JP5843114B2 - キャリア寿命の測定方法および測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、材料に励起を与えたときに発せられる光（ルミネッセンス）を取得して、材料内のキャリア寿命を測定することができる測定方法および測定装置に関する。
半導体やその他の材料分野において、材料からの発光（ルミネッセンス光）を測定し、分析し、材料中の不純物濃度や結晶欠陥の性質やその分布を評価することによって、材料の分析や改善を行うことが広く行われてきた。
ルミネッセンス光を得る手段としては、キャリア（電子やホール）を材料に電気的に注入して、注入された電子とホールが再結合する過程の発光を観察するエレクトロルミネッセンス法や、レーザーなどからの光によって電子を励起するフォトルミネッセンス法がある。
注入された電子や励起された電子はある確率と時間でホールと結合する際に発光して消滅してゆく。この消滅までの平均的な時間をキャリア寿命と呼ぶ。ルミネッセンス光の特性（発光波長、発光強度、キャリア寿命など）は結晶中の結晶欠陥や不純物の種類や濃度に依存しており、ルミネッセンス光により材料の状態を調べることができる。
一方、近年急速に普及が進んでいるシリコンを用いた太陽電池においては、発電効率などの性能向上、品質の安定化や製造コストの低減、大型化などが求められている。これらの要求に応えるには、高品質で大面積のシリコン結晶を高スループット（製造速度）で製造することが重要となる。
高品質の太陽電池用の結晶としては欠陥が少ないことが重要である。種々の欠陥により太陽からの光エネルギーが吸収され電気エネルギーに変換されないことになる。つまり、せっかく発生した電気エネルギーも欠陥に捉えられて熱に変換されたり再発光してしまい、電気エネルギーとして取り出せないことになる。半導体の中で発生する電気エネルギーとは、光で励起された励起電子（キャリア）を意味する。これまで説明したように、エレクトロルミネッセンス法やフォトルミネッセンス法によって得られる情報は励起電子に関係しており、太陽電池の動作機構に関連が深いものとなる。特にキャリア寿命は、結晶中の欠陥や不純物の種類や濃度によって大きく影響を受ける。
以下の特許文献１には半導体の検査方法と検査装置が開示されている。この文献に記載された方法は、高速動作を実現しているものの、キャリア寿命を評価しておらず単にバイアス状態でのルミネッセンス光の強度分布を比較しているのみである。この方法は、ウェハ上の電極にバイアスを印加しながらルミネッセンス評価をしているので、配線を必要とするとともに接触評価になるので非接触で検査を行うことができず、製造中のウェハを汚してしまう懸念がある。
また、他の従来例として、特許文献２に記載されているように、時間相関単一光子計数法やストリークカメラ法によって材料のキャリア寿命を求める方法がある。時間相関単一光子計数法は、単一光子について減衰する波形を直接測定する方法であるが、ヒストグラム作成に長い時間を必要とするのでウエハの複数点を計測するのは困難である。また、ストリークカメラ法は、非常に高価である。
ＷＯ２００７／１２８０６０Ａ１公報 特開２００８−１７０２５７号公報
これまで述べたように、従来技術においてルミネッセンスを高速に評価する方法を実現した例があるものの、キャリア寿命は測定できてはおらず、キャリア寿命から算出される欠陥の種類や濃度、などを評価できていないのが現状である。また、従来のキャリア寿命評価を行う方法では、計測装置が非常に高価であり、測定にも時間がかかるため測定コストがかかるほか、マップ測定などのような多数点の測定を行って測定データ分布を得ることができなかった。
本発明は、材料に接触することなく、材料から発せられる光を観察する方法を工夫することで、エネルギーキャリアの寿命に関する情報を低コスト、高速で得ることができるキャリア寿命の測定方法および測定装置提供することを目的としている。
また、本発明は、半導体などの材料内のキャリア寿命の分布を求めることが可能なキャリア寿命の測定方法および測定装置を提供することを目的としている。
本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定方法において、
励起時間が間隔を空けて周期的に繰り返されるように、材料に励起を与え、
材料から発せられる光を受光側の変調装置で変調して、材料から発せられる光のうちの前記励起時間の終末に続いて発せられる減衰光を前記励起の周期と同期して分離し、
分離された複数の前記減衰光を受光装置に与え、
前記受光装置は、ＣＣＤで光を蓄積する１回の露光時間が、複数の前記励起の周期を含む長さであり、１回の前記露光時間に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知し、
蓄積されて検知された検知光の積分強度に基づいてキャリアの寿命を測定することを特徴とするものである。
本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に取得することで、励起時間に発せられる光から減衰光を分離する。または、材料から発せられる光を励起時間の途中から取得することで、励起時間に発せられる光と、前記光の一部および減衰光とを分離する。
本発明のキャリア寿命の測定方法は、励起源から発せられる励起を励起側の変調装置に通過させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与えるものである。あるいは、励起源から励起を断続的に発生させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与えるものである。
