JP2018032829A - 半導体積層物の観察方法、観察装置、観察プログラム、および、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体積層物の表面におけるモホロジを調べるための技術を提供する。【解決手段】半導体積層物の観察方法は、第１導電型を有する第１半導体層、および、第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、第１半導体層上に配置された第１電極と、第２半導体層上に配置された第２電極と、を有する構造体について、第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程Ｓ１１と、第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加によりｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程Ｓ１２と、モホロジとエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程Ｓ１３と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体積層物の観察方法、観察装置、観察プログラム、および、半導体装置の製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は、高耐圧、高出力の高周波電子素子材料や、赤から紫外の発光が可能な発光素子材料として注目を集めている。

例えば、ＧａＮ系半導体を用いた半導体装置は、ｎ型ＧａＮ系半導体基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層およびｐ型ＧａＮ系半導体層を成長（エピタキシャル成長）させることで、作製されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１５−１４９３９１号公報

基板上に半導体層を成長させるとき、基板の表面が平坦であったとしても、成長させた半導体層の表面には、モホロジ（凹凸）が発生することがある。基板上に半導体層を成長させた半導体積層物の表面におけるモホロジと他の特性との関連を調べることは、半導体積層物を用いた半導体装置の性能向上等に資すると考えられる。

本発明の一目的は、半導体積層物の表面におけるモホロジを調べるための新規な技術を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程と、
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程と、
を有する半導体積層物の観察方法
が提供される。

本発明の第２の観点によれば、
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得することで、前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程、
を有する半導体積層物の観察方法
が提供される。

本発明の第３の観点によれば、
第１の観点による半導体積層物の観察方法、または、第２の観点による半導体積層物の観察方法を一工程として含む半導体装置の製造方法
が提供される。

本発明の第４の観点によれば、
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する機能と、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する機能と、
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する機能と、
を有する半導体積層物の観察装置
が提供される。

本発明の第５の観点によれば、
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する手順と、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する手順と、
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する手順と、
をコンピュータに実行させるための半導体積層物の観察プログラム
が提供される。

半導体積層物の表面のモホロジを、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）光の強度の面内分布と関連付けて取得することができる。

図１は、半導体積層物を有する構造体を示す概略断面図である。 図２は、本発明の一実施形態による半導体積層物の観察方法の流れを示すフローチャートである。 図３は、モホロジ取得工程を実施する状況を示す概略図である。 図４は、ＥＬ光強度面内分布取得工程を実施する状況を示す概略図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、比較工程での表示の一例を示すモホロジ像およびＥＬ光強度面内分布像である。 図６（ａ）、図６（ｂ）、および、図６（ｃ）は、比較工程での表示の他の例を示すモホロジ像、ＥＬ光強度面内分布像、および、モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像とを重ねて表示した像である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、原子間力顕微鏡で観察されるモホロジの模式図である。 図８は、他の実施形態による半導体積層物の観察方法の流れを示すフローチャートである。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による半導体積層物の観察方法の観察対象物となる半導体積層物１００について、例示的に説明する。図１は、半導体積層物１００を有する構造体１１０の概略断面図である。

構造体１１０は、半導体積層物１００と、電極３０と、電極４０とを有する。半導体積層物１００は、ｎ型およびｐ型の一方の導電型を有する半導体層１０、および、半導体層１０の上方に成長され、ｎ型およびｐ型の他方の導電型を有し、半導体層１０とｐｎ接合６０を構成する半導体層２０を有する。電極３０は、半導体層１０上に配置されており、電極４０は、半導体層２０上に配置されている。

実施形態による半導体積層物の観察方法では、半導体積層物１００に電極３０および電極４０を設けた状態の構造体１１０を用いることで、半導体積層物１００が観察される。

例示の半導体積層物１００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体、つまりガリウム（Ｇａ）および窒素（Ｎ）を含有する半導体を用いて形成されたものであり、半導体層１０は、ｎ型ＧａＮ系半導体で形成されたｎ型半導体層であり、半導体層２０は、ｐ型ＧａＮ系半導体で形成されたｐ型半導体層である。半導体層１０をｎ型半導体層１０と呼び、半導体層２０をｐ型半導体層２０と呼び、電極３０をｎ側電極３０と呼び、電極４０をｐ側電極４０と呼ぶことがある。なお、実施形態による半導体積層物の観察方法は、必要に応じて、他の半導体材料で形成された半導体積層物１００の観察に用いてもよい。

