JP2009216392A - スペクトルイメージング分光装置を用いたエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】エレクトロルミネッセンス素子の発光中心の深さ方向分布および面内分布を非破壊で解析可能なエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法を提供する。
【解決手段】スペクトルイメージング分光装置を用いて、解析対象のエレクトロルミネッセンス素子の素子発光面内におけるエレクトロルミネッセンススペクトルのマッピング測定を行い、エレクトロルミネッセンススペクトルマップを作成するステップと、エレクトロルミネッセンス素子の深さ方向に単一発光領域を予測して分布関数を設定し、該分布関数を構成するパラメータがエレクトロルミネッセンススペクトルの測定値を満足するように光多重干渉を考慮した計算法を用いてフィッティングを行い、発光中心の最適な素子深さ方向分布および素子面内分布を推定するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】スペクトルイメージング分光装置を用いて、解析対象のエレクトロルミネッセンス素子の素子発光面内におけるエレクトロルミネッセンススペクトルのマッピング測定を行い、エレクトロルミネッセンススペクトルマップを作成するステップと、エレクトロルミネッセンス素子の深さ方向に単一発光領域を予測して分布関数を設定し、該分布関数を構成するパラメータがエレクトロルミネッセンススペクトルの測定値を満足するように光多重干渉を考慮した計算法を用いてフィッティングを行い、発光中心の最適な素子深さ方向分布および素子面内分布を推定するステップとを含むことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、エレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法に関するものである。
エレクトロルミネッセンス（以下ELと略称することがある）素子には、有機材料を用いた有機EL素子、無機材料を用いた無機EL素子および発光ダイオードなどがある。これらの素子は発光機構に違いがあるものの、有機／無機薄膜が電極間に数100nm〜数μmで形成されており、発光中心からの発光は素子内の各界面での反射・屈折および干渉過程を経て素子外部へ放出される点は一致する。
EL素子の発光色変化や短寿命（発光強度低下）に特徴付けられる劣化機構は、未だ充分に解明されていない。そこで、原子間力顕微鏡（AFM）、電子顕微鏡（SEM・TEM）、近接場顕微鏡（SNOM）、顕微赤外（IR）分光等を用いた微小領域観測による劣化要因の特定が至急の課題とされている。しかしこれらの方法は、実素子を用いて観測できないという問題を有している。
一方で、素子劣化は電子−ホール（キャリア）の再結合領域と密接な関係があることが指摘されている。それゆえキャリア再結合領域に関する情報を得ることは重要であるが、直接観測する手法は未だ確立していない。しかし、発光中心はキャリア再結合領域およびその近傍で生じることから、発光中心分布を解析することでキャリア再結合領域を推定することが可能になる。
有機EL素子の発光中心分布推定に関しては、Inganassら（非特許文献１）の報告があるが、ここで用いられているELスペクトルデータは広域素子発光面の平均化されたものであり、微小領域の観測を反映した新規な解析手法が求められている。
J.Appl.Phys. 89(11), 5897(2001).
J.Appl.Phys. 89(11), 5897(2001).
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、エレクトロルミネッセンス素子の発光中心の深さ方向分布および面内分布を非破壊で解析可能なエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法を提供することを課題としている。
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
第１に、本発明のエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法は、スペクトルイメージング分光装置を用いて、解析対象のエレクトロルミネッセンス素子の素子発光面内におけるエレクトロルミネッセンススペクトルのマッピング測定を行い、エレクトロルミネッセンススペクトルマップを作成するステップと、エレクトロルミネッセンス素子の深さ方向に単一発光領域を予測して分布関数を設定し、該分布関数を構成するパラメータがエレクトロルミネッセンススペクトルの測定値を満足するように光多重干渉を考慮した計算法を用いてフィッティングを行い、発光中心の最適な素子深さ方向分布および素子面内分布を推定するステップとを含むことを特徴とする。
第２に、上記第１のエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法において、素子深さ方向に複数の異なる発光領域を有するエレクトロルミネッセンス素子について、エレクトロルミネッセンス素子の深さ方向に複数の異なる発光領域を予測し分布関数を設定してフィッティングを行い、発光中心の最適な素子深さ方向分布および素子面内分布を推定することを特徴とする。
