Naturally, one side of the Schottky diode requires an ohmic electrical contact. For this reason, it is necessary to form an electrode pattern on the semiconductor surface that is separate from the Schottky electrode and create an ohmic contact by heat treatment.

特開2014-29946 (P2014-29946A)(号公報)JP 2014-29946 A (P2014-29946A) (Publication No.)

カタログNo:B10-4500 株式会社ナリカ 小型圧電素子ACatalog No.: B10-4500 Narica Co., Ltd. Small Piezoelectric Element A

半導体表面に接触させた金属針に強制的に電気通電することで電気的コンタクトを得る方法が知られているが、半導体表面に薄い酸化被膜や汚れが付着している場合には有効性が知られている。然しながら、GaN半導体などのワイドバンドギャップ半導体では金属針の先端に形成されるショットキー・ダイオードの耐圧が極めて高いため、大体100V以下の電圧印加ではショットキー接合を破壊することはできない。高電圧発生装法として知られるコッククロフト・ウォルトロン回路やパルストランスを用いれば発生電圧の制限はないが、高耐圧部品を使用するため高価であり、取り扱いに危険性があった。また、例えショットキー接合を破壊させることができたとしても、測定試料そのものを破壊・変性させてしまう問題がある。 A method is known in which electrical contact is obtained by forcibly passing electricity through a metal needle in contact with the semiconductor surface, and this method is known to be effective when a thin oxide film or dirt is attached to the semiconductor surface. However, in wide band gap semiconductors such as GaN semiconductors, the Schottky diode formed at the tip of the metal needle has an extremely high withstand voltage, so the Schottky junction cannot be destroyed by applying a voltage of approximately 100 V or less. If a Cockcroft-Waltron circuit or pulse transformer, known as a high-voltage generation method, is used, there is no limit to the generated voltage, but it is expensive and dangerous to handle because it uses high-voltage components. Furthermore, even if it is possible to destroy the Schottky junction, there is a problem that the measurement sample itself may be destroyed or altered.

また、通電電流が大きければ、金属針の先端が溶融する現象が生じる。金属針への通電電流を制限することで金属針の融解を防ぎ、測定試料の変性を生じさせない方法が求められる。 In addition, if the current passing through is too large, the tip of the metal needle will melt. A method is needed to prevent melting of the metal needle by limiting the current passing through the metal needle and to prevent denaturation of the measurement sample.

課題を解決する手段Means for solving the problem

本発明に関わる電気的コンタクトを形成する手段は半導体などに接触させた金属針に圧電素子を用いて高電圧を印加するものである。圧電素子は着火器として広く実用化されている。この原理は、圧電素子に外部応力を印加するか打撃を加えることで高電圧のインパルス発生を行うものである。圧電素子は電子回路を使わないため、コンパクトでありながら、数KV程度の電圧発生を得ることができる。放出される電荷量は圧電体の分極量で決まるため、高電圧であっても、分極変化の時間積分である電流量は極めて小さい。このため、圧電素子を用いる高電圧発生器は、電極針の溶融を生じさせることなく、測定試料の変性を生じさせることなく、ショットキー接合障壁を破壊することができる。このオーミック性の電気的コンタクトの作成方法は、測定時の安全性が高い。 The means for forming an electrical contact according to the present invention is to apply a high voltage to a metal needle in contact with a semiconductor or the like using a piezoelectric element. Piezoelectric elements are widely used as ignition devices. This principle involves applying an external stress or striking the piezoelectric element to generate a high-voltage impulse. Since the piezoelectric element does not use electronic circuits, it is compact and yet can generate a voltage of about several kV. Since the amount of charge released is determined by the amount of polarization of the piezoelectric body, the amount of current, which is the time integral of the polarization change, is extremely small even at high voltages. For this reason, a high-voltage generator using a piezoelectric element can destroy the Schottky junction barrier without melting the electrode needle or causing denaturation of the measurement sample. This method for creating an ohmic electrical contact is very safe during measurements.

本発明における課題解決の手段について図1を用いて説明する。
圧電素子はPZTなどの強誘電体セラミックスである。このような圧電素子1を上部電極3とベース電極2で挟み込まれた構造とし、バネ7に固定された打撃棒4が、ストッパ5が外れた際に、上部電極を瞬間的に打撃する。この結果、上部電極とベース電極間に電圧を発生する。これは原理的なものであり、圧電素子の機械的構造には様々なものが考案・実用化されており、本発明にはそのような市販の圧電素子を用いることが出来る。
The means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
The piezoelectric element is a ferroelectric ceramic such as PZT. Such a piezoelectric element 1 is sandwiched between an upper electrode 3 and a base electrode 2, and a striking rod 4 fixed to a spring 7 strikes the upper electrode momentarily when a stopper 5 is released. As a result, a voltage is generated between the upper electrode and the base electrode. This is a theoretical structure, and various mechanical structures for piezoelectric elements have been devised and put into practical use, and such commercially available piezoelectric elements can be used in the present invention.

圧電素子の出力は2X4マトリックス・スイッチ8に接続される。マトリックス・スイッチとは垂直配線と水平配線の接点(交点)に設置されたリレー・アレイであり、接点において、短絡、開放を行う機能のものである。これにより、圧電素子1で発生した高電圧の出力先をA1からA4の任意の端子へ選択配分を行うことができる。
2方向切替スイッチ9は金属針13、14、15、16を極にして高電圧側と測定側の4X4マトリックス・スイッチ10の2方向に切り替えるためのものである。2X4マトリックス・スイッチ8のS11とS24を短絡させ、2方向切替スイッチ9を全て高電圧発生側(図内上側)に倒した状態で、圧電素子に打撃を与えると金属針13と金属針16に高電圧が印加される。
The output of the piezoelectric element is connected to a 2X4 matrix switch 8. A matrix switch is a relay array installed at the junctions (intersections) of vertical and horizontal wiring, and has the function of shorting and opening the junctions. This allows the high voltage generated by the piezoelectric element 1 to be selectively distributed to any of the terminals A1 to A4.
The two-way switch 9 has metal needles 13, 14, 15, and 16 as poles, and is used to switch between the high voltage side and the measurement side of the 4X4 matrix switch 10. When S11 and S24 of the 2X4 matrix switch 8 are shorted and all two-way switches 9 are flipped to the high voltage generation side (upper side in the figure), a high voltage is applied to the metal needles 13 and 16 when a strike is applied to the piezoelectric element.