以下の説明では、ＧａＮ系半導体として、ＧａＮを例示するが、ＧａＮ系半導体としては、ＧａＮに限定されず、ＧａおよびＮに加え必要に応じてＧａ以外のＩＩＩ族元素を含むものを用いることもできる。

Ｇａ以外のＩＩＩ族元素としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）やインジウム（Ｉｎ）が挙げられる。ただし、Ｇａ以外のＩＩＩ族元素は、格子歪低減の観点から、Ｇａ以外のＩＩＩ族元素を含有するＧａＮ系半導体の、ＧａＮに対する格子不整合が、１％以下となるように含有されることが好ましい。ＧａＮ系半導体中に許容される含有量は、例えばＡｌＧａＮ中のＡｌについてはＩＩＩ族元素の内４０原子％以下であり、また例えばＩｎＧａＮ中のＩｎについてはＩＩＩ族元素の内１０原子％以下である。なお、ＩｎＡｌＧａＮは、ＩｎＡｌＮ中のＩｎがＩＩＩ族元素の内１０原子％以上３０原子％以下となるＩｎＡｌＮと、ＧａＮとを任意の組成で組合せたＩｎＡｌＧａＮであっても良い。なお、ＡｌおよびＩｎ組成が上記の範囲内にあると、ＧａＮとの格子歪が大きくなりにくいためクラックが入りにくくなる。なお、ＧａＮ系半導体層の成長基板としては、例えばｎ型ＧａＮ基
板を用いることができる。また、ｎ型ＧａＮ基板と比べて入手が難しく高価ではあるが、ｎ型ＡｌＧａＮ基板やｎ型ＩｎＧａＮ基板、さらに、ｎ型ＡｌＮ基板を用いることもできる。

ｎ型半導体層１０は、ｎ型ＧａＮ基板１１と、ｎ型ＧａＮ基板１１上に成長されたｎ型ＧａＮ層１２と、ｎ型ＧａＮ層１２上に成長されたｎ型ＧａＮ層１３とが積層された積層構造を有する。ｎ型ＧａＮ基板１１は、例えば、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）が２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度で添加されたＧａＮ基板であり、厚さは例えば４００μｍである。ｎ型ＧａＮ層１２は、例えばＳｉが２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度で添加され、厚さは例えば２μｍである。ｎ型ＧａＮ層１３は、例えばＳｉが９×１０^１５ｃｍ^−３の濃度で添加され、厚さは例えば１５μｍである。

ｎ型ＧａＮ層１２とｎ型ＧａＮ層１３とをまとめた層を、ｎ型ＧａＮ基板１１上に成長されたｎ型ＧａＮ層１４と捉えることができる。

ｐ型半導体層２０は、例えば、ｎ型ＧａＮ層１３上に成長されたｐ型ＧａＮ層２１と、ｐ型ＧａＮ層２１上に成長されたｐ型ＧａＮ層２２とが積層された積層構造を有する。ｐ型ＧａＮ層２１は、例えば、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度で添加され、厚さは例えば５００ｎｍである。ｐ型ＧａＮ層２２は、例えばＭｇが２×１０^２０ｃｍ^−３の濃度で添加され、厚さは例えば３０ｎｍである。

ｐ型ＧａＮ層２１とｐ型ＧａＮ層２２とをまとめた層（ｐ型半導体層２０）を、ｎ型ＧａＮ層１４上に（ｎ型半導体層１０上に）成長されたｐ型ＧａＮ層２３と捉えることができる。

ｎ型半導体層１０上に（ｎ型半導体層１０と接触して）、つまりｎ型ＧａＮ基板１１の下面上に、ｎ側電極３０が設けられている。ｐ型半導体層２０上に（ｐ型半導体層２０と接触して）、つまりｐ型ＧａＮ層２２の上面上に、ｐ側電極４０が設けられている。

構造体１１０は、ｐ型半導体層２０とｎ型半導体層１０との積層物である半導体積層物１００が構成するｐｎ接合６０が、ｐ側電極４０とｎ側電極３０との間への電圧印加によりダイオードとして動作する半導体装置を構成している。

ｎ側電極３０およびｐ側電極４０は、少なくとも一方が、光透過電極として構成されている。ここで光透過とは、後述のモホロジ取得工程において、半導体積層物１００に入射される観察光３０１、および、半導体積層物１００から出射する観察光３０１を透過させることを表し、また、後述のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）光強度面内分布取得工程において、ｐｎ接合６０から放出されたＥＬ光４０１を透過させることを表す。

