JP2013525783A - 電界発光試料分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電界発光試料分析装置を提供する。
【解決手段】本発明による電界発光試料分析装置は、電界発光試料にパルス駆動信号を印加するパルス発生器と、パルス駆動信号が印加されることにより電界発光試料から放出されるＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を受光し、受光信号を得るＥＬ検出器と、電界発光試料の温度を可変させるための温度可変器と、電界発光試料の温度変化による受光信号のトランジェント区間の変化を分析し、電界発光試料に存在する欠陷性の電荷トラップに関する情報を得るＥＬＴＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析部と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、検査及び分析装置に関し、より具体的には、電界発光（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、以下、ＥＬと称する）試料分析装置に関する。

太陽電池（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子としてのｐ型半導体とｎ型半導体との接合形態を有し、その基本構造は、ダイオードと同様である。一般的に、半導体に光が入射すると、吸収された光と半導体を構成している物質との間に相互作用が起こる。そして、（−）電荷及び（＋）電荷を帯びた電子及び正孔（電子が抜けてできた空孔）が発生して電流が流れたり、電気そのものが発生したりする。これを半導体の光電効果と言う。半導体には、（−）電荷を帯びた電子を引き寄せるｎ型半導体と、（＋）電荷を帯びた正孔を引き寄せるｐ型半導体の２種があり、太陽電池は、この２種を接合したものである。一般的に、半導体で発生した（−）電荷は、ｎ型半導体に向かって、（＋）電荷はｐ型半導体に向かって移動し、それぞれ両方の電極部に集まる。両方の電極を電線で連結すると電気が流れることになり、電力を得ることができる。ここで、（＋）電荷と（−）電荷は、結局同数になる。このため、光がある限り発電は止まらない。つまり、光が当たると、ｐｎ接合を有した半導体内で光と物質との相互作用が起こり、（＋）電荷と（−）電荷が発生することになり、その電荷を外部に放出することにより電気が流れ、そのエネルギーでモータを回転したり、電燈をつけたりすることができる。よって、太陽電池は、太陽の光だけでなく、蛍光燈の光も電気に変えることができる。

近年、地球温暖化による地球環境やエネルギーの問題を解決するための一つの方法として、太陽電池を用いる太陽光発電システムが期待されており、２１００年には、世界のエネルギーの７０％を太陽光発電に依存することが予想される。エネルギービジョンを実現するためには、太陽電池のエネルギー変換効率の向上が重要な課題の一つである。結晶質Ｓｉの太陽電池は、電力用太陽電池の生産の９０％を占めているが、効率は２４．７％に過ぎず、２９％が限界であって、飛躍的な効率向上は困難である。なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の半導体技術に基づいたＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合構造太陽電池の集光動作により、効率４０．８％が実現されており、４接合、５接合などの多接合により効率５０％以上の超高効率化が期待されている。

また、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）は、半導体の励起状態である伝導帯の電子が、基底状態である価電子帯に移動しながら光を放出する過程（電子正孔の発光再結合）を用いる。実用化になったＬＥＤは、ほとんどバンドギャップの構造が直接遷移型である化合物半導体を用いている。これは、伝導帯の底にある電子と価電子帯の頂上にある正孔の運動量がほとんど同じである場合にのみ高い発光再結合の確率が得られるからである。ＬＥＤの発光色は、活性層（発光領域）を構成する半導体材料のエネルギーのバンドギャップにより決定される。ＧａＡＳのバンドギャップは、１．４３ｅＶであって、約８７０ｎｍの近赤外線を放出する。可視光のＬＥＤには、これよりもエネルギーのバンドギャップが大きい材料を用いる。高効率のＬＥＤには、エネルギーのバンドギャップが異なる複数化合物の半導体の薄膜をエピタキシャル成長させて製造する多層薄膜構造を用いる。基板材料としては、ＧａＡＳ（赤外線〜可視光）やＧａＰ（可視光）が用いられ、青色から紫外線の場合は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）が用いられる。