本発明のキャリア寿命の測定方法は、前記受光装置が、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子で複数の減衰光を蓄積して検知するものである。例えば、複数の受光素子が二次元的に配列した受光装置を使用し、材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光をそれぞれの受光素子で同時に取得し、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得ることが可能である。あるいは、複数の受光素子が列を成して配列した受光装置を使用し、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光を同時に取得し、この取得ラインを移動させて、材料の一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得ることが可能である。
本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料に複数の周波数の励起を与え、それぞれの周波数の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、変調周波数の増加に伴って前記検知光の強度が非線形で増加する周波数から、キャリア寿命を定量化して測定することが可能である。さらに、異なる周波数の励起で得られた前記検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
または、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに、減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度と、材料から発せられる光を連続して検出して得られる検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
あるいは、材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、異なる波形の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
また、材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、減衰光を蓄積して検知した検知光を取得し、異なる位相の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することも可能である。
さらには、材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比、および励起時間に発せられる光から減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させ、異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料に与える励起が励起光である。あるいは、材料に与える励起が励起電力である。
本発明のキャリア寿命の測定装置は、材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定装置において、
励起時間が間隔を空けて周期的に繰り返される励起を材料に与える励起装置と、
材料から発せられる光のうちの前記励起時間の終末に続いて発せられる減衰光を前記励起の周期と同期して分離する受光側の変調装置と、
ＣＣＤで光を蓄積する１回の露光時間が、複数の前記励起の周期を含む長さであり、１回の前記露光時間に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知する受光装置と、
前記露光時間内に蓄積されて検知された検知光の積分強度に基づいてキャリアの寿命を測定する判別部と、
を有することを特徴とするものである。
本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記励起装置が、励起源と、励起源から発せられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように変調する励起側の変調装置とを有する。または、前記励起装置が、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように励起を発する励起源を有しているものである。
本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記励起源が、発光源であり、または、前記励起源が、励起電力の発生源である。
本発明のキャリア寿命の測定装置は、受光側の前記変調装置が、材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に分離して前記減衰光を得るものである。または、受光側の前記変調装置が、材料から発せられる光を励起時間の途中から分離して前記減衰光を得るものである。
本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記受光装置は、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子が複数の減衰光を蓄積して検知するものとして構成できる。この場合に、前記受光装置が、二次元的に配列した複数の受光素子を有しており、それぞれの受光素子で材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光が取得されて、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られるものとなる。あるいは、前記受光装置が、列を成して配列する複数の受光素子を有し、前記受光装置と材料とを前記列と交叉する向きに相対的に移動させる移送装置を有しており、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光が同時に取得されるとともに、この取得ラインが移動して、一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られるものとなる。