後述のモホロジ取得工程におけるモホロジの観察、および、後述のＥＬ光強度面内分布取得工程におけるＥＬ光強度面内分布の観察を容易にする観点からは、ｎ側電極３０を光透過電極とし、ｐ側電極４０を光反射電極とすることが好ましい。ここで光反射とは、後述のモホロジ取得工程において、半導体積層物１００に入射された観察光３０１を反射させることを表す。以下、ｎ側電極３０を光透過電極とし、ｐ側電極４０を光反射電極とする場合について、説明を進める。

光透過電極としては、公知の構成の電極を適宜用いることができ、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で形成された電極等を用いることができる。なお、必要に応じて、メッシュ状の電極を、実質的に光透過電極として用いることも可能である。

光反射電極としては、公知の構成の電極を適宜用いることができ、例えば、チタン（Ｔｉ）層とアルミニウム（Ａｌ）層との積層膜で形成された電極や、パラジウム（Ｐｄ）層とニッケル（Ｎｉ）層との積層膜で形成された電極等を用いることができる。

例示の半導体積層物１００は、メサ構造を有し、例示の構造体１１０は、メサ構造の外側に配置されたｎ型半導体層１０の上面、メサ構造の側面、および、メサ構造の上面を構成するｐ型半導体層２０の上面の縁部を覆うように設けられた絶縁性の保護膜５０を有する。保護膜５０は、ｐ側電極４０の上面を露出させる開口を有する。保護膜５０は、例えば酸化シリコン等で形成される。

半導体積層物１００および構造体（半導体装置）１００の製造方法としては、公知の技術を適宜用いることができる。半導体層１２、１３、２１、２２の成長方法としては、例えば、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）や、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）等を用いることができる。

基板１１上に半導体層１２、１３、２１、２２を成長させるとき、基板１１の表面が平坦であったとしても、成長させた半導体層１２、１３、２１、２２の表面には、モホロジ（凹凸）が発生することがある。上面側（基板１１から遠い側）の半導体層ほど、表面のモホロジが大きくなる傾向があり、また、同一基板１１上に成長させた半導体層であっても、面内位置によってモホロジの程度に差が生じることがある。モホロジの発生する理由は明確ではないが、基板１１の表面におけるオフ角の分布が一つの要因ではないかと推測される。モホロジのより詳細な説明は、図７（ａ）、図７（ｂ）等を参照して後述する。

なお、上述のｎ型半導体層１０およびｐ型半導体層２０の構成は例示であり、ｎ型半導体層１０およびｐ型半導体層２０の構成を必要に応じ適宜変更して、観察対象物となる半導体積層物１００を準備することができる。

次に、図２〜図６を参照して、実施形態による半導体積層物の観察方法について、例示的に説明する。実施形態による半導体積層物の観察方法を、実施形態の観察方法と呼ぶことがある。

実施形態の観察方法の実施に先立って、観察対象物である半導体積層物１００が、ｎ側電極３０およびｐ側電極４０を設けた状態の構造体１１０として準備される。

図２は、実施形態の観察方法の流れを示すフローチャートである。実施形態の観察方法では、モホロジ取得工程（ステップＳ１１）、ＥＬ光強度面内分布取得工程（ステップＳ１２）、および、モホロジとＥＬ光強度面内分布との比較工程（ステップＳ１３）とが実施される。モホロジとＥＬ光強度面内分布との比較工程を、単に、比較工程と呼ぶことがある。

図３は、モホロジ取得工程（ステップＳ１１）を実施する状況を示す概略図である。図４は、ＥＬ光強度面内分布取得工程（ステップＳ１２）を実施する状況を示す概略図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、比較工程（ステップＳ１３）での表示の一例を示し、図６（ａ）、図６（ｂ）、および、図６（ｃ）は、比較工程（ステップＳ１３）での表示の他の例を示す。

まず、モホロジ取得工程、ＥＬ光強度面内分布取得工程、および、比較工程で用いられる制御部２００について説明し、併せて、表示部２０１および入力部２０２について説明する。

制御部２００としては、例えば、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｄｒｉｖｅ）、通信Ｉ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）部等のハードウエア資源を組合せて構成されたコンピュータを用いることができる。

制御部２００は、所定プログラムがインストールされ、その所定プログラムをＣＰＵが必要に応じて実行することで、モホロジ取得、ＥＬ光強度面内分布取得、および、モホロジとＥＬ光強度面内分布との比較等の各種機能を実現する。これらの機能が制御部２００により実現されることから、制御部２００を、半導体積層物の観察装置と捉えることもできる。なお、このような所定プログラムは、インストールに先立って、制御部２００で読み取り可能な記録媒体に格納されて提供されるものであってもよいし、あるいは制御部２００と接続する通信回線を通じて制御部２００へ提供されるものであってもよい。