ＬＥＤの開発初期には、単純なｐｎ接合が利用された。空乏層に近いｎ型領域やｐ型領域を発光結合層とした。この領域は、不純物が添加された領域であるため、結晶の品質が良くなくて、高効率のＬＥＤを得ることが困難であった。発光効率を高めるための最も一般的な方法は、ｐ型領域とｎ型領域のバンドギャップを活性層のバンドギャップよりも大きくしたダブルヘテロ（ＤＨ：Ｄｏｕｂｌｅ−ｈｅｔｅｒｏ）構造である。なお、活性層を薄くして量子井戸構造とし、電子と正孔を閉じ込める効果を高めながらもバンドエンドの電子状態の密度を向上することが試みられている。ＬＥＤに投入された電流に対する光出力の割合は（外部量子効率）電極を含んだ直列抵抗によるジュール（Ｊｏｕｌｅ）の損失を除き、発光再結合率（内部量子効率）とチップから光の出る効率とで決定される。ＬＥＤの構成材料としては基板と電極があるが、活性層で発生する光の一部がここに吸収される。基板材料のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。半導体材料以外にも、モールド材料による効率低下や表面の凹凸加工の問題などに関する
研究が行われつつある。

太陽電池及びＬＥＤ素子において、必ず解決しなければならない問題の一つである、その内に存在する欠陷性の電荷トラップ（ｄｅｆｅｃｔｉｖｅ ｃｈａｒｇｅ ｔｒａｐ）らは、有効な電子と正孔らが捕獲されることにより動作条件が変わり、素子動作時の動作特性に影響を及ぼす。したがって、このような素子構造が次世代の素子として位置づけられるためには、再現性及び耐久性に優れる素子特性が要求され、このためには、現在まで解決されなかった薄膜だけでなく、多層構造における電子や正孔の捕獲過程、光学的に活性化された多層構造におけるトラップの分布及びそのトラップの構造、エネルギー分布に関する体系的な研究が必要な実情である。

太陽電池及びＬＥＤ構造に存在するトラップの場合は、大きさに比べて電荷らを捕獲できるトラップの量が相対的に増加し、多くのエネルギー準位に存在する。多結晶型構造の素子の薄膜の場合は、報告されている欠陷型トラップ以外にもさらに多くのトラップが存在すると判断されるが、そのエネルギーの深みは物質のエネルギーバンドギャップの限界のために、あらゆる欠陷型トラップを分析できる包括的な分析方法がなく、一つの分析技術では、観測可能なトラップの範囲が限定される。また、確かに存在すると判断されるそれぞれの構造層間の界面状態の欠陥性のトラップは、素子の動作特性にも影響を及ぼすと予測されるので、表面及び界面状態に関する分析方法もその重要性を見逃すことはできない。よって、光電子素子においては、電荷トラップ（ｃｈａｒｇｅ ｔｒａｐ：ＣＴ）以外に、界面トラップ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｒａｐ：ＩＴ）及び表面トラップ（Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒａｐ：ＳＴ）も構造体内の電荷分離（ｃｈａｒｇｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）及びその動作寿命に影響を及ぼすと予想されるが、これは、他の素子とは異なって外部環境に露出される太陽電池の場合は、欠陷性のトラップらの影響が経時により拡がるからである。よって、正確な電荷型トラップの出所（ｏｒｉｇｉｎ）を分析して発生原因を追跡し、それらを制御することができれば、現在要求される低価格、高効率の太陽電池（Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）及びＬＥＤ素子分野に寄与することができる。

このような要求を満たすＥＬＴＳのような光電子物理学原理を用いた非破壊性の電荷トラップに関する分析研究は、次世代に活用可能な太陽電池及びＬＥＤにおいて、広範囲なトラップの確認及び素子の性能評価に必須となるだろう。

本発明は、太陽電池、ＬＥＤなどのようなＥＬ放出素子内に存在する欠陷性の電荷トラップらに対して、トラップの分布、構造、エネルギー分布などに関する情報を確認できる電界発光試料分析装置を提供することを目的とする。

また本発明は、欠陷性の電荷トラップに関する情報と共にＥＬ放出素子の寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）に関する情報も、一つの分析装置により統合して分析できる電界発光試料分析装置を提供することを他の目的とする。

また本発明は、ＥＬ放出素子の表面欠陷を確認するためのＥＬイメージを、マイクロ単位で撮影及び提供することができる電界発光試料分析装置を提供することをまた他の目的とする。