また、本発明のキャリア寿命の測定装置は、材料と前記受光装置との間に波長フィルタが設けられているもの、または、材料と前記受光装置との間に偏光フィルタが設けられているものである。
本発明のキャリア寿命の測定装置は、材料に与える励起の周波数を変化させる励起装置が設けられ、
前記判別部では、異なる周波数で励起したときに前記受光装置で取得される検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を測定するものとして構成できる。
または、材料に与えられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返して与える励起装置が設けられ、
前記判別部では、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに前記受光装置で取得される検知光の強度と、前記受光装置で材料から発せられる光を連続して検出した検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を測定するものとして構成できる。
または、材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を前記受光装置で蓄積して検知し、
前記判別部では、異なる変調波形の励起で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定するものとして構成できる。
さらには、受光側の前記変調装置では、材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、前記受光装置で、減衰光を蓄積して検知し、
前記判別部では、異なる位相の変調で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定するものとして構成できる。
また、材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比を相違させる励起装置と、励起時間に発せられる光と減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させる受光側の前記変調装置とを有し、
前記判別部では、異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定するものとして構成できる。
本発明は、材料に接触することなく、材料から発せられる光を観察することで、材料内のキャリアの寿命に関する情報を得ることができる。
また、本発明は、材料の所定の領域内でキャリア寿命の分布を求めることが可能である。
励起期間中に材料から発せられる光の強度を示す線図、 材料内のキャリア寿命に起因する発光の減衰曲線を示す線図、 材料に矩形波の励起を与えたときに材料から発せられる光の強度変化を示す線図、 変調した励起を材料に与え、材料から発せられる光を励起と逆の位相で変調して検知する測定方法および測定装置の説明図、 図４に示す測定装置を使用したときの、材料に与える励起の変調と、材料から発せられる光の変調と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 材料に与える励起の変調周波数の変化と、分離された減衰光を蓄積した検知出力の強度との関係を示す線図、 分離された減衰光を蓄積した検知出力が、その最大値の５０％になったときの周波数とキャリア寿命との関係を示す線図、 異なる周波数で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 シミュレーションに使用した材料であって、発光強度とキャリア寿命とがＸ座標のぞれぞれの位置で変動している材料の特性を示す線図、 材料に与える励起の変調周波数と材料から発せられる光の変調周波数を切替えたときの、材料に与える励起の変調と、材料から発せられる光の変調と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 図１０に示したそれぞれの周波数の変調で得られた検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる周波数の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 材料に連続する励起を与えたときに材料から発せられる光を、連続して検知した検出光の強度を示す線図、 励起側の変調と受光側の変調を台形波形にしたときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる周波数で且つ台形波形の変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる周波数の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 台形波形の変調で且つ異なる周波数で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 