4本の金属針13、14、15、16をアンドープAlGaN半導体層17に接触させると、金属針13~16との間にD1,D2,D3,D4で表されるショットキー・ダイオードが形成される。金属針13と金属針16間にはバック・トゥー・バックに接続されたショットキー・ダイオードが形成されるため、どちらか一方が逆バイアスになるため、通電できない。このショットキー・ダイオードに対して圧電体から発生した高電圧が印加されるが、金属針13が金属針16に対して正電圧であれば、金属針13下のショットキー・ダイオードD1は順方向バイアスされ、金属針16下のショットキー・ダイオードD4は逆方向バイアスされる。 When the four metal needles 13, 14, 15, and 16 are brought into contact with the undoped AlGaN semiconductor layer 17, Schottky diodes represented by D1, D2, D3, and D4 are formed between the metal needles 13 to 16. Since back-to-back connected Schottky diodes are formed between the metal needles 13 and 16, one of them is reverse biased and cannot conduct electricity. A high voltage generated by the piezoelectric body is applied to this Schottky diode, but if the metal needle 13 is at a positive voltage with respect to the metal needle 16, the Schottky diode D1 under the metal needle 13 is forward biased and the Schottky diode D4 under the metal needle 16 is reverse biased.

ショットキー・ダイオードD4の逆方向耐圧を越えて電流が流れれば、D4のショットキー障壁は破壊されるが、D1は破壊されない場合がある。これは2つのショットキー・ダイオードで発生するエネルギー消費、即ち発熱の差があるからである。消費エネルギーは電流と電圧の積であるので、逆バイアス印加のショットキー・ダイオードD4は順バイアスのショットキー・ダイオードD1よりも、大きく発熱する。この結果、D4のショットキー障壁が破壊され、D4には電気的コンタクトが取れる。発生された高電圧パルスの極性は圧電体の分極方向できまる。このため、オーミック性の電気コンタクト得るためには、更に極性を反転させた高電圧パルスを印加する必要がある。このため、2X4マトリックス・スイッチ8のS21とS14を短絡させる。これによっての金属針13で形成されたD1のショットキー障壁に対しても電気的コンタクトが取れる。この手順により、2X4マトリックス・スイッチ8の短絡箇所を選択することで任意の金属針に対して、電気的コンタクトを実現することが出来る。 If the current exceeds the reverse breakdown voltage of the Schottky diode D4, the Schottky barrier of D4 will be destroyed, but D1 may not be destroyed. This is because there is a difference in the energy consumption, i.e. heat generation, generated by the two Schottky diodes. Since the energy consumption is the product of the current and the voltage, the Schottky diode D4 with reverse bias generates more heat than the Schottky diode D1 with forward bias. As a result, the Schottky barrier of D4 is destroyed and electrical contact can be made with D4. The polarity of the generated high voltage pulse is determined by the polarization direction of the piezoelectric body. Therefore, in order to obtain an ohmic electrical contact, it is necessary to apply a high voltage pulse with the polarity reversed. For this reason, S21 and S14 of the 2X4 matrix switch 8 are shorted. This allows electrical contact to be made with the Schottky barrier of D1 formed by the metal needle 13. By selecting the shorted point of the 2X4 matrix switch 8 using this procedure, electrical contact can be made with any metal needle.

図2はシリコン基板19上にアンドープGaNエピ層18とアンドープAlGaNエピ層17を成長させた試料に対して、高電圧パルスを印加前と印加後および極性を切り替えた時の電極針間の電流・電圧特性を実測したものである。高電圧パルス印加によって良好なオーミック性が得られている。半導体基板表面の変性も生じない。 Figure 2 shows actual measurements of the current and voltage characteristics between the electrode needles before and after the application of a high voltage pulse and when the polarity is switched for a sample in which an undoped GaN epitaxial layer 18 and an undoped AlGaN epitaxial layer 17 are grown on a silicon substrate 19. Good ohmic properties are obtained by applying a high voltage pulse. No denaturation of the semiconductor substrate surface occurs.

本発明は、これまで測定試料に対して電極のパターニングやアニールによる合金化などによるオーミック形成を必要としてきた試料作成の工程を短縮するものである。本発明によりオンウェハーで電気的コンタクトを形成し、その金属針を用いて電気特性を測定できる。これにより、4端子プローブによるシート抵抗測定法、ホール測定法、CV測定法などの半導体電気特性の迅速な測定を可能になる。 The present invention shortens the sample preparation process, which previously required ohmic formation by patterning electrodes on the measurement sample or alloying by annealing. With the present invention, electrical contacts can be formed on the wafer and electrical characteristics can be measured using the metal needles. This enables rapid measurement of semiconductor electrical characteristics using methods such as sheet resistance measurement using a four-terminal probe, Hall measurement, and CV measurement.

再掲になるが、高電圧パルス印加によってオーミック・コンタクトを形成する方法として、高電圧発生回路を用いず、圧電素子を用いることで通電電流を極めて小さくすることができるため、電極針の溶融が生じない。特に金属針をGaNなどのワイドバンドギャップ半導体に接触させた場合に形成される極めて高い降伏電圧を有するショットキー接合においても、容易に破壊してオーミック電極とすることができる。
実験の結果、AlGaN,GaN層によるヘテロ接合界面の二次元電子ガス層のシート抵抗の測定も可能であることを確認した。p型GaN半導体層に対しても、ショットキー・ダイオード極性がフォワード・トゥー・フォワード接続になるが、同様の方法で電気的コンタクトを取ることが出来る。
Again, as a method for forming an ohmic contact by applying a high voltage pulse, a piezoelectric element is used instead of a high voltage generating circuit, which allows the current to be made extremely small, and therefore the electrode needle does not melt. In particular, even a Schottky junction with an extremely high breakdown voltage formed when a metal needle is brought into contact with a wide band gap semiconductor such as GaN can be easily broken down to form an ohmic electrode.
As a result of the experiment, it was confirmed that it is also possible to measure the sheet resistance of the two-dimensional electron gas layer at the heterojunction interface of the AlGaN and GaN layers. Electrical contact can be made to the p-type GaN semiconductor layer in a similar manner, although the Schottky diode polarity is forward-to-forward connected.