本発明の一側面によれば、電界発光試料分析装置であって、上記電界発光試料にパルス駆動信号を印加するパルス発生器と、上記パルス駆動信号が印加されることにより、上記電界発光試料から放出されるＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を受光し、受光信号を得るＥＬ検出器と、上記電界発光試料の温度を可変させるための温度可変器と、上記電界発光試料の温度変化による上記受光信号のトランジェント変化を分析し、上記電界発光試料に存在する欠陷性の電荷トラップに関する情報を得るＥＬＴＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析部と、を含む電界発光試料分析装置が提供される。

一実施例において、上記パルス発生器は、上記温度可変器による上記電界発光試料の温度変化時点に対応して矩形波パルスを発生し、上記ＥＬ検出器は、上記矩形波パルスが印加される度に、上記電界発光試料から放出されたＥＬを検出することができる。
一実施例において、上記ＥＬ検出器により得られる上記受光信号は、光電流信号、光電圧信号及び電気容量信号のうちのいずれか一つであり、

上記ＥＴＬＳ分析部は、上記受光信号のトランジェント区間内の２つの時点をサンプリング時間とし、上記２つのサンプリング時点での受光信号の差を算出し、上記温度変化による上記受光信号の差の変化関係を用いて上記欠陷性の電荷トラップの活性化エネルギー準位、上記欠陷性の電荷トラップの濃度、及び上記欠陷性の電荷トラップの捕獲断面積のうちの少なくとも一つの情報を得ることができる。

一実施例において、上記ＥＬＴＳ分析部は、任意の固定温度で得られた受光信号のトランジェント区間を分析して少数キャリア（ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）の寿命情報をさらに取得し、上記少数キャリアの寿命情報は、指数的に変化する上記トランジェント区間の時定数を算出することにより得ることができる。

一実施例において、上記電界発光試料分析装置は、上記電界発光試料から放出されたＥＬに対するＥＬイメージを得るための撮像装置と、上記ＥＬイメージに基づいて上記電界発光試料の表面欠陷を分析する表面欠陥分析部とをさらに含むことができる。

一実施例において、上記ＥＬの光経路を基準として上記撮像装置の前面にマイクロスコープ（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が位置し、上記表面欠陥分析部は、上記撮像装置から得られたマイクロ単位のＥＬイメージに基づいて上記電界発光試料の表面欠陷を分析することができる。

一実施例において、上記電界発光試料分析装置は、上記電界発光試料から放出されたＥＬの一部が上記ＥＬ検出器に入力され、残りが上記マイクロスコープに入力されるように光分岐する光分岐器をさらに含むことができる。

一実施例において、上記電界発光試料から放出されたＥＬ光のうち、所望する波長のみを検出し、または所望しない波長を除去するための光分光部をさらに含むことができる。

本発明の実施例によれば、太陽電池、ＬＥＤなどのＥＬ放出素子内に存在する欠陷性の電荷トラップらに対して、トラップの分布、構造、エネルギー分布などに関する情報を確認することができる電界発光試料分析装置を提供することができる。

また、本発明の実施例によれば、欠陷性の電荷トラップに関する情報以外にもＥＬ放出素子の寿命に関する情報を共に得ることができ、ＥＬ放出素子の検査及び分析に必要な時間及び費用を低減することができる。

また、本発明の実施例によれば、ＥＬ放出素子の表面欠陷を確認するためのＥＬイメージをマイクロ単位で撮影及び提供することができ、表面欠陥検査の信頼性及び正確性を高めることができる。

また、本発明の実施例によれば、完製品状態である製品化された素子についても、上記のような欠陷性の電荷トラップに関する情報及び少数キャリアの寿命に関する情報を分析及び測定することができる。

本発明の一実施例に係る電界発光試料分析装置に関する概略的な構成を示す図面である。 電界発光試料に印加されるパルス駆動信号及び電界発光試料から放出されるＥＬを受光した受光信号としての光電流を例示した図面である。 キャリア捕獲及び放出過程、並びにトラップに捕獲されたキャリアを説明するための図面である。 温度変化による受光信号のトランジェント変化の相関関係及びこれによる欠陷性の電荷トラップ情報取得方法を説明するための図面である。 太陽電池において、受光された光によるキャリア密度の指数的変化を例示した図面である。 Ｏｐｔｉｃａｌ ＩＣＴＳ（Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を介して、経時により指数的に減少するトランジェント区間によるライフタイムを分析する方法を説明するための図面である。

