JP2008218957A - 電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置及びその検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来、サンプル中における電荷分布の変化自体を直接的に観察することはできなかった。
【解決手段】 電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置１００であって、ペンタセンＦＥＴ５０に基本波を照射する照射部１と、ペンタセンＦＥＴ５０における電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部１５と、第１信号に基づき前記照射部よりペンタセンＦＥＴ５０に前記基本波を照射させ、第２信号に基づきペンタセンＦＥＴ５０に電圧を印加する制御信号出力部３０と、を備え、制御信号出力部３０は、前記第１信号の出力時点と前記第２信号の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成される。
【選択図】 図１
Description
本発明は、電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置及びその検出方法に関する。
電子工学の分野においては、物体中でのキャリアの動的特性を明らかにすることが非常に重要である。昨今から、キャリアの動的特性を評価する各種の手法（例えば、後述するＴＯＦ法）が開発されている。
また、近年においては、有機ＦＥＴ（Field Effect Transistor））等に代表されるような有機材料を活用した電子デバイス（有機電子デバイス）が特に注目を集めている。有機電子デバイスは可撓性を有するなど通常の電子デバイスとは異なる特性を有するからである。このような有機電子デバイスにおいても、キャリアの動的特性を評価することはデバイス等の開発を進めるうえで非常に重要である。なお、キャリアの動的特性とは、キャリアの注入(Injection)、キャリアの蓄積(Accumulation)、キャリアの輸送(Transport)といった諸特性を示す。
ここで、キャリアの動的な特性（特に、キャリアの移動度）を評価する手法の１つであるＴＯＦ（Time Of Flight）法について説明する。
図１２に、ＴＯＦ法を説明するための説明図を示す。図１２に示すように、ＴＯＦ法では、電源Ｅ１を用いて、一対の電極２００、２０１に挟持されたサンプル２０３に電圧を印加する。サンプルに電圧が印加された時点にあわせて、電極２００側からレーザ光をサンプル２０３に照射する。レーザ光が照射されることによって、サンプル２０３の電極２００近傍には電子が生成される。生成された電子は、電界に従って、電極２０１に向かって進む。そして、電極２０１に接続された電流計２０２によって、電極２０１−グランド間の電流量が測定される。なお、電極２００は、レーザ光に対して透明な電極である。このような構成を前提として、ＴＯＦ法では、まず、測定した電流波形から電極間のキャリアの移動時間を求め、求めたキャリアの移動時間と設定済みの電極間距離に基づいてキャリアの移動度を求める。なお、ＴＯＦ法に用いられる装置は、特許文献１に記載されている。
特開２００６−１３５１２５号公報
ＴＯＦ法では測定した電流量に基づいてキャリアの動的特性を求めている。しかしながら、ＴＯＦ法では、電極２０１とグランド間に流れる電流を測定しているにすぎず、サンプル２０３中における電荷分布自体を観察することはできない。ＴＯＦ法で測定された電流波形に基づいて数学的な手法によりサンプル２０３中での電荷分布の変化を推定することも可能であるが、あくまで推定することに留まり、サンプル２０３中における電荷の分布の変化自体を直接的に観察することはできない。
またＴＯＦ法の原理は、電極２００と２０１の間にパルス電圧やステップ電圧などを加えることによって観測される電流波形からサンプル２０３中を移動する電荷（正孔、電子）の様子を推定する場合にも用いることができる。しかし、正の電荷分布が電極２００から２０１へ移動する場合の波形は、同じ速度と分布で負の電荷が電極２０１から２００へ移動するとした場合に得られる波形と全く同じであることから、サンプル２０３中を正の電荷が移動するのか負の電荷が移動するのか決定することができない。これはＴＯＦ法では、電荷分布の変化自体を直接的に観測できないためである。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置及びその検出方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる検出装置は、観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置であって、前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、前記観察対象物における電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、第１信号に基づき前記照射部より前記観察対象物に前記基本波を照射させ、第２信号に基づき前記観察対象物に電圧を印加する制御信号出力部と、を備え、前記制御信号出力部は、前記第１信号の出力時点と前記第２信号の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成される。
前記検出部は、前記第２信号の出力時点と前記第１信号の出力時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波を検出する、と良い。
前記制御信号出力部は、前記第２信号の出力後に、前記第１信号を出力する、と良い。
前記観察対象物は、電極間に有機材料が配置された電子デバイスである、と良い。
前記有機材料は、テトラセン、フタロシアニン、ポリジアセチレン、ペンタセン、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポルフィリン、フラーレン、ルブレン、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリスチレンスルフォン酸、フルオレン、トリフェニルアミン、ジアミン、アルミキノリノール錯体(Alq3)、ナフチルフェニレンジアミンのうち少なくともいずれか１つである、と良い。