表示部２０１は、ディスプレイ装置やプリンタ装置等の情報出力部として構成されており、制御部２００に制御されて、後述の比較工程におけるモホロジ像やＥＬ光強度面内分布像の表示等を行う。

入力部２０２は、キーボードやマウス等の情報入力部として構成されている。ユーザは、入力部２０２を介して、制御部２００に必要な情報を入力したり、制御部２００が表示部２０１に提示した選択肢を選択したりすること等により、種々の情報入力を行うことができる。

次に、図３を参照して、モホロジ取得工程（ステップＳ１１）について説明する。モホロジ取得工程では、モホロジ観察装置３００が用いられる。モホロジ観察装置３００は、半導体積層物１００の表面（上面）、つまりｐ型半導体層２０の表面（上面）２０Ｓのモホロジを観察する。モホロジ観察装置３００は、制御部２００により制御される。

モホロジ観察装置３００は、例えば、表面２０Ｓのモホロジを観察する顕微鏡と、観察光３０１を照射する光源と、観察されたモホロジの像を撮像する撮像装置とを含んで構成される。モホロジを観察する顕微鏡としては、例えば、微分干渉顕微鏡を用いることができる。

モホロジ観察装置３００から照射された観察光３０１は、光透過電極であるｎ側電極３０を介して半導体積層物１００に入射し、表面２０Ｓに、つまり光反射電極であるｐ側電極４０とｐ型半導体層２０との界面に照射され、ｐ側電極４０で反射され、ｎ側電極３０を介して半導体積層物１００から出射して、モホロジ観察装置３００で観察される。このようにして、ｐ型半導体層２０とｐ側電極４０との界面を構成する表面２０Ｓのモホロジが観察される。

モホロジ観察装置３００の有する撮像装置から出力された、表面２０Ｓのモホロジに対応するデータが、制御部２００に入力される。このようにして、表面２０Ｓのモホロジが取得される。

ｐ側電極４０の下面（ｐ型半導体層２０側の面）には、ｐ型半導体層２０の表面２０Ｓのモホロジが転写されている。ｐ側電極４０を光反射電極とすることで、ｐ側電極４０の下面からの反射光を観察することにより、表面２０Ｓのモホロジを観察することができる。

ｐ側電極４０を光反射電極とした場合、ｎ側電極３０を光透過電極とすることで、ｎ側
電極３０側から観察光３０１を入射させ、また取り出して、モホロジの観察を行うことができる。

なお、ｐ側電極４０を光透過電極とした場合でも、ｐ型半導体層２０の表面２０Ｓ上に顕微鏡のピントを合わせることで、表面２０Ｓのモホロジを観察することができる。なお、このような場合、ｐ側電極４０の上方から観察光３０１を照射することで、モホロジの観察を行うことができる。

次に、図４を参照して、ＥＬ光強度面内分布取得工程（ステップＳ１２）について説明する。ＥＬ光強度面内分布取得工程では、ＥＬ光強度面内分布観察装置４００が用いられる。ＥＬ光強度面内分布観察装置４００は、半導体積層物１００のｐｎ接合６０から放出されたＥＬ光４０１の強度の面内分布を観察する。ＥＬ光強度面内分布観察装置４００は、制御部２００により制御される。

ＥＬ光強度面内分布観察装置４００は、例えば、ｎ側電極３０とｐ側電極４０との間に順方向電圧を印加する電源装置と、顕微ＥＬマッピング装置とを含んで構成される。

順方向電圧印加によりｐｎ接合６０から放出されたＥＬ光４０１は、光透過電極であるｎ側電極３０を介して半導体積層物１００から出射して、ＥＬ光強度面内分布観察装置４００の顕微ＥＬマッピング装置で観察される。このようにして、ＥＬ光４０１の強度の面内分布が観察される。

ＥＬ光強度面内分布観察装置４００の有する顕微ＥＬマッピング装置から出力された、ＥＬ光４０１の強度の面内分布に対応するデータが、制御部２００に入力される。このようにして、ＥＬ光４０１の強度の面内分布が取得される。