ほぼ三角関数の変化を示す波形の変調を与えたときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる周波数で且つ三角関数の波形の変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる周波数の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 三角関数波形の変調で且つ異なる周波数で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 矩形波で変調を行ったときと、三角関数波形で変調を行ったときの、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる波形で変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる波形の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 異なる波形の変調で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 異なる位相差で変調したときの、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる位相差で変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる位相差の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 異なる位相差の変調で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 デューティ比を相違させた波形で変調を行ったときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 デューティ比を相違させた波形で変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なるデューティ比の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 デューティ比を相違させた波形で変調して得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 周波数と波形の双方を異ならせて変調を行ったときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 ５０％以外のデューティ比の波形で且つ位相をずらした変調を行ったときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 理想的な構成の測定方法および測定装置の第1の実施の形態を示す説明図、 理想的な構成の測定方法および測定装置の第２の実施の形態を示す説明図、
本発明は、半導体などの材料から発せられる光（ルミネッセンス）を検知することで、その材料を評価する。
結晶材料中には、電子のエネルギーを基準にした伝導帯や非発光センター、不純物準位、欠陥誘起準位などの種々の準位が存在する。励起電子が非熱平衡状態で準位に存在すると、ある確率でホールと再結合して消滅する過程でキャリア寿命が発生する。このとき励起電子のエネルギーは光に変換されたり、格子振動となり熱として材料に伝わってゆく。このときの発光特性は、結晶特有の電子構造や種々の欠陥を反映するものであり、一般的には、結晶欠陥の密度が高いとキャリア寿命が短くなる。したがって、キャリア寿命を測定することは、材料の欠陥状況や純度を知る上で重要である。
太陽電池用の結晶は、欠陥が少ないことが必要である。欠陥密度が高いと、太陽光の照射によって発生した励起電子（電気エネルギー）が欠陥準位に捕えられて熱に変換されたり再発光してしまい、電気エネルギーとして取り出せないことになる。また、太陽電池は、その受光部で発生したキャリアが電極へ到達することで発電が起こるが、キャリア寿命から導かれる拡散距離以内に電極が存在していないと発電ができなくなる。したがって、キャリア寿命が長ければ、電極配置密度を少なくでき、受光面積を増大できることになる。
非接触で高速にウエハ全面のキャリヤ寿命分布が測定できれば、太陽電池の製造工程においても、受光部（発電部）自体を製造したり加工する工程や工程ごとの検査工程などで逐次太陽電池特性を知ることができる。例えば、受光部となるｐｎ接合を高品質で形成する必要があるが、イオン注入・アニールや導電性結晶の成長など再処理が不可能な製造工程に対し、製造直後にキャリア寿命をウェハ全面で測定することによって、全工程が完了する以前に太陽電池としての品質を評価できることになる。このとき、キャリア寿命の評価結果を分布イメージ図で表現することにより、製造中に侵入した不良の原因とその場所を明らかにでき製造損失を少なくできるばかりでなく、歩留まり向上や生産性の改善を行えることになる。
本発明の測定方法および測定装置は、ルミネッセンス光（材料からの発光）を非接触で測定して、材料のキャリア寿命を高速、低コストで求めるものである。そのために、励起中の発光と、励起後の発光を区別、または分離して計測することを特徴とする。さらに、繰り返して分離した発光を蓄積して記録するのを特徴とするものである。
以下の実施の形態は、フォトルミネッセンスによりキャリア寿命を評価している。フォトルミネッセンスは、光によって励起した励起電子が、ホールと再結合する際に発光する過程の概念である。ただし、本発明における励起および発光はフォトルミネッセンスに限られるものではなく、エレクトロルミネッセンスなどによっても実施が可能である。