前記制御信号出力部は、共通のパルス発振器から出力されたパルス信号に基づいて前記第１信号及び前記第２信号を生成する、と良い。
前記高次高調波を通過させ、前記基本波を遮断するフィルタが、前記観察対象物と前記検出部との間に配置されている、と良い。
前記基本波を前記観察対象物上に集光させる対物レンズと、前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置を変更するステージと、をさらに備え、前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置は、時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波が前記検出部で検出された後、前記ステージによって変更される、と良い。
前記基本波は、所定幅のパルス光である、と良い。
本発明にかかる検出装置は、観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置であって、前記観察対象物に照射される基本波を出射する光源と、前記観察対象物における電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、前記観察対象物への前記基本波の進行を制御するスイッチ部と、第１信号に基づき前記スイッチ部に前記基本波を進行させ、第２信号に基づき前記観察対象物に電圧を印加する制御信号出力部と、を備え、前記制御信号出力部は、前記第１信号の出力時点と前記第２信号の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成される。
前記スイッチ部は、前記第１信号の入力に基づいて前記基本波に対して実質的に透明となる電気光学素子である、と良い。
前記光源は、レーザ発振器であって、前記スイッチ部は、前記レーザ発振器の共振器内に配置される、と良い。
前記高次高調波を通過させ、前記基本波を遮断するフィルタが、前記観察対象物と前記検出部との間に配置されている、と良い。
前記基本波を前記観察対象物上に集光させる対物レンズと、前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置を変更するステージと、をさらに備え、前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置は、時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波が前記検出部で検出された後、前記ステージによって変更される、と良い。
前記基本波は、所定幅のパルス光である、と良い。
本発明にかかる検出方法は、観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出方法であって、前記観察対象物に基本波を照射し、前記観察対象物に電圧を印加し、前記観察対象物への前記基本波の照射時点と前記観察対象物への電圧の印加時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波を検出する。
本発明にかかる検出方法は、観察対象物における電界分布又はキャリア分布の変化を検出する検出方法であって、前記観察対象物に電圧を印加し、前記観察対象物の第１領域に基本波を照射し、前記基本波の照射により前記観察対象物で生成される高次高調波を検出する第１ステップを、前記観察対象物に電圧が印加される第１時点と前記基本波が前記観察対象物に照射される第２時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で実行し、前記観察対象物に電圧を印加し、前記観察対象物の前記第１領域とは異なる第２領域に前記基本波を照射し、前記基本波の照射により前記観察対象物で生成される高次高調波を検出する第２ステップを、前記観察対象物に電圧が印加される第１時点と前記基本波が前記観察対象物に照射される第２時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で実行する。
前記基本波は所定幅のパルス光であって、前記第１時点は前記第２時点よりも前の時点である、と良い。
電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置及びその検出方法を提供することができる。
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。尚、図面は簡略的なものであって、示された構成要素の正確な大きさ等を示すものではない。また、図面に基づいて、本発明の技術的範囲を狭めるように解釈してはならない。また、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視して用いることを前提とする。
〔第１の実施の形態〕
以下、図１乃至図１１を用いて、第１の実施の形態について説明する。図１は、電界分布又はキャリア分布の観察に用いられる２次高調波（高次高調波）の検出装置（以下、単にＳＨＧ（Second-Harmonics Generation）強度分布取得装置１００と呼ぶ）の概略的な構成図である。図２は、制御信号出力部３０の構成について説明するための模式図である。図３は、制御信号出力部３０による制御を説明するための概略的なタイミングチャートである。図４は、電界分布又はキャリア分布の観察方法を説明するための概略的なフローチャートである。図５は、ペンタセンＦＥＴ５０の付近を拡大した概略的な模式図である。図６は、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加される時点に対してペンタセン層８にレーザ光が照射される時点を変更することの概略的な説明図である。図７は、２次高調波の発生メカニズムの説明図である。図８及び図９は、ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いた測定結果を示す説明図である。図１０は、ペンタセンＦＥＴ５０がオン状態となったときのシミュレーション結果を示す説明図である。図１１は、ペンタセンＦＥＴ５０のバリエーションを示す模式図である。
