JP2008065331A - 共焦点電気発光分光顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】電気発光素子の分光スペクトルと素子の機械的外形構造を同時に得ることができ、かつ高分解能の電気発光映像を得ることができる電気発光分光顕微鏡を提供する。
【解決手段】発光可能な物質を含む対象物を搭載するための支持部と、上記支持部上に搭載される対象物を電気的に発光させる電流を提供する電源供給装置と、上記支持部上に配置され上記対象物から放出される光を受光する共焦点レンズと、上記共焦点レンズの上部に配置され上記対象物から放出される光に対するエネルギー分布を得るための検出部と、上記共焦点レンズと上記検出部の間に配置され、上記対象物の目標面に形成される共焦点に対する発光信号を通過させるピンホールとを含む共焦点電気発光分光顕微鏡を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、共焦点顕微鏡に関し、より詳しくは、電気発光及び光発光する対象物から発光スペクトル及び発光分布を得ることができる共焦点電気発光分光顕微鏡に関する。

電気発光素子に対する電気発光特性を測定する装置は、電気発光素子の電気発光の強さ分布を測定する装備と、電気発光分光器とに区分されている。上記電気発光の強さ分布を測定する装置は、電気発光素子に電流を流れるようにして発光させた後、発光した光をＣＣＤを利用して検出する。一方、上記電気発光分光器は発光素子の一定地点の発光信号を分光し、その地点に対する発光スペクトルを得る。このように電気発光の強さ分布を測定する装置及び電気発光分光器は区分されており、この二つの機能が組み合わされた機器は今までなかった。

通常的に、共焦点レーザ走査顕微鏡（ｃｏｎｆｏｃａｌ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）とは点状のレーザ光源を対象物の表面に走査して透過または反射された光を集光し、その光から対象物の情報を得る顕微鏡を言う。

このような共焦点レーザ走査顕微鏡は、レーザ光源のエネルギーによって励起可能な蛍光物質で提供されたバイオ物質の情報を読み取るのに主に用いられてきた。

図１は従来の技術による電気発光映像測定装置に対する構造図である。図１を参照すると、対象物１１に電源１２を供給して上記対象物１１から発光する光を第１レンズ１３ａ及び第２レンズ１３ｂを介して電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ)１４に入射させ電気発光強さの分布映像を測定する装置が示されている。

従来の電気発光分析機器は、電気発光素子の分光スペクトルの空間的分布と素子の機械的外形構造と直接比較できない限界があり、また、図１の電気発光映像検出部では高分解能の電気発光映像を測定し難い問題点がある。

上記問題点を解決するために、本発明の目的は電気発光素子の分光スペクトルと素子の機械的外形構造を同時に得ることができ、高分解能の電気発光映像を得ることができる電気発光分光顕微鏡を提供することにある。

本発明は、発光可能な物質を含む対象物を搭載するための支持部と、上記支持部上に搭載される対象物を電気的に発光させる電流を提供する電源供給装置と、上記支持部上に配置され上記対象物から放出される光を受光する共焦点レンズと、上記共焦点レンズの上部に配置され上記対象物から放出される光に対するエネルギー分布を得るための検出部と、上記共焦点レンズと上記検出部の間に配置され上記対象物の目標面に形成される共焦点に対する発光信号を通過させるピンホールとを含む共焦点電気発光分光顕微鏡を提供する。

本発明による共焦点電気発光分光顕微鏡は、上記対象物の目標面に形成された共焦点を上記対象物の目標面に沿って移動させるための２次元移動手段をさらに含むことができる。

また、上記共焦点電気発光分光顕微鏡は上記対象物の目標面を上記対象物の厚さ方向に移動させるために上記共焦点レンズを移動させる垂直移動手段をさらに含むことができる。

好ましくは、上記共焦点電気発光分光顕微鏡は上記対象物を発光させることができるエネルギーを有する光子を提供するレーザ光源、及び上記共焦点レンズと上記ピンホールの間に位置して上記レーザ光源からのビームを上記共焦点レンズに指向させ、光子及び電流によって上記対象物から発生した光を上記ピンホールに指向させる光指向装置をさらに含むことができる。

上記光指向装置は上記レーザビームを反射させ、かつ他のエネルギーの光を透過させる２色性ビーム分配器（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）であることができる。