半導体積層物１００が、ｎ型ＧａＮ系半導体で形成されたｎ型半導体層１０上に、ｐ型ＧａＮ系半導体で形成されたｐ型半導体層２０を成長させた構造を有する場合、ｎ型半導体層１０に対してｐ型半導体層２０は、薄く形成され、また高抵抗である。よって、電流を面内方向に拡げるためには、ｐ側電極４０の抵抗は低いことが好ましい。一般に、光透過性の電極材料は、光反射性の電極材料よりも高抵抗であるため、ｐ側電極４０は、光透過電極よりも、光反射電極とすることが好ましい。

ｐ側電極４０を光反射電極とした場合、ｎ側電極３０を光透過電極とすることで、ｎ側電極３０側からＥＬ光４０１を取り出して、ＥＬ光強度面内分布の観察を行うことができる。

なお、ｐ側電極４０を光透過電極とした場合、ｐ側電極４０の上方からＥＬ光４０１を取り出すことで、ＥＬ光強度面内分布の観察を行うことができる。

次に、モホロジとＥＬ光強度面内分布との比較工程（ステップＳ１３）について説明する。比較工程では、モホロジ取得工程で取得されたモホロジと、ＥＬ光強度面内分布取得工程で取得されたＥＬ光強度面内分布とが比較される。比較工程では、例えば、制御部２００が、モホロジを表す像（モホロジ像）と、ＥＬ光強度面内分布を表す像（ＥＬ光強度面内分布像）とを、表示部２０１に表示させる比較表示を行う。

ここで、本明細書においてモホロジと呼ぶ凹凸の構造的な特徴の目安について、例示的に説明する。モホロジとは、成長させた半導体層の表面について、例えば８０μｍ角の視野で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を取得した際に、尾根と谷とが交互に配置されたパターンとして観察される凹凸であり、８０μｍ角の視野内に、複数個（２個以上）、代表的に
は数個（２〜９個）の尾根を有する（または谷を有する）凹凸である。つまり、８０μｍ角の視野内に、複数個（２個以上）、代表的には数個（２〜９個）の尾根が配置されるような（または谷が配置されるような）ピッチを有する凹凸である。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、ＡＦＭで観察されるモホロジの模式図である。図７（ａ）は、８０μｍ角の視野のＡＦＭ像を示す概略平面図であり、尾根を破線で、谷を一点鎖線で示す。図７（ｂ）は、尾根の（または谷の）延在方向と交差する方向（図７（ａ）の矢印の方向）に沿った概略断面図である。尾根の（または谷の）延在方向と交差する方向を、尾根との（谷との）交差方向と呼ぶこともある。

モホロジが有する、尾根と谷とが交互に配置されたパターンは、波状のパターン、または、（平面視における）縞状のパターンということもできる。モホロジの、尾根との（谷との）交差方向に沿った断面形状は、左向き斜面と右向き斜面とが（一方向きの斜面と他方向きの斜面とが）交互に配置された形状となっている。なお、左向き斜面の傾きの程度と、右向き斜面の傾きの程度とは対称でなくともよい。また、複数個配置された尾根間のピッチ、または、谷間のピッチは、均等でなくともよい。

モホロジの深さは、尾根の頂上と谷の底との高さの差、つまり、Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙの深さで表される。モホロジの深さは、特に限定されないが、例えば１０〜８０ｎｍである。モホロジの深さが小さいほど、モホロジは小さく、モホロジの深さが大きいほど、モホロジは大きい。

モホロジを、可視光を用いて微分干渉顕微鏡により観察する場合、深さが例えば１０ｎｍ程度の微小なモホロジは、可視光の波長に起因して、干渉縞として観察されない。つまり、深さが１０ｎｍ程度の微小なモホロジを、微分干渉顕微鏡で観察する場合、平坦な微分干渉顕微鏡像として、モホロジが観察される。一方、深さが例えば３０〜５０ｎｍ程度の比較的大きなモホロジは、微分干渉顕微鏡でも観察することができ、凹凸を有する微分干渉顕微鏡像として観察される。

以下、図５（ａ）および図５（ｂ）と、図６（ａ）〜図６（ｃ）とを参照し、比較表示の具体例を挙げて説明を行う。図５（ａ）および図５（ｂ）に対応する半導体積層物１００を、サンプルＡと呼び、図６（ａ）〜図６（ｃ）に対応する半導体積層物１００を、サンプルＢと呼ぶことがある。