圧電体を用いる高電圧発生機構と4端子プローブ測定の構成図Diagram of the high voltage generation mechanism using a piezoelectric material and the four-terminal probe measurement configuration AlGaN/GaNヘテロ接合を形成されたエピ表面に2本のタングステン針を接触させた場合の初期電流・電圧特性と、圧電体を用いた高電圧印加後の電流・電圧特性図The initial current-voltage characteristics when two tungsten needles are in contact with the epitaxial surface on which an AlGaN/GaN heterojunction is formed, and the current-voltage characteristics after applying a high voltage using a piezoelectric material. 四辺形の頂点位置に金属針を配置したプローブによるホール効果の測定装置の構成図Diagram of the Hall effect measurement device using a probe with metal needles placed at the vertices of a quadrilateral GaNエピ層にショットキー電極を形成した後、前記電極周辺に3本の金属針を接触させてCV測定を行う測定装置の構成図This is a diagram showing the configuration of a measurement device that performs CV measurements by forming a Schottky electrode on a GaN epitaxial layer and then contacting three metal needles around the electrode. 円筒容器内に保持したイオン液体を半導体表面に接触させて得られるイオン液体によるショットキー接合と、前記接合周囲に3本の金属針を配置して形成されたオーミック接合間のCV測定を行う測定装置の構成図This is a diagram showing the configuration of a measurement device for performing CV measurements between a Schottky junction made of an ionic liquid obtained by contacting an ionic liquid held in a cylindrical container with a semiconductor surface, and an Ohmic junction formed by arranging three metal needles around the junction. 4端子シート抵抗測定、ホール効果測定、CV測定において共通となる測定プラットフォーム構成図Measurement platform configuration common to 4-terminal sheet resistance measurement, Hall effect measurement, and CV measurement 2つの直交する金属針列を用いてホール効果の測定を行う測定方法の構成図。ただし、オーミック電極形成やスイッチ類などは図6の構成を使用している。A diagram showing the configuration of a measurement method for measuring the Hall effect using two orthogonal metal needle arrays, although the ohmic electrode formation and switches are the same as those in the configuration shown in FIG.

本発明の実施する第一の形態について図1を用いて説明する。本実施例では市販されている圧電素子(ナリカ小型圧電素子B10-4500)を用いた(非特許文献1)。発生した高電圧は2X4マトリックス・スイッチ8の水平方向の2線で供給され、垂直方向の出力線は交点に設けられたリレーの短絡、開放の組み合わせで出力端子A1からA4の4本に出力され、2方向切替スイッチ9に接続される。本構成では、交点の短絡と開放を行うマトリックス・スイッチ8の接点S11~S14およびS21~S24は絶縁耐圧10KV以上のリレーとしてオムロン社G4Wを採用した。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1. In this example, a commercially available piezoelectric element (Narica small piezoelectric element B10-4500) was used (Non-Patent Document 1). The generated high voltage is supplied to two horizontal lines of a 2X4 matrix switch 8, and the vertical output lines are output to four output terminals A1 to A4 by combining shorting and opening relays provided at the intersections, and are connected to a two-way switch 9. In this configuration, Omron's G4W relays with a dielectric strength of 10 KV or more are used for contacts S11 to S14 and S21 to S24 of the matrix switch 8 that short-circuit and open the intersections.

2方向切替スイッチ9は金属針に通電する場合は全て図内上方側に倒される。発生される高電圧波形は圧電体の振動や配線のインダクタンスにより減衰振動になる。従って最初のパルスがオーミック形成において最も有効であるため、電極針に接続する圧電素子の接続を切替えることで、点接触で形成される2つのダイオード障壁を交互に破壊し、双方向の電気的コンタクトを実現できる。ここで流れる電流量は圧電体の分極変化によるものであるため、極めて小さいため、複数回、この高電圧印加を行っても金属針の溶融や測定試料の劣化を生じることがない。 When electricity is passed through the metal needle, all two-way switches 9 are flipped to the upper side in the figure. The generated high-voltage waveform becomes a damped oscillation due to the vibration of the piezoelectric material and the inductance of the wiring. Therefore, since the first pulse is most effective in forming an ohmic contact, by switching the connection of the piezoelectric element connected to the electrode needle, the two diode barriers formed by point contact can be broken down alternately, realizing bidirectional electrical contact. The amount of current that flows here is due to the polarization change of the piezoelectric material and is therefore extremely small, so applying this high voltage multiple times does not cause the metal needle to melt or the measurement sample to deteriorate.

各金属針のオーミック形成が完了した後、2方向切替スイッチ9を図内下方に倒して、金属針13~16をB1~B4に接続された4X4マトリックス・スイッチ10を介して電流源11と電圧計12に接続する。
なお、2方向切替スイッチ9は単極双投(SPDT)スイッチ4個(SPDT1~SPDT4)から構成され、金属針を軸(単極)に高電圧側端子A1~A4と測定端子B1~B4を全て同時に切り替えるものである。また2方向切替スイッチ内のSPDTスイッチには絶縁耐圧10KV以上のナイフスイッチを用いた。この構成に依れば、誤って高電圧発生源を測定機器に接続して破損させる心配がない。
After the ohmic formation of each metal needle is completed, the two-way switch 9 is flipped downward in the figure to connect the metal needles 13 to 16 to the current source 11 and voltmeter 12 via the 4×4 matrix switch 10 connected to B1 to B4.
The two-way switch 9 is composed of four single-pole double-throw (SPDT) switches (SPDT1 to SPDT4), and uses a metal needle as an axis (single pole) to simultaneously switch between the high-voltage terminals A1 to A4 and the measurement terminals B1 to B4. The SPDT switches in the two-way switch are knife switches with a dielectric strength of 10 KV or more. With this configuration, there is no risk of accidentally connecting a high-voltage source to a measurement device and damaging it.

4X4マトリックス・スイッチ10内の交点には短絡、開放を行うリレーが設置されている。W11とW42を短絡させることで、金属針13と16に電流源11が接続され、W23とW34を短絡させることでの金属針14と15に電圧計12が接続される。
この測定電圧と設定電流値から、通常の4端子プローブ法で説明される原理でシート抵抗を測定できる。シート抵抗測定の原理についてはシート抵抗Rは電流Iと測定電圧Vから下式を用いる場合が多い。
=(4.5324)V/I・・・・・・(1)
Relays for short-circuiting and opening are installed at the intersections in the 4x4 matrix switch 10. By shorting W11 and W42, the current source 11 is connected to the metal needles 13 and 16, and by shorting W23 and W34, the voltmeter 12 is connected to the metal needles 14 and 15.
From this measurement voltage and the set current value, the sheet resistance can be measured according to the principle explained in the normal four-terminal probe method. Regarding the principle of sheet resistance measurement, the sheet resistance R S is often calculated from the current I and the measurement voltage V using the following formula:
R S = (4.5324) V/I (1)

使用する電圧計が高入力インピーダンスであれば、電極2と電極3に対する電気的コンタクト形成は必ずしも必要でないが、電極2と電極3に対しても先の手順で電気的コンタクトを形成しておくことで測定精度を高められることは言うまでもない。 If the voltmeter used has a high input impedance, it is not necessarily necessary to form electrical contact with electrodes 2 and 3. However, it goes without saying that the measurement accuracy can be improved by forming electrical contact with electrodes 2 and 3 as described above.