好ましくは、上記検出部は上記対象物から受光された光子を波長別に分散させる光学系を含む単色化装置、及び上記単色化装置から出る信号のエネルギー分布を測定することができる検出器を含むことができる。

本発明によれば、電気発光素子に対する空間分解能が優れており、発光素子の構造的情報、光発光特性、及び電気発光特性を同時に測定することができる共焦点電気発光分光顕微鏡を提供する。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図２は本発明の好ましい実施の形態による共焦点電気発光分光顕微鏡の構造図である。

図２を参照すると、本実施形態の共焦点電気発光分光顕微鏡は電源供給装置２２、支持部２１、共焦点顕微鏡部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２７、及び検出部２６ａ、２６ｂとを含む。

支持部２１の上には発光物質を含む対象物２１ａが配されている。好ましくは、上記対象物２１ａは窒化物系半導体素子であることができる。

上記対象物２１ａは上記支持部２１に単に配置されるものではなく、発光のための電源の供給を受けることができるように、電源供給装置２２と繋がる。上記電源供給装置２２は上記支持部２１に直接繋がるが、上記支持部２１と上記対象物２１ａが電気的に繋がるため、結果的に上記電源供給装置２２は上記対象物２１ａと電気的に繋がって上記対象物２１ａを電気発光させる。

上記対象物２１ａが配された支持部の上部には共焦点レンズ２４ａ、ピンホール２７、及び検出部２６ａ，２６ｂが配置され共焦点顕微鏡を構成する。

共焦点レンズ２４ａは上記対象物２１ａから放出される光を受光する。上記対象物２１ａから放出された光は上記共焦点レンズ２４ａを通過して平行光で進行し、その後集光レンズ２４ｂによって集光されピンホール２７に伝達する。

このとき、上記共焦点レンズ２４ａによって上記対象物２１ａの表面に焦点が形成される。上記ピンホール２７は上記焦点と共焦点を成す。

上記共焦点レンズ２４ａによって上記対象物２１ａの表面に形成された焦点から放出される光のみを上記検出部２６ａ，２６ｂに伝達することが好ましい。上記ピンホール２７を配置することで、上記対象物の特定点から放出される光のみを取り込むことができる共焦点顕微鏡のイメージ分解能を向上させることができる。

即ち、上記ピンホール２７は上記対象物２１ａの表面に形成された焦点から放出される光のみを通過させ、隣接した領域から放出される光は遮断する役目を果す。従って、上記対象物２１ａが高輝度で発光する場合でも望む領域のみの発光イメージを得ることができる。

上記ピンホール２７を通過した光は集光レンズ２４ｃによって集光され検出部２６ａ，２６ｂに伝達される。

上記検出部２６ａ，２６ｂは受光された光子を波長別に分散させる単色化装置２６ａと、上記波長別に分散された光の分布を測定する検出器２６ｂとで構成される。上記検出器２６ｂから検出された光分布は外部に繋がったモニターなどの表示装置に送られる。

上記単色化装置２６ａは内部にプリズムや回折格子のような分散光学系が配置されており上記ピンホール２７を通過した光を波長帯別に分散させる。

このように分散された光を検出器２６ｂで検出するが、分散された波長中一部領域を検出するように検出器２６ｂを調節すれば、上記対象物２１ａの目標面に生じた焦点領域での電気発光スペクトルを得ることができる。

図３は他の実施形態の構成図である。図３を参照すると、本実施形態による電気発光分光顕微鏡は、図２で説明された電気発光分光顕微鏡にレーザ光源３３及びＸＹ走査器３８がさらに含まれている。電源供給装置３２、支持部３１、共焦点レンズ３４ａ，ピンホール３７及び検出部３６ａ，３６ｂについては図２で既に説明したものであるので追加的な構成要素について説明する。

本実施形態では、上記共焦点レンズ３４ａによって上記対象物３１ａの表面に形成される焦点を上記対象物３１ａの表面に沿って移動させるためのＸＹ走査器３８をさらに含む。

上記ＸＹ走査器３８は測定対象物３１ａの表面で一定の軌跡に沿って上記対象物３１ａの表面をスキャニングする。このような２次元的スキャニング過程は上記ＸＹ走査器がない場合には上記対象物３１ａが搭載された支持部３１または共焦点レンズ３４ａなどの光学構造を移動させることで実現することができる。好ましくは、上記ＸＹ走査器として公知されたガルバノスキャナーを使用することができる。