以下、図１乃至図１１を用いて、第１の実施の形態について説明する。図１は、電界分布又はキャリア分布の観察に用いられる２次高調波（高次高調波）の検出装置（以下、単にＳＨＧ（Second-Harmonics Generation）強度分布取得装置１００と呼ぶ）の概略的な構成図である。図２は、制御信号出力部３０の構成について説明するための模式図である。図３は、制御信号出力部３０による制御を説明するための概略的なタイミングチャートである。図４は、電界分布又はキャリア分布の観察方法を説明するための概略的なフローチャートである。図５は、ペンタセンＦＥＴ５０の付近を拡大した概略的な模式図である。図６は、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加される時点に対してペンタセン層８にレーザ光が照射される時点を変更することの概略的な説明図である。図７は、２次高調波の発生メカニズムの説明図である。図８及び図９は、ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いた測定結果を示す説明図である。図１０は、ペンタセンＦＥＴ５０がオン状態となったときのシミュレーション結果を示す説明図である。図１１は、ペンタセンＦＥＴ５０のバリエーションを示す模式図である。
図１に示すように、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レーザ発振器（光源）１、波長変換器２、ミラーＲＭ、減衰フィルタ３、偏光板４、ハイパスフィルタ５、ハーフミラーＨＭ１、対物レンズＯＬを有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、ペンタセンＦＥＴ（観察対象物）５０が載置されるステージ１１を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、ハーフミラーＨＭ２、ハイカットフィルタ１２、偏光板１３、バンドパスフィルタ１４、光電子増倍管（検出部）１５を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レンズ１７、撮像装置１８を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、制御信号出力部３０、処理部１６を有する。
ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レーザ発振器１によって励起される波長変換器２からレーザ光（基本波）をペンタセンＦＥＴ５０に照射し、ペンタセンＦＥＴ５０にて生成された２次高調波を光電子増倍管１５で検出する。後述の説明から明らかになるが、制御信号出力部３０は、ペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６にパルス信号Ｓ２を出力する時点と、スイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３を出力する時点とを制御する。これによって、ペンタセンＦＥＴ５０に電圧が実際に印加される時点（第１時点（電圧印加時点））とペンタセンＦＥＴ５０にレーザ光が照射される時点（第２時点（レーザ照射時点））とが変更可能とされる。なお、スイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３を出力する時点後に、レーザ発振器１からレーザ光が出力される。
ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いて、ペンタセンＦＥＴ５０に形成されうるチャネル（キャリアの移動通路）の複数個所ごとに、上述の電圧印加時点−レーザ照射時点間の時間間隔が異なる複数の条件について、２次高調波の強度分布を測定する。これによって、ペンタセンＦＥＴ５０のチャネルにおける電界分布又はキャリア分布の推移を観察することができる。なお、この点は、後述の説明から明らかになる。
以下、図１を参照して、ＳＨＧ強度分布取得装置１００の構成について説明する。
レーザ発振器１は、フラッシュランプ（励起光源）１９、ロッド２０、スイッチ素子（スイッチ部）２１、反射ミラーＭ１、Ｍ２、ＴＨＧ（Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎａｒａｔｉｏｎ）結晶２２を有する。レーザ発振器１は、いわゆる固体レーザ装置であって、Ｑスイッチ動作し、所定のパルス幅のレーザ光（基本光若しくは基本波）を出力する。レーザ発振器１からは、３５５ｎｍの波長のレーザ光が出力される。レーザ発振器１は、光源であるとともに、照射部として機能する。
フラッシュランプ１９は、ポンピング用の励起光源である。ロッド２０は、Ｎｄ：ＹＡＧ（レーザ媒質）がドープされた母体である。ロッド２０の一方には反射ミラーＭ１が配置され、ロッド２０の他方には反射ミラーＭ２が配置される。ロッド２０、反射ミラーＭ１、Ｍ２により、共振器が構成される。スイッチ素子２１は、ロッド２０と反射ミラーＭ１との間に配置される。
フラッシュランプ１９は、制御信号出力部３０からハイレベルのパルス信号（制御信号）Ｓ１が入力されたとき励起光を出力する。ロッド２０にドープされたＮｄ：ＹＡＧは、フラッシュランプ１９からポンピングされる励起光により励起状態となる。Ｎｄ：ＹＡＧは、励起状態から基底状態に変化するときに光を放出する。ロッド２０からの出射光は、反射ミラーＭ１と反射ミラーＭ２との間で共振し、励起状態にあるＮｄ：ＹＡＧは誘導放出される。なお、半導体レーザを励起光源として用いても良い。
スイッチ素子２１は、いわゆる電気光学結晶であって、電圧印加時に、レーザ光（１０６４ｎｍ）に対する透明度が高くなる。つまり、スイッチ素子２１は、電圧印加時にレーザ光に対して透明となり、電圧無印加時にレーザ光に対して不透明となる。ここでは、制御信号出力部３０からのパルス信号（制御信号）Ｓ３がハイレベルの間、スイッチ素子２１はレーザ光に対する透明度が高くなる。スイッチ素子２１を制御することによって、レーザ発振器１は、所定のパルス幅のレーザ光（基本光又は基本波）を出力する。換言すると、スイッチ素子２１は、ペンタセンＦＥＴ５０へのレーザ光の進行を制御するスイッチ部として機能する。なお、ここでは、電気光学素子を用いて、Ｑスイッチ動作を実現しているが、他の構成を採用してＱスイッチ動作するレーザ発振器を実現しても良い。例えば、反射ミラーＭ１の角度を調整することで、Ｑスイッチ動作を実現しても良い。この場合には、反射ミラーがスイッチ部として機能する。