シリコン基板19上に成膜されたGaNエピ層18とAlGaN層17上に接触させた電極針はAlGaN層とショットキー・ダイオードを形成するため、シート抵抗を測定できない。特に、AlGaN層とGaN層の界面に発生する二次元電子ガスのシート抵抗測定では金属針のショットキー・ダイオードの耐圧が高いため、これまで4端子測定法は使用できないと思われてきたが、圧電素子はダイオードの降伏電圧以上に高い電圧を印加できるため、その場でオーミック性の電気的コンタクトを形成して、4端子測定法の使用を可能とすることができた。 The electrode needle that is in contact with the GaN epitaxial layer 18 and AlGaN layer 17 formed on the silicon substrate 19 forms a Schottky diode with the AlGaN layer, making it impossible to measure sheet resistance. In particular, it was previously thought that the four-terminal measurement method could not be used to measure the sheet resistance of the two-dimensional electron gas generated at the interface between the AlGaN layer and the GaN layer, because the Schottky diode of the metal needle has a high withstand voltage. However, because a voltage higher than the breakdown voltage of the diode can be applied to a piezoelectric element, it is possible to form an ohmic electrical contact in situ, making it possible to use the four-terminal measurement method.

本発明の実施する第二の形態について図3を用いて説明する。これはホール効果を用いて試料のキャリア移動度の測定を行うことを目的としたものである。測定試料はネオジウム磁石40のN極性上に乗せられており、一辺が1mmの正四角形の頂点に配置された金属針33、34,35,36が試料に接している。その他の部分の構成は実施例1のものと共通化している。測定試料を金属針33,34,35.36に接触させ、実施例1と同様に電気的コンタクトを形成する。図内に記載された測定試料例はシリコン(111)面基板39上に順次成膜されたアンドープGaNエピ層38とアンドープAlGaN層37を有するものである。 The second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. This is intended to measure the carrier mobility of a sample using the Hall effect. The measurement sample is placed on the N pole of a neodymium magnet 40, and metal needles 33, 34, 35, and 36 arranged at the vertices of a regular square with sides of 1 mm are in contact with the sample. The other configurations are the same as those of the first embodiment. The measurement sample is brought into contact with the metal needles 33, 34, 35, and 36, and electrical contacts are formed in the same manner as in the first embodiment. The measurement sample example shown in the figure has an undoped GaN epitaxial layer 38 and an undoped AlGaN layer 37 deposited in sequence on a silicon (111) substrate 39.

2方向切替スイッチ9を図内上方側に倒し、2X4マトリックス・スイッチ8は下記の設定順に行う。
1)S11とS24を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
2)S21とS14を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
3)S12とS23を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
4)S22とS13を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
これによって測定試料に対して、全ての金属針33、34,35,36と電気的コンタクトを得ることができる。
The two-way switch 9 is tilted upward in the drawing, and the 2×4 matrix switch 8 is set in the following order:
1) S11 and S24 are shorted and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
2) S21 and S14 are shorted, and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
3) S12 and S23 are shorted and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
4) S22 and S13 are shorted and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
This allows electrical contact to be made between all of the metal needles 33, 34, 35, and 36 and the measurement sample.

4X4マトリックス・スイッチ10については下記の接続順で発生するホール起電力を測定する。
1)W11とW42を短絡して金属針34と35間に電流源31によって電流を流し、W23とW34を短絡することで電圧計32によって金属針33と36間に発生するホール起電力V36を計測する。
更に、金属針の位置的な誤差によって生じるオフセット電圧を除去するために、電流を逆方向に流して平均化する必要があるため、下記の接続で再度測定する。
2)W41とW12を短絡して金属針34と35間に電流源31によって逆方向に電流を流し、W23とW34を短絡することで電圧計32によって金属針33と36間に発生するホール起電力V63を計測する。
V63とV36の差を取り、1/2を掛けてオフセット電圧を除去して正確なホール起電力を導出することができる。
For the 4×4 matrix switch 10, the Hall electromotive force generated in the following connection order is measured.
1) W11 and W42 are shorted and a current is passed between metal needles 34 and 35 by current source 31. W23 and W34 are shorted and the Hall electromotive force V36 generated between metal needles 33 and 36 is measured by voltmeter 32.
Furthermore, in order to remove the offset voltage caused by the positional error of the metal needle, it is necessary to run the current in the reverse direction and average it, so measure again with the following connections.
2) W41 and W12 are shorted and a current is passed in the reverse direction between metal needles 34 and 35 by current source 31. W23 and W34 are shorted and the Hall electromotive force V63 generated between metal needles 33 and 36 is measured by voltmeter 32.
The difference between V63 and V36 is taken and multiplied by 1/2 to remove the offset voltage, thereby deriving an accurate Hall electromotive force.

また、電流源と電圧計を上記と直交する方向に接続して、ホール起電力の計測を行うことで、更に測定精度を高めることが出来る。その手順は、下記の通りである。
3)W21とW32を短絡して金属針33と36間に電流源31によって電流を流し、W13とW44を短絡することで電圧計32によって金属針34と35間に発生するホール起電力V45を計測する。
更に、オフセット電圧を除去するために、下記の接続で再度測定する。
4)W31とW22を短絡して金属針36と33間に電流源31によって電流を流し、W13とW44を短絡することで電圧計32によって金属針34と35間に発生するホール起電力V54を計測する。
上記の4段階の手順で得られるホール起電力を平均することで、より精度の高いホール効果の測定が可能になる。
Moreover, the measurement accuracy can be further improved by connecting a current source and a voltmeter in a direction perpendicular to the above and measuring the Hall electromotive force. The procedure is as follows.
3) W21 and W32 are shorted and a current is passed between metal needles 33 and 36 by current source 31. W13 and W44 are shorted and the Hall electromotive force V45 generated between metal needles 34 and 35 is measured by voltmeter 32.
Additionally, to eliminate any offset voltage, measure again with the following connections:
4) W31 and W22 are shorted and a current is passed between metal needles 36 and 33 by current source 31. W13 and W44 are shorted and the Hall electromotive force V54 generated between metal needles 34 and 35 is measured by voltmeter 32.
By averaging the Hall electromotive forces obtained in the above four steps, it becomes possible to measure the Hall effect with higher accuracy.