本発明によれば、２次元微小領域間のELスペクトルの相違、すなわちELスペクトル変化が測定可能でありELスペクトルマップが作成できるスペクトルイメージング分光装置を用いることで、エレクトロルミネッセンス素子の発光中心の深さ方向分布および面内分布を非破壊で解析することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態における方法に用いられるスペクトルイメージング分光装置の概略構成を示した図である。このスペクトルイメージング分光装置は、ステージコントローラ９の駆動によりＸ−Ｙ方向に移動可能な自動ステージ８上に測定対象のEL素子１を設置し、素子駆動電源１０からの電圧印加によるEL素子１からの発光を、対物レンズ２を通じて発光検出系に導入するようになっている。
このスペクトルイメージング分光装置は、発光検出系として、スペクトル測定用のCCD検出器６と測定領域確認用のCCD検出器７を備えており、EL素子１からの発光は対物レンズ２を通してビームスプリッタ３で分離され、そのうち反射光は測定領域確認用のCCD検出器７に導入され、透過光は分光器スリット４に入射し分光器５により分光されてCCD検出器６に導入される。CCD検出器６はCCDコントローラ１１に接続されており、CCD検出器６による検出信号は解析用のコンピュータ１２に送信されるようになっている。
次に、このスペクトルイメージング分光装置を用いた本実施形態の解析方法について説明する。本実施形態では、素子深さ方向に単一発光領域を有する場合を例示する。
第１ステップとして、素子発光面内のELスペクトルのマッピングを行う。図１のスペクトルイメージング分光装置において、EL素子１からの発光は、対物レンズ２（a倍）およびスリット４（b（長軸長さ）×c（短軸長さ））を通して分光器５に入射される。
入射したスリット形発光面（b/a×c/a）は、長軸方向の位置情報を保持したまま分光され、CCD検出器６で検出される。CCD検出器６の画素数にも依存するが長軸方向をn分割し、結果としてn個のユニット（単位ユニット：b/(na)×c/a）のELスペクトルが同時に測定される。
さらに、c/aステップで自動ステージ８を移動させ、上記と同様の測定をm回繰り返す。この結果、n×m個のユニットのELスペクトルを得ることができる。
観察全ユニット間でのELスペクトルの相違をより明確に可視化させるため、ピーク波長・スペクトル半値幅・相対強度比（２つ以上のスペクトルピークを有する場合）等の相違により数種類に分類されたELスペクトルのライブラリを作成する。それぞれのライブラリスペクトルに任意の色を割り当てることで、どのELスペクトルが発光面のどこに存在するかが一目で確認できるようにしたELスペクトルマップを得ることができる。
第２ステップでは、上記得られた数種類のライブラリスペクトルが発光中心分布解析のために用いられる。まず、発光中心の分布関数を設定する。分布関数としてガウス関数、ローレンツ関数、一次指数関数が素子構造に応じて適用される。
それぞれの関数およびフィッティングパラメータは次式で表される。
ここで、d（発光中心位置）、w（発光中心分布広がり）がフィッティングパラメータである。
次に、光多重干渉を考慮したマックスウェル方程式（O.H.Crawford, J.Chem.Phys. 89(10), 6017(1988).）および上記の分布関数を用いることで、素子面からの計算ELスペクトルを求めることができる。
上式は発光中心を点光源とした場合の単位立体角に放出される発光強度を示し、nはポリマー発光層の屈折率、Isource(λ)は干渉の影響を受けていない物質固有の発光スペクトル、Fj (j=x,y,z：発光遷移双極子モーメントの方向) は素子内部での多重干渉項であり、ガラス裏面反射も考慮した項が[ ]に相当する。表記 Reは実数部分を、(s)および(p)は偏光成分を示している。この計算に用いる全ての材料の光学定数は、前もって分光エリプソメータやKramers-Kronig解析法等を用いて決定しておく必要がある。
また下式は、発光中心分布（f(z)）を考慮して得られる発光スペクトルを示している。
測定ライブラリスペクトルと計算ELスペクトル（数５）との平均２乗誤差が許容範囲内になるようにd、wをパラメータとして回帰解析法（たとえばLevenberg-Marquardt法）によりフィッティングが行われる。
このようにして、全てのライブラリスペクトルに対するパラメータdおよびw、すなわち深さ方向の発光中心分布を得ることができる。ELスペクトルマップ上の色の帰属ができたことで、３次元的に発光中心分布を推定することが可能になる。また、発光中心分布を立体図で描写すると分かりやすい。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は何ら上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。たとえば、上記の実施形態では素子深さ方向に単一発光領域を有する場合について説明したが、素子深さ方向に複数の発光領域を有する場合にも本発明を適用することができ、この場合には、たとえば上記ガウス関数・ローレンツ関数・一次指数関数の重ね合わせにより分布関数を推定し、複数のパラメータ（di、wi：iは1から発光領域数までの任意の整数）を上記フィッティングに従って導出することで、３次元発光中心分布の推定領域が求められる。素子深さ方向への複数の発光領域を考慮することで、多層構造EL素子の性能向上に寄与することができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