本発明は多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。

本発明を説明するに当たって、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、本明細書の説明に用いられた数字（例えば、第１、第２など）は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するための識別記号に過ぎない。

また、本明細書において、一構成要素が他の構成要素に“連結される”あるいは“接続される”などと記載されている場合は、上記一構成要素が上記他の構成要素に直接連結されているか、または直接接続されていることを示し、特に特定する記載がない限り、中間に他の構成要素が存在することも示すことを理解しなければならない。

以下、添付された図面に基づいて本発明の実施例による電界発光試料分析装置を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る電界発光試料分析装置の概略的な構成を示す図面である。

図１を参照すると、本発明の一実施例に係る電界発光試料分析装置は、真空チャンバ１５、パルス発生器１１０、温度可変器１２０、マイクロスコープ１３０、光分岐器１４２、ＥＬ検出器１４０、撮像装置１５０、増幅器１６０、Ａ／Ｄコンバータ１６５、温度検出及び制御部１７０、及び分析部１８０などを含むことができる。但し、図１に示された構成要素が必須ではなく、設計により、それより多くの構成要素を含むか、またはそれより少ない構成要素を含む電界発光試料分析装置を実現することができる。

本発明の電界発光試料分析装置は、上記のような構成を含むことにより、次の三つの用途を同時に有する装置として活用することができる。上記三つの用途の装置とは、第１に、ＥＬＴＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析装置であり、第２に、ＥＬライフタイム（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｌｉｆｅｔｉｍｅ）分析装置であり、第３に、マイクロ単位の領域での近赤外線映像分析装置がそのものである。以下、これらについて、順に説明する。

（ＥＬＴＳ分析装置）
電界発光試料１０は、マウント部材１２５に載置された状態で真空チャンバ１５内に位置することができる。このとき、パルス発生器１１０は、所定のパルス駆動信号（本例では、矩形波パルス２１であると仮定する）を生成して真空チャンバ１５内の電界発光試料１０に印加する。

上記のようにパルス駆動信号が印加されると、電界発光試料１０は、ＥＬ光を放出する。例えば、ＬＥＤの場合は、該当色領域（すなわち、該当波長帯域）のＥＬ光を放出し、太陽電池の場合は、近赤外線領域のＥＬ光を放出することができる。

ここで、ＥＬの放出原理は、次の通りである。材料（一般的に、半導体）を通過して電流が流れるか、強い電場がかかる時、異なる符号の電荷キャリア（ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ）、つまり電子と正孔との再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）の結果により光を出す光学的、電気的現象をＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）という。ＥＬ光を得るためには、結晶格子内の電子らをより高いエネルギー準位に上げる必要がある。このとき、発光の強さは、試料における欠陥密度に依存し、欠陷が少ないほど、さらに多い光子を放出することになる。

図１には、電界発光試料１０から放出されたＥＬ光が、マイクロスコープ１３０を経た後に、光分岐器１４２を通過（透過）してＥＬ検出器１４０に受光されるように装置構成されている。しかし、これは、本発明による分析装置が“ＥＬＴＳ分析装置”の用途及び後述する“マイクロ単位の表面欠陥分析用ＥＬイメージの取得装置”の用途を同時に実現できるように装置構成された一例に過ぎない。

したがって、上述の２つの用途を同時に実現しながらも、図１に示された装置構成とは異なる設計方式によることもできることは明らかなことである。図１の場合、マイクロスコープ１３０に入力されたＥＬ光が、光分岐器１４２を介して一部（すなわち、透過光）がＥＬ検出器１４０に受光され、残り（すなわち、反射光）がＣＣＤカメラなどの撮像装置１５０に受光されているが、これとは異なる設計方式によることもできる。例えば、上記光分岐器１４２が上記マイクロスコープ１３０の後端（光出力端）ではなく、前端（光入力端）に位置することができる。この場合、撮像装置１５０は、光分岐器１４２及びマイクロスコープ１３０を経たＥＬ光を受光するが、ＥＬ検出器１４０は、光分岐器１４２のみを経たＥＬ光を受光することになる。また、電界発光試料１０から放出されたＥＬ光を直接受光可能な位置に、上記マイクロスコープ１３０及び上記ＥＬ検出器１４０をそれぞれ位置させてもよく、この場合、上記光分岐器１４２は省略可能である。