更に磁石の方向を変えることで、精度を高めることが出来る。ネオジウム磁石は磁束密度が0.4Tの市販のものを使用したが、上下を反転させて測定試料をS極上に置けば、発生するホール起電力は逆になる。これを利用し、更に平均化を行うことで精度を高めることが出来る。 Furthermore, accuracy can be improved by changing the direction of the magnet. A commercially available neodymium magnet with a magnetic flux density of 0.4 T was used, but if the magnet is turned upside down and the measurement sample is placed on the south pole, the generated Hall electromotive force will be reversed. Using this, accuracy can be further improved by averaging.

測定されたホール起電力は測定試料の形状によって異なる。また、磁束密度は最表面のものであるため、試料の測定位置における磁束密度とは若干の差異がある。ホール起電力の形状依存性については、ホール起電力とキャリアの移動度との関係で言えば、ホール起電力は磁束密度と流れる電流量に比例し、移動度に比例することが知られているので、標準となる試料を準備し、通常のホール効果測定によって予め計測された移動度を基準に校正係数を求めておけば、測定試料に前記係数を掛けて算出することができる。 The measured Hall electromotive force varies depending on the shape of the measurement sample. Also, since the magnetic flux density is that of the outermost surface, there is a slight difference from the magnetic flux density at the measurement position of the sample. Regarding the shape dependency of the Hall electromotive force, in terms of the relationship between the Hall electromotive force and the mobility of carriers, it is known that the Hall electromotive force is proportional to the magnetic flux density and the amount of current flowing, and is proportional to the mobility. Therefore, if a standard sample is prepared and a calibration coefficient is calculated based on the mobility measured in advance by a normal Hall effect measurement, the measurement sample can be multiplied by the coefficient to perform calculations.

本発明の実施する第三の形態について図4を用いて説明する。これは半導体試料に対してMIS(Metal Insulator Metal)接合やショットキー接合を形成して、接合にDC電圧を印加して容量変化を測定するものである。測定試料には容量部を形成する金属電極48が形成されて金属針43が接触しており、他の金属針41,42,44は金属電極48の周辺に接触している。その他の部分の構成は実施例1、2と共通である。測定試料例としてのショットキー接合は(111)面シリコン基板47上に順次成膜されたN型GaNエピ層45、アンドープGaN層46に金属電極48を形成したものである。また前記基板上に絶縁膜を成膜したMIS接合を測定する場合には、金属針41,42,44に対して、これまでと同じ手順による高電圧印加により、絶縁膜を破壊し、電気的コンタクトを取ることが出来る。このようにして絶縁膜上に形成された金属電極48に対してもを同様にCV測定することができる。 The third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4. In this embodiment, a MIS (Metal Insulator Metal) junction or a Schottky junction is formed on a semiconductor sample, and a DC voltage is applied to the junction to measure the capacitance change. A metal electrode 48 that forms a capacitance part is formed on the measurement sample, and a metal needle 43 is in contact with the metal electrode 48, and other metal needles 41, 42, and 44 are in contact with the periphery of the metal electrode 48. The configuration of other parts is common to the first and second embodiments. The Schottky junction as an example of the measurement sample is formed by forming a metal electrode 48 on an N-type GaN epitaxial layer 45 and an undoped GaN layer 46 that are sequentially formed on a (111) silicon substrate 47. When measuring a MIS junction with an insulating film formed on the substrate, the insulating film can be destroyed and electrical contact can be made by applying a high voltage to the metal needles 41, 42, and 44 in the same manner as before. In this way, CV measurement can be performed on the metal electrode 48 formed on the insulating film in the same manner.

オーミック形成の手順は2方向切替スイッチ9を図内上方側に倒し、2X4マトリックス・スイッチ8は下記の設定順に行う。
5)S11とS22を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
6)S21とS12を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
7)S12とS24を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
8)S22とS14を短絡させ、圧電素子への打撃で発生する高電圧印加を行う。
S13およびS23は常に開放にする(使用しない)ことで、金属電極48に高電圧が印加されないようにできる。なお。MIS(Metal Insulator Metal)構造の測定の場合は、金属針が絶縁膜上に接触することになるが、絶縁膜が100nm程度であれば、絶縁耐圧は通常100V以下であるので、圧電体で発生する高電圧で容易に破壊することができ、絶縁膜を通してオーミック接合を形成できる。
The ohmic formation procedure is performed by tilting the two-way switch 9 to the upper side in the figure, and setting the 2×4 matrix switch 8 in the following order.
5) S11 and S22 are shorted and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
6) S21 and S12 are shorted and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
7) S12 and S24 are shorted, and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
8) S22 and S14 are shorted, and a high voltage generated by striking the piezoelectric element is applied.
By always leaving S13 and S23 open (not used), it is possible to prevent a high voltage from being applied to the metal electrode 48. In the case of measuring a MIS (Metal Insulator Metal) structure, the metal needle comes into contact with the insulating film, but if the insulating film is about 100 nm thick, the dielectric strength is usually 100 V or less, so that it can be easily broken down by the high voltage generated by the piezoelectric body, and an ohmic junction can be formed through the insulating film.

マトリックス・スイッチ10-2はマトリックス・スイッチ10においてW11.W21,W41,W34を常に短絡させた状態を表したものである。電極針41,42,44を結合して端子E1に接続し、W34を短絡することで端子E4にショットキー接合またはMIS接合側の上部電極を接続させることができる。 Matrix switch 10-2 represents a state in which W11, W21, W41, and W34 are always shorted in matrix switch 10. By joining electrode needles 41, 42, and 44 and connecting them to terminal E1, and shorting W34, it is possible to connect the upper electrode on the Schottky junction or MIS junction side to terminal E4.

E1とE4は、バイアス・ティー52を介して容量計53に接続される。E1とE4端子に接続されるバイアス・ティー52は可変DC電圧源49とインダクター50を並列に、DCカット容量51を直列に接続したものであり、容量計53から発生する高周波が可変DC電圧源49に流れ込むことを防ぎ、DC電圧49が容量計に印加されることを防いでいる。容量を測定する周波数が低ければ、インダクター50と容量51を大きくする必要がある。バイアス・ティーはDCとRFを分離する際に使用されるモジュールであるが、容量計53にその機能を内蔵させたものも市販されている。例えば、Agilent社製E4980ALCRメータなどを使用する場合にはバイアス・ティーは不要である。 E1 and E4 are connected to a capacitance meter 53 via a bias tee 52. The bias tee 52 connected to the E1 and E4 terminals is a combination of a variable DC voltage source 49 and an inductor 50 connected in parallel, and a DC blocking capacitor 51 connected in series, preventing the high frequency generated by the capacitance meter 53 from flowing into the variable DC voltage source 49 and preventing the DC voltage 49 from being applied to the capacitance meter. If the frequency at which the capacitance is measured is low, the inductor 50 and the capacitor 51 must be large. A bias tee is a module used to separate DC and RF, but capacitance meters 53 with this function built in are also available on the market. For example, if an Agilent E4980ALCR meter is used, a bias tee is not necessary.