このように対象物３１ａの表面をスキャニングすることによって、上記単色化装置３６ａ及び検出器３６ｂから対象物表面全体の電気発光分光イメージ及び特定地点での電気発光スペクトルを同時に得ることができる。

このような対象物の表面に沿ってスキャニングが終了した後に、対象物の深さ方向に沿って焦点を移動させ他の目標面に対する光情報を得ることができる。このような垂直移動手段は上記共焦点レンズ３４ａを上記対象物の表面に垂直方向に移動させ共焦点垂直位置を調節することによって得ることができる。

このように、一目標面における２次元的スキャニングと他の目標面を選択して追加的な２次元スキャニングする過程を繰り返すことによって、３次元的空間に対する情報解釈が可能である。特に窒化物半導体ウェーハに対する測定を実施する場合には、活性層に対して３次元的分析を実施することができ、高い３次元的分解能に基づいて全体活性層領域における発光波長を評価することができる。

本実施形態ではレーザ光源３３をさらに含む。本実施形態に採用されるレーザ光源３３は上記対象物３１ａに含まれた発光物質を励起させることができるエネルギーを有するビームを発生させることができなければならず、サブピコ秒のパルスビームを照射して単光子または多光子によって上記発光物質を励起させることができなければならない。

上記レーザ光源３３の前端にはレンズ３９ａ，３９ｂ及びピンホール３９ｃが配置されており、上記レーザ光源３３から発生するビームを光指向装置３５ａにより正確に指向させることができる。

また、本実施形態では光指向装置３５ａをさらに含む。本実施形態における上記共焦点レンズ３４ａは上記レーザ光源３３のビームを上記支持部３１の上に位置した対象物３１ａの目標面に結像させる集光部及び上記対象物３１ａから発生する光子を受光するための受光部として使用される。このような構造において目標面が対象物３１ａの厚さ方向に移動できるように上記共焦点レンズ３４ａを上下方向に移動させる垂直移動手段（図示せず）をさらに含むことができる。

本実施形態で採用される光指向装置３５ａは上記レーザ光源３３からのビームを上記共焦点レンズ３４ａに指向させると同時に、上記対象物３１ａから発生した光を上記ピンホール３７に集光させるための集光レンズ３４ｂに指向させる機能を行う。

好ましくは、上記光指向装置３５ａは２色性ビーム分配器（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）で実現することができる。上記２色性ビーム分配器は波長選択性を有し、本実施形態ではレーザ光源３３から入ってくるビームは反射させ、かつ対象物３１ａから発生した光は通過させるように配置されている。

上記ＸＹ走査器３８と共焦点レンズ３４ａの間に配置される鏡３５ｂは上記光指向装置３５ａとは異なって作動する。即ち、ＸＹ走査器３８を通過したレーザビームと上記対象物３１ａから放出される光を全て反射させ光の経路を変える役目をする。

このように、上記共焦点走査電気発光分光顕微鏡は既存のＣＣＤ方式の電気発光映像測定器に比して空間解像度を飛躍的に向上させることができ、既存の発光スペクトル装置の機能と共焦点レーザ走査蛍光顕微鏡の機能を一緒に有している独特な電気発光素子特性分析装置である。本実施形態で記述している共焦点走査電気発光分光顕微鏡を使用すれば、電気発光素子対象物の構造的形状、電気発光分布形状、電気発光スペクトル分布、光発光分布形状、光発光スペクトル分布を同時に測定、分析及び比較することができる。

図４ａ及び図４ｂは本実施形態による共焦点電気発光分光顕微鏡でＩｎＧａＮ／ＧａＮ青色ＬＥＤチップを測定した結果を示す図である。

図４ａは上記チップの全体的な電気発光分布を示す。このような画面を得るためにＧａＮ／ＧａＮ青色ＬＥＤチップを支持部上に位置させ、電源供給装置によって５ｍＡの電流を印加して上記ＬＥＤチップを電気発光させた後、ＸＹ走査器によって上記チップ表面全体をスキャンした。