サンプルＡとサンプルＢとは、同一の基板１１上に半導体層１２、１３、２１、２２を成長させたサンプルであり、ウエハとしては同一のものである。ただし、ウエハの面内位置が異なることで、モホロジの程度に差が生じており、モホロジの程度に差がある一領域と他の領域とを、サンプルＡとサンプルＢとして示している。サンプルＡは、（サンプルＢに対し）モホロジが微小な（平坦性の高い）領域の例であり、サンプルＢは、（サンプルＡに対し）モホロジが大きい（平坦性の低い）領域の例である。

観察に用いたウエハは、以下のようなものである。Ｓｉ濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３で厚さが４００μｍのｎ型ＧａＮ基板１１上に、Ｓｉ濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３で厚さが２μｍのｎ型ＧａＮ層１２が成長され、ｎ型ＧａＮ層１２上に、Ｓｉ濃度が９×１０^１５ｃｍ^−３ｃｍ^−３で厚さが１５μｍのｎ型ＧａＮ層１３が成長されることで、ｎ型半導体層１０が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮ層１３上に、Ｍｇ濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３で厚さが５００ｎｍのｐ型ＧａＮ２１が成長され、ｐ型ＧａＮ２１上に、Ｍｇ濃度が２×１０^２０ｃｍ^−３で厚さが３０ｎｍのｐ型ＧａＮ層２２が成長されることで、ｐ型半導体層２０が形成されている。半導体層１２、１３、２１、２２の成長方法としては、ＭＯＶＰＥを用いた。

ｎ側電極３０としては、ＩＴＯによる光透過電極が設けられている。ｐ側電極４０としては、Ｐｄ層とＮｉ層との積層膜による光反射電極が設けられている。ｐ側電極４０は、直径４００μｍの円形である。

図５（ａ）および図５（ｂ）を参照する。図５（ａ）は、サンプルＡの微分干渉顕微鏡によるモホロジ像であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のモホロジ像と並べて表示された、サンプルＡのＥＬ光強度面内分布像である。

モホロジ像より、サンプルＡの表面は、平坦性が高いことがわかる。また、ＥＬ光強度面内分布像より、サンプルＡのＥＬ光強度は、電極縁部近傍の一部で高くなっているものの、概ね、面内での一様性が高いことがわかる。つまり、モホロジと、ＥＬ光強度の面内分布とは、同様なパターンを有している。

図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照する。図６（ａ）は、サンプルＢの微分干渉顕微鏡によるモホロジ像であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のモホロジ像と並べて表示された、サンプルＢのＥＬ光強度面内分布像である。なお、図６（ａ）のモホロジ像の中央に黒く見える部分は、ＥＬ光強度測定後に誤って測定針により、電極の一部を剥がしてしまった部分である。

図６（ｃ）は、モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像とを、例えば透過率５０％で重ねて表示した像である。なお、図６（ｃ）に示すＥＬ光強度面内分布像は、光強度の強弱が疑似的にカラー表示されたものをグレースケール表示で示したものである。このため、図６（ｃ）に示すＥＬ光強度面内分布像では、紙上の明暗が、光強度の強弱にそのままは対応しないが、光強度の面内分布のパターン形状は示されている（光強度の強弱に対応する明暗は、図６（ｂ）のＥＬ光強度面内分布像に示されている）。なお、モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像とを重ねる際、両者の像同士がよく重なるように、モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像との相対的な縮尺を調整することが好ましく、また、モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像との相対的な回転角度を調整することが好ましい。このような調整には、種々の画像処理技術を適宜用いることができる。

モホロジ像より、サンプルＢの表面は、尾根と谷とが交互に配置された（波状の、縞状の）凹凸パターンを有し、平坦性が低いことがわかる。また、ＥＬ光強度面内分布像より、サンプルＢのＥＬ光強度の面内分布は、波状の（縞状の）強弱パターンを示し、一様性が低いことがわかる。

モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像とを比較すると、ＥＬ光強度の面内分布は、モホロジと対応するパターンを有することがわかる。モホロジ像とＥＬ光強度面内分布像とを重ねて表示した像からわかるように、モホロジと、ＥＬ光強度の面内分布とは、非常によく一致したパターンを有している。

図７（ｂ）を参照して説明したように、サンプルＢの表面のモホロジの模式的な形状は、尾根との（谷との）交差方向について、一方向きの斜面と他方向きの斜面とが交互に配置された形状となっている。理由は明確ではないが、一方向きの斜面に対応する領域でのＥＬ光強度が、他方向きの斜面に対応する領域でのＥＬ光強度に比べ高いことで、ＥＬ光強度の面内分布が、モホロジと対応した波状の（縞状の）パターンを示しているのではないかと推測される。