また、図１に係る本発明においては、電界発光試料１０から放出されたＥＬ光がマイクロスコープ１３０を経た後に、ＥＬ検出器１４０または撮像装置１５０に受光されることを示しているが、これは一例に過ぎず、マイクロスコープ１３０を経ないで電界発光試料１０から放出されたＥＬ光がＥＬ検出器１４０または撮像装置１５０に受光されることもできる。また、本発明では、ＥＬ検出器１４０に受光されたＥＬ光が増幅器１６０を経ることに示されているが、これは一例に過ぎず、増幅器１６０を省略することもできる。一方、発光試料１０から放出されたＥＬ光のうちの特定波長の光のみを分離する分光器（図示せず）を経てＥＬ光を受光することもできる。このとき、分光器はフィルターなどを用いて所望する波長の光を受光したり、所望しない波長をカットオフ（ｃｕｔｏｆｆ）することができる。

以後、ＥＬ検出器１４０を介して検出された受光信号は、図１に示すように、増幅器１６０ 及びＡ／Ｄコンバータ１７０を経て分析部１８０に伝送できる。ここで、ＥＬ検出器１４０は、フォトダイオード、フォトディテクタであってもよく、これにより得られた受光信号は、ＥＬ光の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）に対応する光電流（ｐｈｏｔｏ ｃｕｒｒｅｎｔ）、光電圧（ｐｈｏｔｏ ｖｏｌｔａｇｅ）または電気容量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）信号であり得る。

ＥＬ検出器１４０から得られた受光信号は、理想的である場合（つまり、電界発光試料１０に欠陷が存在しない場合）は、入力されたパルス駆動信号と同じ波形を有するが、実際には、図１の参照番号２２のように、トランジェント区間を有する波形の形態を有する。

このような受光信号の波形歪みは、検査対象である電界発光試料１０に存在する欠陷に起因するので、受光信号のトランジェント区間を分析すれば、電界発光試料１０に存在する欠陷に関する情報を得ることができる。これについては、図２乃至図４を参照して説明する。

図２は、電界発光試料に印加するパルス駆動信号及び電界発光試料から放出されるＥＬを受光した受光信号としての光電流を例示した図面である。

ＥＬＴＳの測定のために、パルス発生器１１０を介して図２（ａ）のようなパルス駆動信号を電界発光試料１０のジャンクション（ｊｕｎｃｔｉｏｎ）に印加すると、ＥＬ検出器１４０は、電界発光試料１０から放出されたＥＬ光をセンシングし、ＥＬ検出器１４０の反応関数（Ｃｕｒｒｅｎｔ、Ｖｏｌｔａｇｅ、または Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）による受光信号として得ることになるが、このとき、受光信号は、図２（ｂ）のようになり得る。

図２（ｂ）に示すように、ＥＬ検出器１４０の反応関数が光電流である場合、Ｆ〜Ｃ区間は、試料の光励起によりＥＬ検出器１４０の光キャリア（ｐｈｏｔｏ ｃａｒｒｉｒｅｒ）が発生され、検出器電流が急激に増加する区間であり、Ｃ〜Ｄ区間は、Ｆ〜Ｃ区間で生成されたキャリアらがトラップ（ｔｒａｐ）に捕獲され、準安定（ｑｕａｓｉ−ｓｔｅａｄｙ）状態に維持される区間である。Ｄ〜Ｅ区間は、キャリアらの再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）により電流が低減する区間である。最後に、Ｅ〜Ｆ区間は、トラップ（ｔｒａｐ）に捕獲された光キャリアらが熱エネルギーによりデトラッピング（ｄｅ−ｔｒａｐｐｉｎｇ）する区間であり、このとき現われる電流は、トランジェント曲線（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｕｒｖｅ）を有する。

上述したように、光電流信号のＥ〜Ｆ区間がトランジェント曲線形態を有する理由は、次の通りである。これを図３に基づいて説明する。図３は、キャリアの捕獲及び放出過程、並びにトラップに捕獲されたキャリアを説明するための図面である。