上記スキャンによって得られた上記ＬＥＤチップ全体領域の発光分布を単色化装置及び検出器によって検出した。本実施例のように走査によってチップ全体領域の発光分布を得るためには単色化装置なしでも直接検出器によって検出することができる。ここでは上記検出器を上記単色化装置によって分散された波長の全体部分が検出されるように調節した。

図４ｂは図４ａに表示されたＡ、Ｂ、Ｃ地点での電気発光スペクトルを示す。上記スペクトルを得るために、上記単色化装置によって分散された光の一部波長領域のみを選択して検出するように上記検出器を調節した。

図４ｂを参照すると、Ａ地点では４５１ｎｍの波長で１４１［ａ．ｕ．］、Ｂ地点では４５５ｎｍの波長で１１０［ａ．ｕ．］、Ｃ地点では４５２ｎｍで６０［ａ．ｕ．］の最大電気発光強さを示すことが分かる。このような差は対象物の位置別電流密度の差異によって示されると考えられる。

図５ａ乃至図５ｃは従来の技術による電気発光測定装置と本実施形態による電気発光映像測定装置との差異を説明するための図である。

図５ａは、１ｍＡの電源を供給し、上記電流によって電気発光した対象物から発生する光を従来の技術による電気発光映像測定装置を利用して測定した結果である。既に対象物から発生した強い光がＬＥＤの外部まで拡散して観察されるため、ＬＥＤの形状を正確に区分し難い。

図５ｂ及び図５ｃは同一対象物に対してそれぞれ１ｍＡ及び１００ｍＡの電源を供給し、図３の実施形態を有する共焦点電気発光分光顕微鏡で上記電流によって電気発光された対象物から発生する光を共焦点スキャンして電気発光分布形状を測定した結果である。共焦点を対象物の目標面に沿って移動させるので図５ａと異なって対象物から発生する強い光の強さにもかかわらず対象物の電気発光分布形状を鮮明に分析することができる。

図６ａ乃至図６ｃは６２３ｎｍの赤色領域の色を表示する有機ＥＬ（ＯＬＥＤ） 素子を本実施形態の共焦点電気発光顕微鏡で発光特性分布を測定した図である。

図６ａはレーザ光源によって対象物を光発光させ、上記対象物の表面をＸＹ走査器でスキャンして単色化装置及び検出器を介してその構造的形状を検出した図である。

図６ｂ及び図６ｃは５ｍＡの電源を供給し、上記電流によって電気発光した対象物から発生する光をスキャンして電気発光分布形状及び上記対象物の特定地点（Ｉ）に対する電気発光スペクトルを示す図である。

上記のように、本実施形態によれば、電気発光素子対象物の構造的な形状だけでなく、電気発光分布形状、電気発光スペクトル分布などを同時に測定、分析及び比較することができる。

図７ａ乃至図７ｃはそれぞれＬＥＤチップパターン、上記チップの電気発光強さ分布、及び電極間電流密度分布を測定したグラフである。

従来では、電流拡散距離は理論的な計算に依存しなければならない分野であり、実験的確認が可能な手段が存在しなかった。本実施例では電気発光強さは電流密度と比例するという点に基づいて局所的電気発光の強さ分布を測定することによって電流密度分布を間接的に測定、評価できることを示す。

電気発光強さ分布による電流密度拡散距離測定のために本実施例では図７ａ のようにｐ−電極とｎ−電極が平行に離れているようにデザインされたテスト用チップ電極パターンを適用して作製した。

図７ｂは、上記テスト用チップに１０ｍＡの電流を通すようにし、ｐ−電極とｎ−電極の間の電気発光強さ分布映像を測定した図である。図７ｂに示すようにｐ−電極とｎ−電極の距離は１００μｍにした。ｐ−電極からｎ−電極に行くほど明るさが暗くなることが分かる。これは電気発光の強さが減少することを示す。

図７ｃはｐ−電極から距離による電気発光強さの減少傾向の測定結果を示す。ｐ−ｎ電極間の距離が遠くなるほど電気発光の強さは指数的に減少されることが分かる。

図７ｃに示す理論値は次のような関数を使用して分析した。

ここで、Ｌｓは電流拡散距離を意味する。測定した電気発光強さ減少データを上記の式を用いて定めれば電流拡散距離、Ｌｓ値を算定することができる。本実施例の場合、電流拡散距離（Ｌｓ）の値が３２４μｍと算定された。