図５（ａ）〜図６（ｃ）を参照して説明したように、半導体積層物１００の表面（上面）のモホロジと、ＥＬ光強度の面内分布とが、非常によく一致したパターンを示すことは
、本願発明者が新たに見出した知見である。

実施形態による半導体積層物の観察方法は、半導体積層物１００の表面のモホロジが、半導体積層物１００のＥＬ発光等の電気特性にどのように影響するかという知見を得るために用いることができる。また、この観察方法は、ＥＬ光強度の面内分布から、モホロジ等の結晶性に係わる特性に関する知見を得るために用いることができる。

なお、実施形態による半導体積層物の観察方法は、半導体積層物１００の観察方法として用いることができるとともに、半導体積層物１００の検査方法、評価方法として用いることもできる。

なお、モホロジとＥＬ光強度の面内分布とのパターンが大きくずれていた場合、電極３０、４０が良好に形成されていない等の要因が考えられ、半導体積層物１００を観察することで、構造体（半導体装置）１１０の検査を行うこともできる。

次に、図８を参照して、他の実施形態による半導体積層物の観察方法について説明する。

図８は、他の実施形態の観察方法の流れを示すフローチャートである。他の実施形態の観察方法では、上述の実施形態でのＥＬ光強度面内分布取得工程（ステップＳ１２）と同様にして、ＥＬ光強度面内分布取得工程（ステップＳ２１）が実施され、ＥＬ光強度面内分布を取得することで、間接的に、モホロジが取得される。

上述のように、半導体積層物１００のＥＬ光強度面内分布は、半導体積層物１００の表面のモホロジと、非常によく一致したパターンを示す。このため、半導体積層物１００のＥＬ光強度面内分布を観察することで、間接的に、半導体積層物１００の表面のモホロジを観察することが可能となる。この観察方法によれば、ｎ側電極３０およびｐ側電極４０の形成後に、構造体（半導体装置）１１０を動作させながら、モホロジを観察することができる。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、半導体積層物の表面のモホロジを、ＥＬ光の強度の面内分布と関連付けて取得することができる。

なお、上述の実施形態では、半導体積層物の表面のモホロジを調べる測定に用いる顕微鏡として、微分干渉顕微鏡を例示した。モホロジを調べる測定には、必要に応じてその他、レーザ顕微鏡や、ＡＦＭ等を用いてもよい。

なお、上述の実施形態では、半導体積層物について、表面のモホロジを調べる測定と、ＥＬ光強度の面内分布を調べる測定とについて説明した。半導体積層物について、その他、例えば、不純物濃度の面内分布を調べるフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定や、また例えば、基板の結晶性を調べるＸ線ロッキングカーブ測定等を行うことで、不純物濃度の面内分布や、基板の結晶性等と、モホロジまたはＥＬ光強度の面内分布との比較を行ってもよい。

なお、上述の実施形態の観察方法や、検査方法や、評価方法は、半導体積層物の特性を調べる方法として利用でき、半導体積層物の製造方法における一工程として実施することができ、半導体積層物の製造方法と捉えることもできる。

なお、上述の実施形態の観察方法や、検査方法や、評価方法は、半導体積層物を用いた半導体装置の特性を調べる方法としても利用でき（半導体装置の観察方法、検査方法、評
価方法として用いることもでき）、半導体装置の製造方法における一工程として実施することができ、半導体装置の製造方法と捉えることもできる。

なお、上述の実施形態の観察方法や、検査方法や、評価方法は、半導体積層物が有する基板の特性を調べる方法としても利用でき（基板の観察方法、検査方法、評価方法として用いることもでき）、基板の製造方法における一工程として実施することができ、基板の製造方法と捉えることもできる。

以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。

以下、本発明の好ましい形態について付記する。

（付記１）
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程と、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程と、
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程と、
を有する半導体積層物の観察方法（検査方法、評価方法）。

（付記２）
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程は、
前記モホロジを表す第１の像と前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を表す第２の像とを並べて表示する工程、および、前記第１の像と前記第２の像とを重ねて表示する工程の少なくとも一方を含む、付記１に記載の半導体積層物の観察方法。

（付記３）
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程は、
前記第１の像と前記第２の像との相対的な縮尺を調整する工程、および、前記第１の像と前記第２の像との相対的な回転角度を調整する工程の少なくとも一方を含む、付記２に記載の半導体積層物の観察方法。

（付記４）
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、光透過電極であり、
前記モホロジを取得する工程は、前記表面に照射された観察光を、前記光透過電極を介して観察する工程を含み、
前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程は、前記エレクトロルミネッセンス光を、前記光透過電極を介して観察する工程を含む、付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体積層物の観察方法。