図１は、シリコン（Ｓｉ）などのウエハに所定時間連続する励起光を与えたときのルミネッセンス光を示しており、横軸が時間で縦軸が発光の大きさである。理想的には、連続する光の励起によるルミネッセンス光の大きさはＡCWＰである。ここで、ＡCWは励起強度であり、Ｐは発光確率（頻度）である。図１においてハッチングを付す面積は、時間Ｔmを測定時間とし、発光の大きさを測定時間で積分した値ＡCWＰＴmに相当している。この積分値には、キャリア寿命に関する情報も含まれているはずであるが、積分値からキャリア寿命の情報を単独で抽出することはできない。
図２は、シリコンなどの半導体材料に励起光を与えたときの発光とキャリア寿命との関係を示しており、横軸が時間であり、縦軸が発光の大きさである。
材料内に励起光のフォトンが１個吸収されると、材料の特性で決まる特性時間τが経過した後に、より低いエネルギーのフォトンが確率Ｐで再発光する。材料に対して同じエネルギーをもつ無限の数のフォトンが吸収されて前述のプロセスで順次に再発光すると、発光の確率分布は指数関数的な減衰曲線となる。理想的には、励起光を振幅Ａδのデルタ関数とすると、発光確率の減衰曲線はＡＰｅ-t/τ（ｅは自然数）で表わされる。前記τがキャリア寿命のパラメータである。すなわち、初期の発光の大きさが１／ｅに減少までに要する時間τをキャリア寿命のパラメータとして評価することができる。
ただし、前記時間τを測定しようとすると、非常に高速で非常によく同期した高感度検出器を使用して、多くのフォトンを測定し平均化することが必要である。さらに、前記時間τはナノ秒領域の非常に短いものであるため、フォトンの平均化のために非常に長い測定時間が必要となる。さらに、極めて弱い光を検出することが必要であるため、通常の検出器のノイズレベルや装置全体のバックグランドレベルでは、実質的に測定が困難である。
図３は、材料に急峻なパルスの励起光を与えたときの材料からの発光の大きさと時間との関係を示している。
図３では、発光の大きさの変化が太い実線で示されている。急峻なパルス状の励起光が立ち上がると、発光の大きさが時間に応じて曲線的に立ち上がる特性を示し、励起光の立ち下がりの後に、発光の大きさが時間に応じて曲線的に減衰する特性を示す。発光の大きさを時間で積分した積分値である図３のハッチング領域の面積は、励起光のパルスの時間幅をＴP、振幅をＡPとすると、発光の積分値はＰＴPＡPとなる。このときの発光は、発光確率（頻度）Ｐと、キャリア寿命とが互いに区別できることなく混在している状態であり、前記積分値は、キャリア寿命の情報のみを抽出したものではない。
ただし、図３において、励起光のパルスの立ち下りの後の発光の減衰曲線は、図２に示したＡＰｅ-t/τの畳み込み特性を有し、キャリア寿命のパラメータτを含むものである。
本発明は、図３において励起パルスの立下りに続いて減衰する減衰光を分離して取得することでキャリア寿命の評価を行おうとするものである。ただし、パルスの立下りの後の発光の減衰時間はきわめて短いために、分離した減衰光のみを取得するためにはきわめて高速に応答する受光装置が必要となる。しかも、減衰光が微弱であるため、この減衰光を取得するためには、高速に応答する受光装置を用いて、減衰光を何回も繰り返して取得することが必要になり、きわめて高度な受光技術が必要となる。
図４は、材料に励起を与え、材料から発せられる光から減衰光を分離し、分離された複数の減衰光を取得することができる本発明の基本的な実施の形態の測定方法と測定装置を示している。
図４に示す測定装置１は、励起装置１０と検知装置２０を有している。励起装置１０は、励起源１１と励起側の変調装置１２を有している。検知装置２０は、受光側の変調装置２１とフィルタ２２と受光装置２３とを有している。励起源１１は、連続発振型の半導体レーザであり、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１は音響光学素子である。受光装置２３は、所定の露光時間において光を蓄積して検知する積分型の受光装置であり、例えば多数のＣＣＤ素子を有する受光装置である。フィルタ２２は波長フィルタまたは偏光フィルタである。
図５（ａ）は、励起源１１から連続して発光する連続光１３が、例起側の変調装置１２で変調された後の励起光１４の波形を示している。変調装置１２として使用される音響光学素子は、超音波周波数で格子定数を制御して、通過する連続光１３に対する屈折率を高速で切替えるものである。したがって、変調装置１２を通過した励起光１４の大きさを、図５（ａ）に示すように、立ち上がりと立下りをほぼ矩形波に近い特性に変調することができる。図５（ａ）に示す励起光１４の照射（励起）と周期とのデューティ比は５０％である。
図５（ｂ）は、励起光１４が、シリコンなどの半導体材料３０に与えられるときに、半導体材料３０から発せられるルミネッセンス光２４の強度変化を示している。図３に示したように、ルミネッセンス光２４の大きさは、励起光１４の急峻な立ち上がりに追従して時間に応じて曲線的に増加し、励起光１４の急峻な立下りに続いて曲線的に減衰する。
図５（ｃ）は、受光側の変調装置２１による変調波形を示している。この変調波形は、図５（ａ）に示す励起光１４の立下りと同期して立ち上がり、励起光１４の立ち上がりと同期して立ち下がるように設定されている。励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１は同じ音響光学素子で構成されており、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１は、同じ周波数で互いに逆位相の制御信号によって動作する。
図５（ｄ）は、半導体材料３０から発せられるルミネッセンス光２４が受光側の変調装置２１で変調された後の分離光２５を示している。受光側の変調装置２１の変調により、図５（ｂ）に示すルミネッセンス光２４のうち、励起光１４が照射されている励起時間中の光が取得されず、励起光１４の終末（励起時間の終末）に続く減衰光２６のみが取り出される。