有機EL素子として、素子構造Glass/ITO/PEDOT:PSS/PFO:TFB/Ca/Alを有するものを用いた。ITO（膜厚100nm）ガラス基板上に、PEDOT:PSS（膜厚70nm）およびポリフルオレン（PFO）：フルオレン−トリフェニルアミン共重合体（TFB）ブレンドポリマー（膜厚150nm、PFO:TFB=3:2）をスピンコート法により成膜し、その後Ca/Al電極を真空蒸着により作製した。この素子を10V定電圧で駆動・発光させた。
スペクトルイメージング分光装置としてLightForm社製、PARISSを使用した。当該装置について図１を参照しながら説明すると、20倍対物レンズ２および5mm×25μmのスリット４を用いており、そのため分光器５には250μm×1.25μmの発光面からのEL発光が入射する。長軸250μmはCCD面で240分割され、240個のスペクトルが同時に観測される（単位ユニット：1.25μm×1.04μm）。
図２はEL素子において得られたライブラリスペクトルおよびマッピングイメージ（測定領域：150μm×37.5μm）を示している。全ユニットのELスペクトルを、PFOにおける0-0遷移と0-1遷移の相対ピーク強度比（I0-1/I0-0）の相違により3つのライブラリスペクトルに分類した。ここで、I0-1/I0-0が増加する順に（A→B→C）、薄い色から濃い色に配色した。
ELスペクトルマップ上の色の帰属を行うため、単一の発光領域を仮定し、その分布関数としてガウス関数を用い、光多重干渉解析法によりパラメータd（Ca/Al電極からの距離）、w（発光中心広がり）の解析を行った。
A、B、Cのフィッティングパラメータの解析結果は、d、wの順（単位はnm）にそれぞれ（40、10）、（45、10）、（50、10）であり、発光中心の広がりに違いはほとんど見られず、発光中心の位置がA→B→Cの順にITO透明電極側へ移動していることが分かった。また、印加電圧依存性や駆動時間依存性もあることも分かった。
１ EL素子
２ 対物レンズ
３ ビームスプリッタ
４ 分光器スリット
５ 分光器
６ CCD検出器（スペクトル測定用）
７ CCD検出器（測定領域確認用）
８ 自動ステージ
９ ステージコントローラ
１０ 素子駆動電源
１１ CCDコントローラ
１２ コンピュータ
２ 対物レンズ
３ ビームスプリッタ
４ 分光器スリット
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７ CCD検出器（測定領域確認用）
８ 自動ステージ
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１１ CCDコントローラ
１２ コンピュータ
Claims (2)
- スペクトルイメージング分光装置を用いて、解析対象のエレクトロルミネッセンス素子の素子発光面内におけるエレクトロルミネッセンススペクトルのマッピング測定を行い、エレクトロルミネッセンススペクトルマップを作成するステップと、エレクトロルミネッセンス素子の深さ方向に単一発光領域を予測して分布関数を設定し、該分布関数を構成するパラメータがエレクトロルミネッセンススペクトルの測定値を満足するように光多重干渉を考慮した計算法を用いてフィッティングを行い、発光中心の最適な素子深さ方向分布および素子面内分布を推定するステップとを含むことを特徴とするエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法。
- 素子深さ方向に複数の異なる発光領域を有するエレクトロルミネッセンス素子について、エレクトロルミネッセンス素子の深さ方向に複数の異なる発光領域を予測し分布関数を設定してフィッティングを行い、発光中心の最適な素子深さ方向分布および素子面内分布を推定することを特徴とする請求項１に記載のエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法。
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| JP2008057047A JP2009216392A (ja) | 2008-03-06 | 2008-03-06 | スペクトルイメージング分光装置を用いたエレクトロルミネッセンス素子の３次元発光中心分布の解析方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JPH0231175A (ja) * | 1988-07-20 | 1990-02-01 | Hamamatsu Photonics Kk | 発光によるデバイスおよびその材料の評価装置 |
| JP2006278035A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 発光分布推定方法、発光分布推定装置、発光分布推定プログラム、記録媒体、表示素子、画像表示装置 |
| JP2007318030A (ja) * | 2006-05-29 | 2007-12-06 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 炭化珪素単結晶の結晶欠陥検査方法および結晶欠陥検査装置 |
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2008
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