このような方法によって無機ＬＥＤのみならず有機ＬＥＤ素子でも電流拡散をより効率的に、かつ均一にすることができる電極構造をデザインするのに有用な道具として活用できる。

本発明は、上述した実施の形態及び添付の図面によって限定されない。即ち、レーザ及び走査器の配置、反射鏡及び集光レンズなどは多様に実現できる。

上記特許請求の範囲によって権利範囲を限定しようとし、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で、多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当該技術分野の通常の知識を有する者にとって自明である。

従来の技術による電気発光分布検出部の構成図である。 一実施形態による共焦点電気発光分光顕微鏡の構造図である。 他の実施形態による共焦点電気発光分光顕微鏡の構造図である。 本実施形態の共焦点電気発光分光顕微鏡によって発光素子の電流強さ分布を示す図である。 本実施形態の共焦点電気発光分光顕微鏡によって特定の地点に対する光子エネルギーのスペクトルを測定した図である。 従来の技術による電気発光測定装置における電気発光分布形状を示す図である。 一実施形態による電気発光映像測定装置における電気発光分布形状を示す図である。 他の実施形態による電気発光映像測定装置における電気発光分布形状を示す図である。 本実施形態の共焦点電気発光分光顕微鏡によって測定した発光素子の構造的形状を示す図である。 本実施形態共焦点電気発光分光顕微鏡によって測定した発光素子の電流強さ分布を示す図である。 本実施形態の共焦点電気発光分光顕微鏡によって測定した発光素子の特定の地点におけるエネルギースペクトルを示す図である。 テスト用電極パターンを示す図である。 テスト用電極パターンに対して本実施形態共焦点電気発光分光顕微鏡を使用して測定した電気発光強さ分布を示す図である。 テスト用電極パターンに対して本実施形態の共焦点電気発光分光顕微鏡を使用して測定した電気発光強さの減少傾向のグラフを示す図である。

符号の説明

２１ 支持部
２２ 電源供給装置
２４ａ 共焦点レンズ
２６ａ 単色化装置
２６ｂ 検出器
２７ ピンホール
３３ レーザ光源
３５ａ 光指向装置
３８ ＸＹ走査器

Claims (7)

1. 発光可能な物質を含む対象物を搭載するための支持部と、
   前記支持部上に搭載される対象物を電気的に発光させる電流を提供する電源供給装置と、
   前記支持部上に配置され、前記対象物から放出される光を受光する共焦点レンズと、
   前記共焦点レンズの上部に配置され、前記対象物から放出される光に対するエネルギー分布を得るための検出部と、
   前記共焦点レンズと前記検出部の間に配置され、前記対象物の目標面に形成される共焦点に対する発光信号を通過させるピンホールと、
   を含む共焦点電気発光分光顕微鏡。
2. 前記対象物の目標面に形成された共焦点を前記対象物の目標面に沿って移動させるための２次元移動手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の共焦点電気発光分光顕微鏡。
3. 前記対象物の目標面を前記対象物の厚さ方向に移動させるために前記共焦点レンズを移動させる垂直移動手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の共焦点電気発光分光顕微鏡。
4. 前記対象物を発光させることができるエネルギーを有する光子を提供するレーザ光源をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の共焦点電気発光分光顕微鏡。
5. 前記共焦点レンズと前記ピンホールの間に位置して前記レーザ光源からのビームを前記共焦点レンズに指向させ、光子及び電流によって前記対象物から発生した光を前記ピンホールに指向させる光指向装置をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の共焦点電気発光分光顕微鏡。
6. 前記光指向装置はレーザビームを反射させ、かつ他のエネルギーの光を透過させる２色性ビーム分配器（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）であることを特徴とする、請求項５に記載の共焦点電気発光分光顕微鏡。
7. 前記検出部は、前記対象物から受光された光子を波長別に分散させる光学系を含む単色化装置、及び前記単色化装置から出る信号のエネルギー分布を測定することができる検出器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の共焦点電気発光分光顕微鏡。