電荷キャリア濃度測定（テラヘルツ）
テラヘルツ技術による電荷キャリア濃度測定
次世代パワーエレクトロニクスのための非接触半導体特性評価
半導体デバイスの小型化、高速化、高出力化に伴い、電荷キャリア濃度や移動度といった材料特性に関する正確な知見を得ることが重要になっています。これらのパラメータは、電気自動車、再生可能エネルギーコンバータ、高電圧電子機器におけるパワーデバイスの性能、効率、信頼性を決定づけるものです。
水銀容量電圧法（mCV法）や四探針プローブ法といった従来の手法は、試料との物理的な接触を必要とします。これらの手法は長い時間がかかり、試料を破壊してしまうリスクが大きく、汚染の影響を受けやすく、特に炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）といった高純度材料では大きな問題となります。
テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）は、この状況を一変させます。THz-TDSは、電極や表面処理を必要とせず、常温でウェハ上に直接、非接触、高速、空間分解能で電荷キャリア密度と移動度を測定することを可能にします。
反射光学系におけるテラヘルツ時間領域分光法
テラヘルツ時間領域分光法 (THz-TDS)では、広帯域テラヘルツパルスが半導体とどのように相互作用するかを測定します。THzパルスが表面に衝突すると、パルスの一部は各内部界面で反射し、材料内のフリーキャリアによって変調されます。
これらの反射信号から、振幅と位相の両方を解析することで、電気伝導率、プラズマ周波数、そして最終的には電荷キャリア濃度（N）を抽出できます。基礎となるモデルは、材料の誘電応答と電荷キャリアの密度および移動度を関連付けるDrudeモデルに基づいています。
測定された反射波形とシミュレーションされた反射波形を比較することで、エピ層とバッファ層の両方の電荷キャリア濃度を同時に測定できます。この独自の機能により、エピ層のドーピング濃度が3桁も異なる場合でも、4H-SiCなどの半導体ウェーハのフルスタック特性評価が可能になります（J. Hennig et al., Opt. Express 33:22 (2025) 45828）。
なぜTHzなのか？非接触、高速、定量的
従来の電気的手法とは異なり、THz分光法は電極や化学的・物理的接触を必要としません。測定サンプルは清浄な状態を保ち、汚染や表面損傷を回避できます。
さらに重要なのはTHz-TDSは深さ方向の感度の高い情報を提供し、可視光および赤外光を透過しない多層膜を透過してプローブを作製できることです。
主な利点：
- 非接触測定：物理的接触、化学残留物除去、サンプル前処理は不要です。
- 同時層評価：エピ層と基板の両方の特性を1ステップで評価できます。
- 広いダイナミックレンジ：数桁にわたるキャリア濃度を検出できます。
- 高い空間分解能：サブミリメートルの精度でウェーハ全体をマッピングできます。
- 非破壊：生産ラインの生産品質管理と研究向け計測の両方に適しています。
高速ECOPS法：産業レベルスループットの実現
産業用半導体の生産環境では、測定速度と堅牢性は精度と同様に重要です。電子制御光サンプリング（Electronically Controlled Optical Sampling : ECOPS）は、まさにこの点でTHz計測に革命をもたらしました。
TOPTICA社のTeraFlash SmartなどのECOPSベースのTHzシステムは、kHzのサンプリング速度で完全なTHz時間領域波形を取得します。これにより、ウェーハ全体の高速スキャンが可能になります。
電荷キャリアマッピングにおける高速ECOPSの利点：
- 接触ベースの方法よりも高速で、mCV法の最大200倍の測定時間を実現します。
- 音響ノイズや機械的振動の影響を受けにくく、高速サンプリングにより外乱を「凍結」し、産業環境において安定した結果を保証します。
- 数千点を数分で測定するリアルタイムのウェーハマッピング。
フラウンホーファー産業数学研究所（ITWM）、フラウンホーファー集積システム・デバイス技術研究所（IISB）、フライベルク工科大学、フライベルク・インストゥルメンツ社、そしてトプティカフォトニクス社の共同研究により、SiCウェハー全体を70分以内で17,000点以上のデータポイントでマッピングすることに成功しました。これは、mCVを用いた場合のわずか25点のマッピングに要した20分を大幅に上回る成果です。結果はTHz波から得られたキャリア密度とmCV基準測定値の間に良好な一致があることを示しました。
従来法との比較
| Feature | THz-TDS (with ECOPS) | 水銀容量電圧法（mCV法）/ 四探針プローブ法 |
|---|---|---|
| 接触の必要性 | なし | あり |
| 試料の事前準備 | 不要 | 表面研磨 / クリーニング |
| 測定時間 | 1ポイントあたりミリ秒～秒 | 1ポイントあたり数分 |
| 汚染リスク | なし | 水銀の残留または汚染 |
| 空間マッピング | フルウェハ (X-Y スキャン) | 局所(ポイントレベル) |
| 多層膜への対応性 | 高 (エピ + サブストレート) | 低 |
| オペレーション環境 | 通常環境 | 制御されたラボ環境 |
| 自動化への拡張性 | 高 | 低 |
Conclusion
SiCをはじめとするワイドバンドギャップ半導体への移行には、材料の複雑さと生産速度に適合した新たな計測ツールが不可欠です。テラヘルツ時間領域分光法(THz-TDS)は、このニーズを満たす最適な技術であり、非接触、広帯域、高速の電荷キャリア濃度とウェーハ均一性測定を実現します。
TOPTICA社のTeraFlash smartのようなECOPSベースのテラヘルツシステムを用いることで、かつては数時間かかっていたウェーハマッピングが数分で完了します。その結果、高精度で汚染のない、産業的に実現可能な半導体検査が可能になり、将来の高効率パワーデバイスへの道が大きく開かれます。
Application Notes
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Probing electric properties with terahertz radiation
Dr. Anselm Deninger, Probing electric properties with terahertz radiation