波長変換器２は、光学結晶を用いて、レーザ発振器１からの出射されたレーザ光の波長を変換する。ここでは、レーザ発振器１から出力されたレーザ光は、波長３５５ｎｍから波長１１２０ｎｍに変換される。
波長変換器２と減衰フィルタ３との間の反射ミラーＲＭは、波長変換器２から出力されたレーザ光を減衰フィルタ３に向けて進行させる。
減衰フィルタ３は、レーザ光の強度を調整するための部材（光強度減衰部材）である。観察対象物であるペンタセンＦＥＴ５０は、有機デバイスである。従って、ペンタセン層８自体が照射されるレーザ光によって物理的に破壊されないようにレーザ光の強度を減衰させている。
偏光板４は、所定の振動方向のレーザ光のみを通過させる。すなわち、ペンタセンＦＥＴ５０に照射されるレーザ光の偏光成分の品質を高めている。ハイパスフィルタ５は、所定波長以上の光のみを通過させる。すなわち、ここでは、波長１１２０ｎｍの光を通過させ、波長７１０ｎｍ以下の光を遮断する。ハイパスフィルタ５と対物レンズＯＬとの間のハーフミラーＨＭ１は、ハイパスフィルタ５を通過したレーザ光の５０％を対物レンズＯＬに向けて進行させる。対物レンズＯＬは、レーザ発振器１からのレーザ光をペンタセンＦＥＴ５０の所定箇所（図５の単位領域Ｐ１）に集光する。
なお、上述の対物レンズＯＬは、ペンタセンＦＥＴ５０から放出された２次高調波を採光する。また、上述のハーフミラーＨＭ１は、ペンタセンＦＥＴ５０から放出された２次高調波の５０％を通過させる。
ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１を通過した光の５０％をハイカットフィルタ１２に出力する。ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１を通過した光の５０％の光を撮像装置１８に出力する。
ハイカットフィルタ１２は、波長８００ｎｍ以上の光を遮断する。ハイカットフィルタ１２は、ペンタセンＦＥＴ５０で反射されたレーザ光をカットし、反射されたレーザ光（波長：１１２０ｎｍ）が光電子増倍管１５に入力されないようにする。
偏光板１３は、所定の振動方向の２次高調波のみを通過させる。すなわち、光電子増倍管１５に入力される２次高調波の偏光品質を高めている。
バンドパスフィルタ１４は、２次高調波（波長：５６０ｎｍ）付近の帯域の光のみを通過させるフィルタである。ここでは、波長５５５ｎｍ〜波長５６５ｎｍを通過させる。
光電子増倍管１５は、入射された２次高調波を光電変換する。光電子増倍管１５は、処理部１６に接続され、２次高調波の光量に応じた電気信号を処理部１６に出力する。
レンズ１７は、ハーフミラーＨＭ２から入力される像を撮像装置１８に結像する。撮像装置１８は、一般的なカメラ（ＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ）である。撮像装置１８は、処理部１６に接続され、画像信号を処理部１６に出力する。
制御信号出力部３０は、フラッシュランプ１９、スイッチ素子２１、ペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６に接続される。制御信号出力部３０は、フラッシュランプ１９にパルス信号Ｓ１を出力し、ペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６にパルス信号Ｓ２を出力し、スイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３を出力する。
処理部３０は、撮像装置１８、ステージ１１に接続される。制御信号出力部３０と処理部１６とは、相互に連絡可能に構成され、各種信号の受発信が実行される。
尚、図１に示すように、観察対象物としてステージ１１上に載置されたペンタセンＦＥＴ５０は、ソース電極６、ドレイン電極７、ペンタセン層（有機半導体層）８、絶縁層９、ゲート電極１０を有する。ペンタセンＦＥＴ５０は、いわゆる有機ＦＥＴ（有機デバイス）であって、有機材料としてペンタセンを用いている。ここでは、ソース電極６を電源側（第１電源）に接続し、ドレイン電極７、ゲート電極１０を接地側（第２電源）に接続させている。また、ペンタセン層８の上面の所定箇所には、波長変換器２からのレーザ光が対物レンズＯＬによって集光される。なお、有機材料は、ペンタセンのほか、テトラセン、フタロシアニン、ポリジアセチレン、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポルフィリン、フラーレン、ルブレン、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリスチレンスルフォン酸、フルオレン、トリフェニルアミン、ジアミン、アルミキノリノール錯体(Alq3)、ナフチルフェニレンジアミンであっても良い。
ペンタセンＦＥＴ５０は、例えば、次のように製造される。通常の薄膜形成技術によって、絶縁層（例えば、ＳｉＯ２層）９の上面にペンタセン層８を形成する。また、通常の半導体プロセス技術（例えば、通常の薄膜形成技術の１つである蒸着法）によって、互いに離間する一対の上部電極（ソース電極６、ドレイン電極７）をペンタセン層８上に形成する。また、絶縁層９の下面には、通常の半導体プロセス技術によって、下部電極（ゲート電極１０）形成する。なお、ここでは、上部電極、下部電極を金（Ａｕ）で形成している。但し、上部電極、下部電極は、いわゆる透明電極であっても構わない。
図２を参照して、制御信号出力部３０の構成について説明する。図２に示すように、制御信号出力部３０は、パルス発振器３１、遅延回路（第１遅延回路）３２、遅延回路（第２遅延回路）３３、パルス発振器３４を有する。パルス発振器３１、遅延回路３２、遅延回路３３には、処理部１６から所定の信号が入力される。処理部１６からのスタート信号により、パルス発振器３１はパルス信号（電圧信号）を出力する。遅延回路３２における遅延量及び遅延回路３３における遅延量は、処理部１６からの遅延量設定信号に基づいて設定される。