（付記５）
前記第１電極は、光透過電極であり、前記第２電極は、光反射電極であり、
前記モホロジを取得する工程は、前記第１電極を介して前記表面に照射された観察光を、前記第２電極で反射させ、前記第１電極を介して観察する工程を含み、
前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程は、前記エレクトロルミネッセンス光を、前記第１電極を介して観察する工程を含む、付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体積層物の観察方法。

（付記６）
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得することで、前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程、
を有する半導体積層物の観察方法（検査方法、評価方法）。

（付記７）
前記第１半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系半導体で形成された基板と、前記基板上に成長され、ｎ型窒化ガリウム系半導体で形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体層とを有し、
前記第２半導体層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に成長され、ｐ型窒化ガリウム系半導体で形成されたｐ型窒化ガリウム系半導体層を有し、
前記モホロジは、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の上面のモホロジである、付記１〜６のいずれか１つに記載の半導体積層物の観察方法。

（付記８）
前記モホロジは、前記表面について８０μｍ角の視野で原子間力顕微鏡像を取得した際に、尾根と谷とが交互に配置されたパターン（波状のパターン、縞状のパターン）として観察される凹凸である付記１〜７のいずれか１つに記載の半導体積層物の観察方法。

（付記９）
付記１〜８のいずれかに記載の半導体積層物の観察方法を一工程として含む半導体装置の（半導体積層物の、基板の）製造方法。

（付記１０）
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する機能と、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する機能と、
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する機能と、
を有する半導体積層物の観察装置。

（付記１１）
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得することで、前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する機能、
を有する半導体積層物の観察装置。

（付記１２）
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する手順と、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する手順と、
前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する手順と、
をコンピュータに実行させるための半導体積層物の観察プログラム。

（付記１３）
第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
を有する構造体について、
前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得することで、前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する手順、
をコンピュータに実行させるための半導体積層物の観察プログラム。

１０ ｎ型半導体層
１１、１２、１３、１４ ｎ型ＧａＮ層
２０ ｐ型半導体層
２０Ｓ ｐ型半導体層の（半導体積層物の）上面
２１、２２、２３ ｐ型ＧａＮ層
３０ ｎ側電極
４０ ｐ側電極
５０ 保護膜
６０ ｐｎ接合
１００ 半導体積層物
１１０ 構造体（半導体装置）
２００ 制御部
２０１ 表示部
２０２ 入力部
３００ モホロジ観察装置
３０１ 観察光
４００ ＥＬ光強度面内分布観察装置
４０１ ＥＬ光

Claims (7)

1. 第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
   前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
   を有する構造体について、
   前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程と、
   前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程と、
   前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程と、
   を有する半導体積層物の観察方法。
2. 前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する工程は、
   前記モホロジを表す第１の像と前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を表す第２の像とを並べて表示する工程、および、前記第１の像と前記第２の像とを重ねて表示する工程の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の半導体積層物の観察方法。
3. 前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、光透過電極であり、
   前記モホロジを取得する工程は、前記表面に照射された観察光を、前記光透過電極を介して観察する工程を含み、
   前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する工程は、前記エレクトロルミネッセンス光を、前記光透過電極を介して観察する工程を含む、請求項１または２に記載の半導体積層物の観察方法。
4. 第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
   前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
   を有する構造体について、
   前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得することで、前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する工程、
   を有する半導体積層物の観察方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体積層物の観察方法を一工程として含む半導体装置の製造方法。
6. 第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
   前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
   を有する構造体について、
   前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する機能と、
   前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出さ
   れたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する機能と、
   前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する機能と、
   を有する半導体積層物の観察装置。
7. 第１導電型を有する第１半導体層、および、前記第１半導体層の上方に成長され、第２導電型を有し、前記第１半導体層とｐｎ接合を構成する第２半導体層を有する半導体積層物と、
   前記第１半導体層上に配置された第１電極と、
   前記第２半導体層上に配置された第２電極と、
   を有する構造体について、
   前記第２半導体層の第２電極との界面を構成する表面のモホロジを取得する手順と、
   前記第１電極と前記第２電極との間への順方向電圧印加により前記ｐｎ接合から放出されたエレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布を取得する手順と、
   前記モホロジと前記エレクトロルミネッセンス光の強度の面内分布とを比較する手順と、
   をコンピュータに実行させるための半導体積層物の観察プログラム。