本発明の実施する第四の形態について図5を用いて説明する。これは半導体試料に対してMIS接合やショットキー接合を形成して、接合にDC電圧を印加して容量変化を測定するものである。実施例4は実施例3における金属電極に変えて導電性液体を用いてCV測定を行うものである。これにより、電極形成の手間を省くことが出来る。 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5. In this embodiment, a MIS junction or Schottky junction is formed on a semiconductor sample, and a DC voltage is applied to the junction to measure the capacitance change. In the fourth embodiment, CV measurements are performed using a conductive liquid instead of the metal electrodes used in the third embodiment. This eliminates the need to form electrodes.

容量部を形成する部分は開放された底部を有する容器60に満たされたイオン液体59を用いる。容器60は底部が半導体基板の接触面周囲には絶縁性Oリングで液体の漏洩を防ぐ構成にしている。使用したカーボンナノチューブのゲート電極として使用された実績のあるイオン液体はイミダゾリウムカチオンと数種の無機アニオンから構成されるものを用いた。白金電極58を前記イオン液体に浸漬させたものをMIS接合やショットキー接合の上部電極としている。
容器60の材質はイオン液体に耐食性のあるものが必要であるが、石英、テフロン、或いは白金とすることも可能である。
The part that forms the capacitance part uses ionic liquid 59 filled in a container 60 with an open bottom. The container 60 is configured so that the bottom contacts the semiconductor substrate with an insulating O-ring around the periphery to prevent leakage of the liquid. The ionic liquid used is one that has been used as a gate electrode for carbon nanotubes and is composed of imidazolium cations and several types of inorganic anions. A platinum electrode 58 immersed in the ionic liquid serves as the upper electrode of the MIS junction or Schottky junction.
The material of the container 60 must be resistant to corrosion by the ionic liquid, but it is also possible to use quartz, Teflon, or platinum.

金属針54,55,57はイオン液体の容器60の周辺に設置されており、測定構成は実施例3と共通である。電極針54,55,57に対するオーミック・電極形成や2つのマトリックス・スイッチ、2方向切替スイッチ、及び、それを用いたオーミック接合形成の手順、CV測定系も実施例3と同一である。 Metal needles 54, 55, and 57 are placed around a container 60 of ionic liquid, and the measurement configuration is the same as in Example 3. The ohmic electrode formation for electrode needles 54, 55, and 57, the two matrix switches, the two-way switch, the procedure for forming ohmic junctions using them, and the CV measurement system are also the same as in Example 3.

本実施例においてイオン液体を用いる利点は、測定試料に直接、液体電極を用いることで金属電極の形成を省くことが出来ることである。これにより試料を準備するために要する手間を省くことができる。CV測定には容量部の面積を知っておく必要があるが、Oリングの大きさで容量部の面積を決めることが出来る。そのような液体電極としては水銀を使用する方法がある。ただし、水銀は環境汚染の懸念があり、水俣条約によって世界的に使用が禁止されることになった。本実施例のように環境負荷の小さいイオン液体を用いることで、この問題を解消できる。本発明のオーミック接合形成方法と組み合わせることで、金属電極を形成する必要がなく、迅速なCV測定が可能である。 The advantage of using an ionic liquid in this embodiment is that it is possible to omit the formation of a metal electrode by using a liquid electrode directly on the measurement sample. This saves the effort required to prepare the sample. The area of the capacitance part needs to be known for CV measurement, but the area of the capacitance part can be determined by the size of the O-ring. One method of using mercury as such a liquid electrode. However, there are concerns about environmental pollution caused by mercury, and its use has been banned worldwide by the Minamata Convention. This problem can be solved by using an ionic liquid with a small environmental impact as in this embodiment. By combining it with the ohmic junction formation method of the present invention, there is no need to form a metal electrode, and rapid CV measurement is possible.

実施例1,2,3,4では、圧電体素子、2X4マトリックス・スイッチ、2方向切替スイッチ、4X4マトリックス・スイッチやなどの構成は共通構成にできる。図6はそのこの共通構成となる測定のプラットフォーム構成をしめしたものである。この狙いとするところは、シート抵抗測定、ホール測定、CV測定を同じ装置構成とすることで、本発明のオーミック形成を用いる装置を多機能化することである。本発明は、シート抵抗測定、ホール効果測定、CV測定をプラットフォーム化するものであり、配置や形状の異なる金属針と被測定半導体を乗せる台座を交換することによって、複数の電気特性を1台で測定可能とするものである。 In Examples 1, 2, 3, and 4, the piezoelectric element, 2X4 matrix switch, two-way switch, 4X4 matrix switch, and other components can be made into a common configuration. Figure 6 shows the measurement platform configuration that is this common configuration. The aim is to make the device using the ohmic formation of the present invention multifunctional by making the sheet resistance measurement, Hall measurement, and CV measurement the same device configuration. The present invention makes sheet resistance measurement, Hall effect measurement, and CV measurement into a platform, and by replacing the metal needles with different arrangements and shapes and the base on which the semiconductor to be measured is placed, it is possible to measure multiple electrical characteristics with a single device.

ホール効果測定によってキャリア移動度やキャリア濃度を求める一般的な方法はVan der Pauw法であるが、対象サンプルを小さく切断することが必要であるため、大口径基板に対して適用することは困難である。無境界ホール測定では、基板の大きさには依存しないが、ホール係数を導出する過程が複雑で、通電するサンプル内の不均一な電流分布によって誤差が入り込みやすい。本実施例は、新たに実施例1と実施例2を組み合わせることで、簡略にキャリア移動度とキャリア濃度を求める方法を提供するものである。 The Van der Pauw method is a common method for determining carrier mobility and carrier concentration by Hall effect measurement, but it is difficult to apply to large-diameter substrates because it requires cutting the target sample into small pieces. Boundaryless Hall measurement does not depend on the size of the substrate, but the process of deriving the Hall coefficient is complicated and errors are likely to occur due to non-uniform current distribution in the sample through which current is passed. This embodiment provides a simple method for determining carrier mobility and carrier concentration by newly combining Example 1 and Example 2.