図２から明らかなように、制御信号出力部３０からフラッシュランプ１９には、パルス発振器３１から出力されたパルス信号（パルス信号Ｓ１）が入力される。また、制御信号出力部３０からペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６は、パルス発振器３１から出力され、遅延回路３２で遅延されたパルス信号に基づいてパルス発振器３４が新たに生成したパルス信号（パルス信号Ｓ２）が出力される。なお、パルス発振器３４の出力パルス幅は可変である。また、制御信号出力部３０からスイッチ素子２１には、パルス発振器３１から出力され、遅延回路３２と遅延回路３３とで遅延されたパルス信号（パルス信号Ｓ３）が入力される。
遅延回路３２の遅延量、遅延回路３３の遅延量は、任意の値に設定される。これにより、パルス信号Ｓ２の出力時点、パルス信号Ｓ３の出力時点が制御され、パルス信号Ｓ１−パルス信号Ｓ２間の出力間隔、パルス信号Ｓ２−パルス信号Ｓ３間の出力間隔が調整される。換言すると、制御信号出力部３０は、パルス信号Ｓ２をペンタセンＦＥＴのソース電極６に出力する時点と、パルス信号Ｓ３をスイッチ素子２１に出力する時点との間の時間間隔を変更可能に構成される。尚、上述の遅延回路における遅延量の変更は、具体的には、遅延回路内のバッファ段数を変更すること等で実現できる。
制御信号出力部３０は、遅延回路３２における遅延量を変化させることによって、パルス信号Ｓ１に対するパルス信号Ｓ２の遅延時間およびパルス信号Ｓ１に対するパルス信号Ｓ３の遅延時間を変更することができる。また、制御信号出力部３０は、遅延回路３３における遅延量を変化させることによって、パルス信号Ｓ２に対するパルス信号Ｓ３の遅延時間を変更することができる。
ここで、図３及び図１を相互に参照しながら、ＳＨＧ強度分布取得装置１００の動作の概要について説明する。
図３に示すように、時刻ｔ１にて、制御信号出力部３０からフラッシュランプ１９にパルス信号Ｓ１が出力される。そして、フラッシュランプはオン状態、すなわち励起光を出力する状態となる。
次に所定時間後の時刻ｔ２にて、制御信号出力部３０からペンタセンＦＥＴ５０にパルス信号Ｓ２が出力される。そして、ペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６とドレイン電極７間に正のパルス電圧が印加される。そして、ペンタセンＦＥＴ５０はオン状態となる。
次に、時刻ｔ３にて、制御信号出力部３０からスイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３が出力される。そして、スイッチ素子２１は、パルス信号Ｓ３のパルス幅に対応した期間、レーザ光に対して高い透過率となる。そして、レーザ発振器１からは所定のパルス幅のレーザ光が出力される。ここでは、レーザ発振器１から出力されるレーザ光のパルス幅は１０ｎｓ以下に設定される。なお、使用するレーザ発振器１の性能によっては、出力されるレーザ光のパルス幅をｆｓレベルに設定することも可能である。
図１に示すように、レーザ発振器１から出力されたレーザ光は、波長変換器２に入力される。波長変換器２では、入力されたレーザ光は、波長変換され、反射ミラーＲＭに出力される。反射ミラーＲＭは、入力されたレーザ光の進行方向を変更する。そして、反射ミラーＲＭで反射されたレーザ光は、減衰フィルタ３に入力される。減衰フィルタ３では、レーザ光の強度が弱められる。減衰フィルタ３から出力されたレーザ光は、偏光板４に入力される。偏光板４では、特定の振動方向の光のみが抽出される。偏光板４から出力されたレーザ光は、ハイパスフィルタ５に入力される。ハイパスフィルタ５では、波長７１０ｎｍ以下の光は遮断される（波長１１２０ｎｍのレーザ光は通過する）。ハイパスフィルタ５から出力されたレーザ光は、ハーフミラーＨＭ１に入力される。そして、ハーフミラーＨＭ１から出力されたレーザ光は、対物レンズＯＬを介して、ペンタセンＦＥＴ５０の所定箇所に集光される。
ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加されているとき、ペンタセンＦＥＴ５０のペンタセン層８の所定箇所には１０ｎｓ以下のパルス幅のレーザ光が照射され、ペンタセン層８の所定箇所には２次高調波（２次高調波光）が生成される。
図１に示すように、ペンタセン層８で生成された２次高調波は、対物レンズＯＬ、ハーフミラーＨＭ１、ハーフミラーＨＭ２を介して、ハイカットフィルタ１２に入力される。ハイカットフィルタ１２では、８００ｎｍよりも長波長の光の通過が禁止される。端的には、ハイカットフィルタ１２は、レーザ発振器１から出力され、ペンタセン層８で反射されたレーザ光の通過を禁止する。ハイカットフィルタ１２から出力された２次高調波は、バンドパスフィルタ１４に入力される。バンドパスフィルタ１４では、２次高調波が通過される。そして、バンドパスフィルタ１４から出力された２次高調波は、光電子増倍管１５に入力される。光電子増倍管１５は、受光した２次高調波を光電変換し、受光した２次高調波の光量に応じた電気信号を処理部１６に出力する。ＳＨＧ強度分布取得装置１００の動作の概要は、上述のとおりである。
ここで、図４乃至図６を用いて、ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いて、観察対象物であるペンタセンＦＥＴ５０の電界分布又はキャリア分布を観察する手順について説明する。
図４のＳ１にて、ステージを移動し、ペンタセンＦＥＴ５０を所定の位置にセットする。ここでは、図５に示すように、対物レンズＯＬで集光されたレーザ光のスポットが単位領域Ｐ１に配置されるように設定する。具体的には、ペンタセンＦＥＴ５０がスタート位置に配置されるように、撮像装置１８が取得した像に基づいて処理部１６はステージ１１を操作する。なお、単位領域Ｐ１は、レーザ光のスポットが形成される領域に対応する。
次に、図４のＳ２にて、遅延時間を設定する。ここでは、図６に示すように、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加される時点ｔ１に対してペンタセン層８にレーザ光が照射される時点をずらした複数の測定条件を設定する。まず、レーザ光がペンタセン層８に時刻ｔ２にて照射される測定条件（第１測定条件）を設定する。尚、ｔ２は、ｔ１よりも０．１μｓ遅延した時点である。なお、電圧印加時点に対するレーザ光照射時点の遅延時間は、遅延回路３２、遅延回路３３の遅延量を所定値に設定することで設定される。
次に、図４のＳ３にて、実際に、単位領域Ｐ１で１回目の測定を実行する。これによって、単位領域Ｐ１における時点ｔ２の２次高調波の強度が測定される。なお、Ｓ３では、６０回程度の測定を実行し、その平均値を求めるものとする。