結晶欠陷がなく、原子らの位置が周期的に配列された完全な結晶においては、位置によるポテンシャルも周期的な関数の形態を有する。しかし、結晶欠陷が存在する部分においては、電気的ポテンシャルの周期性が壊れ、このポテンシャルの歪みは電荷を帯びている粒子に対してトラップ（ｔｒａｐ）を形成する。これらトラップは、結晶内で深い準位を形成するが、深い準位の変数らは、キャリアらの再結合及び生成過程、すなわち、電子捕獲（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ）、電子放出（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、正孔捕獲（ｈｏｌｅ ｃａｐｔｕｒｅ）、正孔放出（ｈｏｌｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の過程で説明可能である（図３（ａ）参照）。

電子放出は、図３（ａ）に示すように、トラップにあった電子がエネルギーを得て伝導帯へ電子を放出する過程であり、電子捕獲は、伝導帯にあった自由電子がエネルギーを失ってトラップに遷移する電子を捕獲する過程である。

正孔捕獲は、トラップ準位にあった電子がエネルギーを失って価電子帯へ遷移する過程であって、図３（ａ）に示すように、トラップが正孔を捕獲する過程であり、正孔放出は、価電子帯にあった電子がエネルギーを得てトラップ準位へ励起する過程であって、トラップが正孔を放出する過程である。任意トラップにおいて、上述した４つの過程は同時に起こり、トラップに捕獲されていた電子がエネルギーを得て伝導帯へ励起する電子放出過程で自由電子の濃度は増加し、自由電子がエネルギーを失い、トラップ準位へ遷移するトラップの電子捕獲過程で自由電子の濃度は低減する。

図３（ｂ）に示すように、Ｅ_ｃは、伝導帯のエネルギー準位を、Ｅ_ｖは価電子帯のエネルギー準位を示し、Ｅ_ｔは、トラップのエネルギー準位を示し、△Ｅ_ｔは、トラップ準位に捕獲された電子が伝導帯へ励起し、自由電子として役割するに必要な活性化エネルギー（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）を意味する。また、ｎは、伝導帯の自由電子の濃度を示し、ｎ_ｔ及びｐ_ｔは、電子及び正孔を捕獲したトラップの濃度を意味し、Ｎ_ｔは、トラップ密度（ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ）を意味する。

従って、電界発光試料に欠陷性の電荷トラップが任意のエネルギー準位に位置する場合、電子−正孔の再結合過程によりＥＬを放出するために使用されるべき自由電子の濃度が低減されることがある。これは、価伝導帯に遷移すべき電子の一部が、上記トラップに捕獲されるからである。このように、トラップに捕獲された一部の電子は、上記電子放出過程により上記活性化エネルギーを得て、遅れて自由電子として役割を担うことになり、図２（ｂ）のＥ〜Ｆ区間と同様のトランジェント区間を有することになる。したがって、上記トラップ準位から伝導帯へ励起するのに必要な活性化エネルギー（△Ｅ_ｔ）が分かれば、そのトラップが位置するエネルギー準位（Ｅ_ｔ）を確認することができる。

以下では、電界発光試料に存在する欠陷性の電荷トラップに関する情報（すなわち、活性化エネルギー、トラップ準位、トラップの捕獲断面積、トラップの濃度など）を得る方法について、図４を参照して説明する。

図４は、温度変化による受光信号のトランジェント区間の変化に対する相関関係及びこれにより欠陷性の電荷トラップの情報を得る方法を説明するための図面である。

本発明において、電界発光試料に存在する欠陷性の電荷トラップの情報は、図１の温度可変器１２０により電界発光試料に温度変化を付与した後に、その温度変化に応じてＥＬ検出器１４０により得られた受光信号のトランジェント区間の変化を分析することにより得ることができる。

つまり、本発明の電界発光試料分析装置の分析部１８０は、図４に示すように、上記受光信号のトランジェント区間内の２つの時点（ｔ１、ｔ２）をサンプリング時間とし、上記２つのサンプリング時点での受光信号の差（Ｉ（ｔ１）―Ｉ（ｔ２））を算出した後、上記温度変化による上記受光信号の差の変化関係を利用すれば、欠陷性の電荷トラップに関する情報を得ることができる。