図7に示されるように、直線状かつ等間隔に配列された4本の金属針列1と直交して配置された同様の4本の金属針列2を備え、金属針列1の最内側の2本の金属針が金属針列2の最内側の2本の金属針が正四辺形を構成したものを用いる。測定基板はAlGaN層をGaN層にエピ成長させたものである。界面には分極により二次元電子ガスが形成されている。先ず、実施例1および2に記載される方法に従って、両列の8本の金属針全てに電気的コンタクトを形成する。 As shown in FIG. 7, a metal needle array 1 is provided with four metal needles arranged linearly and at equal intervals, and a similar metal needle array 2 is arranged perpendicular to the four metal needles, with the innermost two metal needles of metal needle array 1 and the innermost two metal needles of metal needle array 2 forming a regular quadrangle. The measurement substrate is an AlGaN layer epitaxially grown on a GaN layer. Two-dimensional electron gas is formed at the interface due to polarization. First, electrical contacts are formed to all eight metal needles in both rows according to the method described in Examples 1 and 2.

金属針列1の最外側の2本に電流源を接続した後、金属針列1の最内側の2本の金属針の電圧Vを測定し、半導体または導電性薄膜に垂直から磁場を印加し、金属針列2の最内側の2本の金属針の電圧Vを測定する。 After connecting a current source to the two outermost metal needles of metal needle array 1, the voltage V S of the two innermost metal needles of metal needle array 1 is measured, and a magnetic field is applied perpendicular to the semiconductor or conductive thin film, and the voltage V H of the two innermost metal needles of metal needle array 2 is measured.

ホール効果は磁場BによるLorenz力と発生するホール起電力による電場からの力が平衡している状態である。従って、キャリア速度V、素電荷q、ホール電圧V、金属針の間隔L、とすれば、各々の力は下記のようになる。
Lorenz力 :qVB ・・・・・(2)
ホール電場による力 :qV/L ・・・・・(3)
(2)と(3)を等しくおけば、
B=V/L ・・・・・・・・・・・・・(4)
また、キャリア速度Vはキャリア移動度μと電流が流れる方向の電界の積である。従って検出されたセンス電圧VSと電極針の間隔Lから、キャリア速度Vは下式で表される。
=μV/L ・・・・・・・・・・・・・(5)
(4)と(5)から、Lを消去して、キャリア移動度μを求めることができる。
これは非常に簡単になり、下式となる
μ=κVH/(VB)・・・・・・・・・・・・(4)
本実施例では電流源が測定箇所から離れているために、電流の均一性は比較的高い。ただし、測定箇所では磁束が拡がることと金属針からの電流分布の不均一性を考慮して、補正係数κを導入している。κは既に別の方法で正しい移動度が判明している試料を測定することで、決定することができる。
また、シート抵抗Rは実施例1における(1)式から求められているので、
シートキャリア濃度Nは、下式で求められる。
=1/(qRμ)・・・・・・・(5)
このように、本実施例の構成によって、測定試料の移動度μとシートキャリア密度を求めることが出来る。
The Hall effect is a state in which the Lorenz force due to a magnetic field B and the force from the electric field due to the generated Hall electromotive force are in balance. Therefore, if the carrier velocity is V 0 , the elementary charge is q, the Hall voltage is V H , and the distance between the metal needles is L, then each force is expressed as follows:
Lorenz force: qVOB ...(2)
Force due to Hall electric field: qV H /L (3)
If we set (2) and (3) equal,
V O B = V H /L ・・・・・・・・・・・・(4)
In addition, the carrier velocity V0 is the product of the carrier mobility μ and the electric field in the direction in which the current flows. Therefore, the carrier velocity V0 can be expressed by the following formula from the detected sense voltage VS and the distance L between the electrode needles.
V 0 =μV S /L ・・・・・・・・・・・・(5)
From (4) and (5), L can be eliminated to obtain the carrier mobility μ.
This is very simple and becomes
μ=κVH/( VSB )・・・・・・・・・・・・(4)
In this embodiment, the current uniformity is relatively high because the current source is far from the measurement point. However, a correction factor κ is introduced to take into account the spread of magnetic flux at the measurement point and the non-uniformity of the current distribution from the metal needle. κ can be determined by measuring a sample whose mobility is already known by another method.
In addition, since the sheet resistance R S is obtained from the formula (1) in the first embodiment,
The sheet carrier concentration N_S is calculated by the following formula:
N S =1/(qR S μ) (5)
In this way, the configuration of this embodiment makes it possible to obtain the mobility μ and sheet carrier density of the measurement sample.

上記の測定法は、無論、電流源の方向を逆にして平均化することで測定精度を高めることが出来る。以上、金属針列1を軸に説明したが、また、金属針列2と1を交代して、直交する方向で測定を行うことや、印加磁場の方向を逆にして同様の手順で測定を行うことで、より一層、測定精度を高めることが出来る。このように、本実施例は4端子法によって予めシート抵抗を知ることが出来ることから、GaN/AlGaNヘテロ接合における二次元電子ガスのキャリア移動度やキャリア濃度の測定が簡略化されるものである。
なお、金属針列1と金属針列2に対して、実施例5で使用する測定プラットフォームを2回適用し、電圧計を2個用いて、実施できることは言うまでもない。
Of course, the above measurement method can be improved in accuracy by reversing the direction of the current source and averaging. The above description has been given with the metal needle array 1 as the axis, but the measurement accuracy can be further improved by alternating between the metal needle arrays 2 and 1 and performing measurements in perpendicular directions, or by reversing the direction of the applied magnetic field and performing measurements in the same manner. In this way, since the sheet resistance can be known in advance by the four-terminal method in this embodiment, the measurement of the carrier mobility and carrier concentration of the two-dimensional electron gas in the GaN/AlGaN heterojunction is simplified.
Needless to say, the measurement platform used in Example 5 can be applied twice to the metal needle array 1 and the metal needle array 2, and two voltmeters can be used.