次に、図４のＳ４にて、設定したすべての測定条件が終了したのかを判断する。ここでは、２回目以降の測定条件が実行されていないため、再び遅延時間の設定のステップＳ２に戻る。尚、ここでは、単位領域Ｐ１で、第１測定条件〜第６測定条件まで計６回の測定を行うものとする。
ループ後のＳ２では、図６に示すように、レーザ光がペンタセン層８に時刻ｔ３にて照射される測定条件（第２測定条件）を設定する。尚、ｔ３は、ｔ２よりも０．１μｓ遅延した時点である。そして、Ｓ３、Ｓ４を上述のように実行する。なお、電圧印加時点に対するレーザ光照射時点の遅延時間の設定方法は、上述と同様である。
次のループ後のＳ２では、図６に示すように、レーザ光がペンタセン層８に時刻ｔ４にて照射される測定条件（第３測定条件）を設定する。尚、ｔ４は、ｔ３よりも０．１μｓ遅延した時点である。そして、Ｓ３、Ｓ４を上述のように実行する。
次のループ後のＳ２では、図６に示すように、レーザ光がペンタセン層８に時刻ｔ５にて照射される測定条件（第４測定条件）を設定する。尚、ｔ５は、ｔ４よりも０．１μｓ遅延した時点である。そして、Ｓ３、Ｓ４を上述のように実行する。
次のループ後のＳ２では、図６に示すように、レーザ光がペンタセン層８に時刻ｔ６にて照射される測定条件（第５測定条件）を設定する。尚、ｔ６は、ｔ５よりも０．１μｓ遅延した時点である。そして、Ｓ３、Ｓ４を上述のように実行する。
次のループ後のＳ２では、図６に示すように、レーザ光がペンタセン層８に時刻ｔ７にて照射される測定条件（第６測定条件）を設定する。尚、ｔ７は、ｔ６よりも０．１μｓ遅延した時点である。そして、Ｓ３を上述のように実行する。今回のループ時のＳ４では、すべての測定条件が実行されたと判断される。
なお、処理部１６は、２回目のＳ２にて、１回目の測定後の遅延回路３３の遅延量を増加させる。また、処理部１６は、３回目のＳ２にて、２回目の測定後の遅延回路３３の遅延量を増加させる。４回目以降の測定においても同様である。このようにして、スイッチ素子２１に電圧が印加される時点を遅らすことによって、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加される時点ｔ１に対してペンタセン層８にレーザ光が照射される時点をずらした測定条件を設定することができる。なお、このような条件設定は、処理部１６に格納されたプログラムに実行されるとよい。
図４のＳ５では、すべての単位領域で測定が実行されたのか判断される。ここでは、単位領域Ｐ１の測定のみしか終わっていない。従って、図４のＳ１に戻り、ステージ１１の移動が実行される。すなわち、ステージ１１の移動によって、図５に模式的に示すように、ペンタセンＦＥＴ５０は右方向に移動される。そして、図５に模式的に示すように、対物レンズＯＬの焦点は、単位領域Ｐ１から単位領域Ｐ２に移動される。なお、単位領域Ｐ１と単位領域Ｐ２との間の間隔は、例えば、５μｍ程度に設定される。
単位領域Ｐ２においても、上述と同様の測定を実行する。図５の単位領域Ｐ２よりも左側に設定される単位領域についても同様である。このようにして、ペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６とドレイン電極７との間に形成され得るチャネルにおける異なる時点ごとの電界分布又はキャリア分布情報が取得される。
ここで、図７を参照して、２次高調波の発生メカニズムについて簡単に説明する。図７（ａ）に示すように、観察される物質における双極子モーメントがランダムであるほど、観察される２次高調波の強度（ＳＨＧ強度）は低くなる。他方、観察される物質における双極子モーメントが整っているほど、観察される２次高調波の強度（ＳＨＧ強度）は高くなる。図７（ｂ）のように、芳香環構造を含む物質においては電界Ｅ（分子に局所的に加わる電界）が強いほど、芳香環における電子雲に偏りが生じ、観察される２次高調波の強度は高くなる。２次高調波の検出は、物質における電界分布を探ることに他ならず、そのため電界の源となるキャリア分布を探ることができる。
図８、図９に、ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いた測定結果を示す。具体的には、図８、図９に、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加される時点とペンタセンＦＥＴ５０にレーザ光が照射される時点との時間間隔（時間差）が異なる複数の条件について、ペンタセンＦＥＴ５０のチャネルに沿う２次高調波の強度分布を示す。図８に、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に正の電圧を印加した場合の測定結果を示す。図９に、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に負の電圧を印加した場合の測定結果を示す。尚、図８、図９において、ソース電極６のチャネル側の端面（ソース電極６のエッジ）は１４μｍの位置にあり、ドレイン電極７のチャネル側の端面（ドレイン電極７のエッジ）は５６μｍの位置にある。
図８に矢印で模式的に示すように、ソース−ドレイン間に正の電圧を印加した場合、時間の経過に伴って、２次高調波の強度のピーク（ＳＨＧ強度のピーク）は、ソース側からドレイン側に移動している。これによって、ペンタセン層８に注入されたキャリアが、ソース電極６側からドレイン電極７側に移動していることが視覚的に理解できる。なお、ＳＨＧ強度のピークは、ソース電極６からドレイン電極７に向かって形成される後述のキャリア層７０（図１０参照）の先端部分に相当する。図８の場合、ペンタセンＦＥＴ５０をオン状態とすることができる。
図９に矢印で模式的に示すように、ソース−ドレイン間に負の電圧を印加した場合、時間の経過に伴って、ＳＨＧ強度のピークは、ソース側からドレイン側に移動していない。換言すると、ＳＨＧ強度のピークは、時間が経過しても、ソース電極付近に留まっている。これによって、ペンタセン層８に印加された負のバイアスによって、ソース電極６からペンタセン層８にキャリアが注入されていないと理解できる。
上述のように、ペンタセンＦＥＴ５０のソース−ドレイン間に電圧が印加される時点ｔ１に対してペンタセン層８にレーザ光が照射される時点をずらした複数の測定条件を設定し、設定した複数の測定条件でチャネルの複数個所において２次高調波の強度を測定する。これによって、キャリアの動的特性を光学的に観察することができる。光学的観察は電気的観察に比べて、外来ノイズに対する耐性が高い。従って、精度の高い測定を実現することができる。