例えば、図４に示すように、時間ｔ１及びｔ２での光電流信号を測定すると、下記のような数学式（１）に表される、規格化されたＥＬＴＳ信号を得ることができる。

式中、ｅ_ｎは、放出率（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ）（ｒａｔｅ ｗｉｎｄｏｗ、ｓｅｃ−１）であり、ｑは、電子の電荷量、μ_ｎは、電子の移動度、Ａは、試料の有効断面積、Ｅは、印加された電場、τ_ｎは、リラクゼーションタイム（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）、Ｎ_ｔは、トラップの密度（ｔｒａｐ ｄｅｎｓｉｔｙ）である。数学式（１）で、ｄＩ_ｎ／ｄ_ｔ＝０の条件を用いると、ＥＬＴＳ最大信号の位置でのサンプリング時間（ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｉｍｅ）と放出率との関係を、次の数学式（２）のように得ることができる。

式中、放出率（ｅ_ｎ）は、温度に応じる下記の数学式（３）のように表される。

上記の数学式（３）により、トラップの活性化エネルギー（活性化エネルギー（△Ｅ_ｔ））及びトラップの捕獲断面積（σ_Ｔ）を得ることができる。

すなわち、上記温度変化による受光信号の差の変化関係は、図４に示すように、温度変化に応じてガウス分布（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を有するアレニウスプロット（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ ｐｌｏｔ）の形態を有し、このアレニウスプロットを表示すると、直線勾配からトラップの活性化エネルギー（△Ｅ_ｔ）を求めることができ、そのトラップの捕獲断面積（σ_Ｔ）も求めることができる。

ＥＬライフタイムの分析装置
太陽電池やＬＥＤ素子から放出される光は、印加された電荷キャリアが欠陥及び不純物などにトラップされる場合、発生される光利得は、これらにより大きく低減することになる。従って、物質内の少数キャリア（ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）のライフタイム（τ）の分析は、結晶性を有する物質がｐＶ （ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）物質として使用可能であるかどうかを評価する方法となる。

このために、本発明の電界発光試料分析装置の分析部１８０は、任意の固定温度で得られた受光信号のトランジェント区間を分析し、少数キャリア（ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）の寿命情報を得る。 このとき、少数キャリアの電荷密度は、図５に示すように、指数的に変化する特徴を有し、上記受光信号のトランジェント区間は、少数キャリアに対する電気的特性を示すものであるので、上記少数キャリアの寿命情報は、指数的に変化する上記トランジェント区間の時定数を算出することにより得ることができる。

すなわち、本発明では、太陽電池、ＬＥＤなどの電界発光試料の素子に関する品質指標中の一つであって、効率に影響を及ぼす少数キャリアの寿命をＥＬＴＳ分析装置を用いて測定する。この分析装置を用いて太陽電池及びＬＥＤのライフタイムを測定する方法は、半導体試料にパルス形態の駆動信号を印加し、その試料から放出されるＥＬからＥＬ検出器を介して得た反応関数（Ｃｕｒｒｅｎｔ、ＶｏｌｔａｇｅまたはＣａｐａｃｉｔａｎｃｅ）信号に対して、時間に応じて指数的に減少するトランジェント区間を分析することにより少数キャリア（ｍｉｎｏｒｉｔｙ−ｃａｒｒｉｅｒ）及びトラップ（ｔｒａｐ）のライフタイム（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）を分析する。

また、特定固定温度での光の反応関数のうち、静電容量に対するトランジェント区間の測定によりライフタイムを分析することができる。すなわち、Ｏｐｔｉｃａｌ ＩＣＴＳ（Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、時間に応じて指数的に減少するトランジェント区間のライフタイムを分析する（図６参照）。これに関する数式は、次の数学式（４）、（５）の通りである。

式中、Ｋは、定数であり、Ｎ_ｔは、トラップの濃度であり、Ｎ_Ａは、アクセプターの濃度であり、

は、光学的正孔放出率であり、

は、光学的電子放出率である。

現在、太陽電池及びＬＥＤ製品に対してのセル（Ｃｅｌｌ）の欠陷やライフタイムの測定は、個別検査装置により測定する実情である。なお、本発明の電界発光試料分析装置によれば、太陽電池及びＬＥＤセルの欠陷やライフタイムの測定を一つの分析装置に統合して分析することができるので、その分析や検査に要求される時間や費用などを低減することができる。