1.圧電材料
2.圧電体を保持する下部電極
3.上部電極
4.打撃棒
5.ストッパ
6.圧電素子の絶縁筐体
7.バネ
8.2X4マトリックス・スイッチ
9.2方向切替ナイフスイッチ(2方向切替スイッチ)
10.4X4マトリックス・スイッチ
11.電流源
12.電圧計
13~16.金属針
17.アンドープAlGaNエピ層
18.アンドープGaNエピ層(成長初期バッファ層には、AlGaN層などを含む)
19.(111)面シリコン基板またはC面サファイヤ基板
S11~S14、S21~S24.2X4マトリックス・スイッチ内の交点で短絡、開放を行うリレー
A1~A4.2X4マトリックス・スイッチの出力端子
SPDT1~SPDT4.2方向切替スイッチを構成する単極双投スイッチ
B1~B4.2方向切替スイッチの測定側への切替側端子
C1~C4.2方向切替スイッチの単極側端子
D1~D4.金属針と半導体と接触箇所に形成されるショットキー・ダイオード
R12.金属針13と14間の抵抗
R23.金属針14と15間の抵抗
R34.金属針15と16間の抵抗
33~36.正四角形の頂点に配置される金属針
37.アンドープAlGaNエピ層
38.アンドープGaNエピ層(成長初期バッファ層にはAlGaN層などを含む)
39.(111)面シリコン基板またはC面サファイヤ基板
40.ネオジウム磁石(上面がN極)
41.42.44.金属針
43.ショットキー電極またはMIS電極に接する金属針
45.n型GaNエピ層
46.アンドープGaNエピ層(成長初期バッファ層にはAlGaN層などを含む)
47.(111)面シリコン基板またはC面サファイヤ基板
48.金属電極(ショットキーまたはMIS上部電極)
49.可変DC電源
50.インダクター(RFチョーク用)
51.キャパシタ(DCカット用)
52.バイアス・ティー
53.容量計(LCRメータ)
54.55.57.金属針
56.ショットキーまたはMIS上部電極
58.白金電極
59.イオン液体
60.イオン液体保持容器
61.液体シール用Oリング
62.n型GaNエピ層
63.アンドープGaNエピ層(成長初期バッファ層にはAlGaN層などを含む)
64.(111)面シリコン基板またはC面サファイヤ基板
71~74.金属針列1
75~78.金属針列2
79.電流源
80.センス電圧(VS)測定計
81.ホール電圧(VH)測定計
82.垂直磁場Bを生成する磁石
83.AlGaNエピ層
84.GaN高抵抗層
1. Piezoelectric material 2. Lower electrode that holds the piezoelectric body 3. Upper electrode 4. Striking rod 5. Stopper 6. Insulating housing for piezoelectric element 7. Spring 8. 2x4 matrix switch 9. 2-way knife switch (2-way switch)
10. 4x4 matrix switch 11. Current source 12. Voltmeter 13-16. Metal needle 17. Undoped AlGaN epitaxial layer 18. Undoped GaN epitaxial layer (initial growth buffer layer includes AlGaN layer, etc.)
19. (111)-face silicon substrate or C-face sapphire substrate S11-S14, S21-S24. Relays A1-A4 that short-circuit and open at the intersections in the 2X4 matrix switch. Output terminals of the 2X4 matrix switch SPDT1-SPDT4. Single-pole double-throw switches B1-B4 that make up the 2-way switch. Switching side terminals C1-C4 to the measurement side of the 2-way switch. Single-pole terminals D1-D4 of the 2-way switch. Schottky diode R12 formed at the contact point between the metal needle and the semiconductor. Resistance R2 between metal needles 13 and 14. Resistance R3 between metal needles 14 and 15. Resistances 33-36 between metal needles 15 and 16. Metal needles arranged at the vertices of a regular square. 37. Undoped AlGaN epitaxial layer. 38. Undoped GaN epitaxial layer (initial growth buffer layer includes an AlGaN layer, etc.)
39. (111) face silicon substrate or C face sapphire substrate 40. Neodymium magnet (top face is N pole)
41. 42. 44. Metal needle 43. Metal needle in contact with Schottky electrode or MIS electrode 45. n-type GaN epitaxial layer 46. Undoped GaN epitaxial layer (initial growth buffer layer includes AlGaN layer, etc.)
47. (111) silicon substrate or C-plane sapphire substrate 48. Metal electrode (Schottky or MIS upper electrode)
49. Variable DC power supply 50. Inductor (for RF choke)
51. Capacitor (for DC cut)
52. Bias Tee 53. Capacitance Meter (LCR Meter)
54. 55. 57. Metal needle 56. Schottky or MIS upper electrode 58. Platinum electrode 59. Ionic liquid 60. Ionic liquid holding container 61. O-ring for sealing liquid 62. n-type GaN epilayer 63. Undoped GaN epilayer (initial growth buffer layer includes AlGaN layer, etc.)
64. (111) face silicon substrate or C face sapphire substrate 71 to 74. Metal needle array 1
75-78. Metal needle row 2
79. Current source 80. Sense voltage (VS) meter 81. Hall voltage (VH) meter 82. Magnet generating perpendicular magnetic field B 83. AlGaN epitaxial layer 84. GaN high resistance layer

Claims (1)

セラミック圧電素子の電極に接続された金属針を半導体または導電性薄膜に接触させ、前記セラミック圧電素子に応力または打撃を加えることで前記金属針に高電圧かつ微小電流を印加することにより、前記金属針と前記半導体または前記導電性薄膜と電気的コンタクトを形成する方法であって、
直線状かつ等間隔に配列された4本の金属針を有する金属針列1と、
前記金属針列1と直交して配置され、直線状かつ等間隔に配列された4本の金属針を有する金属針列2と、
前記金属針列1の最外側の2本の金属針間に接続される電流源と、
前記金属針列1の最内側の2本の金属針間の電圧Vsを測定する電圧Vs測定部と、
半導体または導電性薄膜に垂直から磁場Bを印加し、前記金属針列2の最内側の2本の金属針間の電圧Vを測定する電圧V測定部と、
を備え、
前記金属針列1及び前記金属針列2は前記半導体または前記導電性薄膜との間で電気的コンタクトが形成されており、
前記金属針列1の最内側の2本の金属針と前記金属針列2の最内側の2本の金属針が正四辺形を構成することを特徴とする移動度測定方法
A method for forming an electrical contact between a metal needle and the semiconductor or the conductive thin film by contacting a metal needle connected to an electrode of a ceramic piezoelectric element with a semiconductor or a conductive thin film and applying a high voltage and a small current to the metal needle by applying stress or impact to the ceramic piezoelectric element, comprising the steps of:
A metal needle array 1 having four metal needles arranged linearly and at equal intervals;
a metal needle array 2 having four metal needles arranged in a straight line at equal intervals and disposed perpendicular to the metal needle array 1;
a current source connected between the two outermost metal needles of the metal needle array 1;
a voltage Vs measuring unit for measuring a voltage Vs between the two innermost metal needles of the metal needle array 1;
a voltage VH measuring unit that applies a magnetic field B perpendicularly to a semiconductor or conductive thin film and measures a voltage VH between the two innermost metal needles of the metal needle array 2;
Equipped with
The metal needle array 1 and the metal needle array 2 form electrical contacts with the semiconductor or the conductive thin film,
The mobility measuring method is characterized in that the two innermost metal needles of said metal needle array 1 and the two innermost metal needles of said metal needle array 2 form a regular quadrilateral.
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