ここで、図１０に、ペンタセンＦＥＴ５０がオン状態となったときのシミュレーション結果を示す。図１０（ａ）〜（ｄ）のそれぞれでは、上側にペンタセンＦＥＴ５０の概略的な断面を表す模式図を示し、下側にＳＨＧ強度分布を示す。
図１０に示すように、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の順番に従って、ペンタセン層８に形成されるキャリア層７０はソース側からドレイン側に移動する。これに伴って、ＳＨＧ強度のピーク８０も、ソース側からドレイン側に移動する。すなわち、ＳＨＧ強度のピーク位置を観察することによって、キャリアの移動状態を観察することができる。
最後に、図１１に、ペンタセンＦＥＴのバリエーションを示す。図１１に示すように、ソース電極６、ドレイン電極７が絶縁層９の直上に形成されていても良い。そして、ソース電極６、ドレイン電極７を覆うように、ペンタセン層８を形成しても良い。なお、ＳＨＧ強度分布取得装置１００の観察対象物は、有機デバイスに限定されない。通常の半導体デバイスであっても良い。
ＳＨＧ強度分布取得装置１００によれば、上述の測定結果に示すように、キャリアの動的な特性（キャリア注入、キャリアの蓄積、キャリアの輸送）を視覚的に観察することができる。当然、キャリア分布に基づいて、キャリアの移動度を算出することもできる。
また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００によれば、正負ごとのキャリア分布も、それぞれを識別して観察することができる。また、キャリアのトラップといった過程まで観察することができる。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００では、照射されるレーザ光の波長を変更する等して、多層構造の中に含まれる所定の層におけるキャリア分布のみを抽出することもできる。また、空間的なキャリア分布も測定することができる。従って、ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いて、有機デバイスをはじめとする各種のデバイスの開発を進めることは非常に有益である。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いて、有機材料における新たなキャリア輸送理論を発展させることもできる。
なお、本発明の実施の形態は、上述の実施の形態に限定されない。レーザ発振器１とペンタセンＦＥＴ５０との間に、レーザ発振器１からのレーザ光を通過又は遮断する光学素子を配置しても良い。換言すると、スイッチ部の配置箇所は、レーザ共振器１の共振器外であっても良い。ペンタセンＦＥＴ５０へのレーザ光の進行を制御する構成（スイッチ部の構成）は、スイッチ素子２１に限定されない。また、当然、スイッチ部は、電気光学結晶以外であっても良い。つまり、レーザ共振器１からのレーザ光の進行方向を、パルス信号Ｓ３に基づいて、所定の方向に設定することができる可動式ミラーであっても構わない。この場合、可動式ミラーは、パルス信号Ｓ３の入力に伴って、レーザ発信器１からのレーザ光を観察対象物に照射可能な状態とする。但し、このような場合、レーザ発振器１からレーザ光を常に出力させる必要があるため電力消費量が増大することを招いたり、複雑な光路設計をすることを招いたりしてしまう。
また、ペンタセンＦＥＴ５０のペンタセン層８における複数の単位領域に同時にレーザ光を照射するように光学系を変更し、マルチチャネルの光電子増倍管を検出部として用いても良い。
検出部としては、２次高調波に対して所定の感度を有していればよく、光電子増倍管といった微弱光用の検出部を用いる必要は必ずしもない。例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）といった汎用的な撮像装置を用いることもできる。カメラを用いて２次高調波の分布の空間的な広がりを検出することも有効である。
測定する具体的な手順は、図４のフローチャートに限らない。同一の測定条件で複数の単位領域で測定した後、測定条件を変えて、複数の単位領域を測定することもできる。一回の測定で複数の単位領域からのＳＨＧ強度を取得する場合、ステージの移動を省略することができる。
５０ ペンタセンＦＥＴ
８ ペンタセン層
１００ 強度分布取得装置
３０ 制御信号出力部
１ レーザ発振器
２ 波長変換器
３ 減衰フィルタ
４ 偏光板
５ ハイパスフィルタ
ＨＭ１ ハーフミラー
ＨＭ２ ハーフミラー
ＯＬ 対物レンズ
１１ ステージ
１２ ハイカットフィルタ
１３ 偏光板
１４ バンドパスフィルタ
１５ 光電子増倍管
１６ 処理部
１７ レンズ
１８ 撮像装置
１９ フラッシュランプ
２０ ロッド
２１ スイッチ素子
Ｍ１ 反射ミラー
Ｍ２ 反射ミラー
Ｐ１ 単位領域
Ｐ２ 単位領域
８ ペンタセン層
１００ 強度分布取得装置
３０ 制御信号出力部
１ レーザ発振器
２ 波長変換器
３ 減衰フィルタ
４ 偏光板
５ ハイパスフィルタ
ＨＭ１ ハーフミラー
ＨＭ２ ハーフミラー
ＯＬ 対物レンズ
１１ ステージ
１２ ハイカットフィルタ
１３ 偏光板
１４ バンドパスフィルタ
１５ 光電子増倍管
１６ 処理部
１７ レンズ
１８ 撮像装置
１９ フラッシュランプ
２０ ロッド
２１ スイッチ素子
Ｍ１ 反射ミラー
Ｍ２ 反射ミラー
Ｐ１ 単位領域
Ｐ２ 単位領域
Claims (18)
- 観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置であって、
前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、
前記観察対象物における電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、
第１信号に基づき前記照射部より前記観察対象物に前記基本波を照射させ、第２信号に基づき前記観察対象物に電圧を印加する制御信号出力部と、
を備え、