マイクロ単位の表面欠陥分析用ＥＬイメージ取得装置
また、本発明の電界発光試料分析装置の分析部１８０は、図１に示すような構成を有することにより、マイクロスコープ１３０及び撮像装置１５０を介して得られたＥＬイメージに基づいて、電界発光試料１０の表面欠陷をマイクロ単位で検査することができる。

つまり、本発明の電界発光試料分析装置は、上述したＥＬＴＳ分析装置としての用途及びＥＬライフタイムの分析装置としての用途以外にも、太陽電池及びＬＥＤ素子などのような電界発光試料の表面欠陥分析用のマイクロＥＬ映像取得装置としての用途にも活用できる。これにより、太陽電池及びＬＥＤ素子から放出されるＥＬイメージをマイクロ単位で撮影でき、太陽電池及びＬＥＤ素子などの表面及び微細な外部欠陷をより正確に検出することができる。

以上では、本発明の実施例を参照して説明したが、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば下記の特許請求の範囲に記載した本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができることを理解できよう。

１０ 電界発光試料
１１０ パルス発生器
１２０ 温度可変器
１３０ マイクロスコープ
１４０ ＥＬ検出器
１５０ 撮像装置
１８０ 分析部

Claims (8)

1. 電界発光試料分析装置であって、
   前記電界発光試料にパルス駆動信号を印加するパルス発生器と、
   前記パルス駆動信号を印加することにより前記電界発光試料から放出されるＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を受光し、受光信号を得るＥＬ検出器と、
   前記電界発光試料の温度を可変させるための温度可変器と、
   前記電界発光試料の温度変化による前記受光信号のトランジェント区間の変化を分析し、前記電界発光試料に存在する欠陷性の電荷トラップに関する情報を得るＥＬＴＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析部と、
   を含む電界発光試料分析装置。
2. 前記パルス発生器は、前記温度可変器による前記電界発光試料の温度変化時点に対応して矩形波パルスを発生し、
   前記ＥＬ検出器は、前記矩形波パルスが印加されるとき、前記電界発光試料から前記印加された矩形波パルスに反応して放出されたＥＬを検出することを特徴とする請求項１に記載の電界発光試料分析装置。
3. 前記ＥＬ検出器により得られる前記受光信号は、光電流信号、光電圧信号及び電気容量信号のうちのいずれか一つであり、
   前記ＥＴＬＳ分析部は、前記受光信号のトランジェント区間内の２つの時点をサンプリング時間として前記２つのサンプリング時点における受光信号の差を算出し、前記温度変化による前記受光信号の差の変化関係を用いて、前記欠陷性の電荷トラップの活性化エネルギー準位、前記欠陷性の電荷トラップの濃度、前記欠陷性の電荷トラップの捕獲断面積のうちの少なくとも一つの情報を得ることを特徴とする請求項１に記載の電界発光試料分析装置。
4. 前記ＥＬＴＳ分析部は、任意の固定温度で得られた受光信号のトランジェント区間を分析して寿命情報をさらに取得し、
   前記寿命情報は、少数キャリア（ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）及び前記欠陷性の電荷トラップに関する情報のうちの少なくとも一つであり、指数的に変化する前記トランジェント区間の時定数を算出することにより得られることを特徴とする請求項１に記載の電界発光試料分析装置。
5. 前記電界発光試料から放出されたＥＬに関するＥＬイメージを得るための撮像装置と、
   前記ＥＬイメージに基づいて前記電界発光試料の表面欠陷を分析する表面欠陥分析部と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電界発光試料分析装置。
6. 前記ＥＬの光経路を基準とし、前記撮像装置の前面にマイクロスコープ（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が位置し、
   前記表面欠陥分析部は、前記撮像装置から得られたマイクロ単位のＥＬイメージに基づいて、前記電界発光試料の表面欠陷を分析することを特徴とする請求項５に記載の電界発光試料分析装置。
7. 前記電界発光試料から放出されたＥＬの一部が前記ＥＬ検出器に入力され、残りが前記マイクロスコープに入力されるように光分岐する光分岐器をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の電界発光試料分析装置。
8. 前記電界発光試料から放出されたＥＬ光のうち、所望する波長のみを検出するか、または所望しない波長を除去するための光分光部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電界発光試料分析装置。

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