前記制御信号出力部は、前記第１信号の出力時点と前記第２信号の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成される、検出装置。 - 前記検出部は、前記第２信号の出力時点と前記第１信号の出力時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波を検出することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
- 前記制御信号出力部は、前記第２信号の出力後に、前記第１信号を出力することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
- 前記観察対象物は、電極間に有機材料が配置された電子デバイスであることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
- 前記有機材料は、テトラセン、フタロシアニン、ポリジアセチレン、ペンタセン、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポルフィリン、フラーレン、ルブレン、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリスチレンスルフォン酸、フルオレン、トリフェニルアミン、ジアミン、アルミキノリノール錯体(Alq3)、ナフチルフェニレンジアミンのうち少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項４記載の検出装置。
- 前記制御信号出力部は、共通のパルス発振器から出力されたパルス信号に基づいて前記第１信号及び前記第２信号を生成することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
- 前記高次高調波を通過させ、前記基本波を遮断するフィルタが、前記観察対象物と前記検出部との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
- 前記基本波を前記観察対象物上に集光させる対物レンズと、
前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置を変更するステージと、
をさらに備え、
前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置は、時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波が前記検出部で検出された後、前記ステージによって変更されることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の検出装置。 - 前記基本波は、所定幅のパルス光であることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
- 観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出装置であって、
前記観察対象物に照射される基本波を出射する光源と、
前記観察対象物における電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、
前記観察対象物への前記基本波の進行を制御するスイッチ部と、
第１信号に基づき前記スイッチ部に前記基本波を進行させ、第２信号に基づき前記観察対象物に電圧を印加する制御信号出力部と、
を備え、
前記制御信号出力部は、前記第１信号の出力時点と前記第２信号の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成される、検出装置。 - 前記スイッチ部は、前記第１信号の入力に基づいて前記基本波に対して実質的に透明となる電気光学素子であることを特徴とする請求項１０記載の検出装置。
- 前記光源は、レーザ発振器であって、
前記スイッチ部は、前記レーザ発振器の共振器内に配置されることを特徴とする請求項１０記載の検出装置。 - 前記高次高調波を通過させ、前記基本波を遮断するフィルタが、前記観察対象物と前記検出部との間に配置されていることを特徴とする請求項１０記載の検出装置。
- 前記基本波を前記観察対象物上に集光させる対物レンズと、
前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置を変更するステージと、
をさらに備え、
前記対物レンズに対する前記観察対象物の相対的な位置は、時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波が前記検出部で検出された後、前記ステージによって変更されることを特徴とすることを特徴とする請求項１０記載の検出装置。 - 前記基本波は、所定幅のパルス光であることを特徴とする請求項１０記載の検出装置。
- 観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出する検出方法であって、
前記観察対象物に基本波を照射し、
前記観察対象物に電圧を印加し、
前記観察対象物への前記基本波の照射時点と前記観察対象物への電圧の印加時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で生成される高次高調波を検出する、検出方法。 - 観察対象物における電界分布又はキャリア分布の変化を検出する検出方法であって、
前記観察対象物に電圧を印加し、前記観察対象物の第１領域に基本波を照射し、前記基本波の照射により前記観察対象物で生成される高次高調波を検出する第１ステップを、前記観察対象物に電圧が印加される第１時点と前記基本波が前記観察対象物に照射される第２時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で実行し、
前記観察対象物に電圧を印加し、前記観察対象物の前記第１領域とは異なる第２領域に前記基本波を照射し、前記基本波の照射により前記観察対象物で生成される高次高調波を検出する第２ステップを、前記観察対象物に電圧が印加される第１時点と前記基本波が前記観察対象物に照射される第２時点との間の時間間隔が異なる複数の条件で実行する、検出方法。 - 前記基本波は所定幅のパルス光であって、
前記第１時点は前記第２時点よりも前の時点であることを特徴とする請求項１７記載の検出方法。
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