図５（ｄ）に示すように、ルミネッセンス光２４から、減衰光２６のみを分離して取り出すためには、図５（ｃ）に示す受光時の変調により、励起光１４の終末（励起時間の終末）と同時またはその後にルミネッセンス光２４を取得すればよい。
なお、図５（ｂ）は、半導体材料３０のいずれかの１点の領域から発せられるルミネッセンス光２４の強度変化を示しており、図５（ｄ）の分離光２５は、その１点の領域から発せられたルミネッセンス光２４から減衰光２６を分離したものである。この１点の領域とは、受光装置２３で検知される１つの画素であり、１つの受光素子であるＣＣＤ素子が受光できる領域として位置づけられる。
図５（ｄ）に示す分離光２５は、フィルタ２２を通過することで減衰光２６を含む光成分が抽出されて、受光装置２３に受光される。受光装置２３に設けられたＣＣＤ素子は、光の受光を開始してから検知出力をメモリに移行させるまで間に光を蓄積する露光時間を有しているが、この露光時間に対し、図５（ａ）（ｃ）に示す変調周期が十分に短く設定されている。この露光時間が図５（ｄ）に示す複数の分離光２５を蓄積（積分）して検知する測定時間となる。
図２と図３に示したように、励起光１４の終末に続いて発せられる減衰光２６は、キャリア寿命のパラメータτを含むものであり、複数の減衰光２６が蓄積された検知光は、キャリア寿命の情報を含むものとなる。
励起光１４の終末に続いて発光する減衰光２６は微弱な光であるが、図５（ａ）（ｃ）に示す変調波形を比較的高い周波数に設定することで、受光装置２３の露光時間内に多数の減衰光２６を蓄積（積分）して検知でき、その結果、検知光の強度は、受光装置２３の検知ノイズやその他のノイズに比べて十分に高いレベルの出力として取り出すことができる。
図６は、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１の変調周波数と、受光装置２３のＣＣＤ素子において減衰光２６を蓄積して受光した検知光の強度との関係を示している。横軸の対数軸が変調周波数で縦軸が検知光の強度である。図６は、露光時間（積分時間）を一定としたときに、キャリア寿命が「５０ｎｓｅｃ」、「７０ｎｓｅｃ」、「１００ｎｓｅｃ」、「１５０ｎｓｅｃ」、「２００ｎｓｅｃ」、「３００ｎｓｅｃ」、「５００ｎｓｅｃ」と段階的に変化する材料を想定して、検知光の強度変化をシミュレーションした結果である。
図６に示すように、変調周波数が低く、変調周期がキャリア寿命のパラメータである時間τよりも十分に長いときは、露光時間中に蓄積される減衰光２６の光量がわずかであり、減衰光２６を蓄積した検知光の強度がほぼゼロになる。変調周波数を増加していくと、その増加に比例して、露光時間中に蓄積される減衰光２６の数が増えるので、減衰光２６を蓄積した検知光の強度がほぼ直線的に上昇する。
さらに、変調周波数が高くなり、図５（ｃ）に示すルミネッセンス光２４の取得時間Ｔ１が時間τに接近してくると、変調周波数の増加に伴って検知光の強度が非線形で増加する。さらに、変調周波数が高くなると、取得時間Ｔ１内に蓄積される減衰光２６の光量が飽和し、図６に示すように、検知光の強度が飽和する。
励起側の変調装置１２による励起変調のデューティ比が５０％で、受光側の変調装置２１による受光変調のデューティ比が５０％のとき、飽和した検知光の強度の理論値は、図１に示すルミネッセンス光の発光強度（発光確率）ＡCWＰの１／４である。
図６では、検知光の強度が飽和値の５０％となるレベルを破線の横線で示している。飽和値が５０％となるレベル、すなわちそれぞれの実線と破線との交点は、それぞれのキャリア寿命の材料で測定した検知光の強度が、変調周波数の対数的な増加に対してほぼ直線的に変化している領域に位置している。
図６のシミュレーション結果から、いずれかの単一の変調周波数（測定周波数）を用いて図５（ａ）に示す励起光の変調と図５（ｃ）に示す受光の変調を行って検知光の強度を取得すると、検知光の強度が高ければキャリア寿命が長く、検知光の強度が低ければキャリア寿命が短いと判別することができる。このときの変調周波数（測定周波数）は、図６において、検知光の強度が横軸の対数的な増加に対してほぼ直線的に上昇する領域を使用することが好ましい。
また、複数の測定点の発光強度（発光確率）ＡCWＰが同じ材料を試料とし、単一の変調周波数（測定周波数）を用いて、それぞれの測定点からの検知光の強度を取得すれば、同じ材料内でキャリア寿命が長い場所の検知光の強度が高く、キャリア寿命が短い場所の検知光の強度が低くなり、材料からの検知光の強度を、キャリア寿命の長短に対応する濃淡のデータとして把握することが可能になる。
次に、図７に示す線図は、図６に示すシミュレーションに基づいて、公称キャリア寿命と図５（ａ）（ｃ）での変調周波数との比例関係を求めたものである。横軸が公称キャリア寿命で、縦軸が１／変調周波数、すなわち変調周期を示している。図７の図中における実線の直線は、図６に示されるそれぞれのキャリア寿命の材料の特性曲線（実線）と破線との交点を結んだ線に相当している。つまり、図７の図中の実線は、検知光の強度が飽和値の５０％となるときの変調周期と、その材料の公称キャリア寿命との関係を示している。
図７のシミュレーション結果から、検知光の強度が飽和値の５０％となるときの変調周期（変調周波数）は、キャリア寿命に対して比例的に変化し、その比例定数Ｋが０．１３であることを立証できた。すなわち、検知光の強度が飽和値の５０％となる変調周波数Ｆが解れば、Ｆ＝０．１３／τxからキャリア寿命τxを求めることが可能である。なお、図７に示す比例関係は、必ずしもキャリア寿命が５０ｎｓｅｃから５００ｎｓｅｃの範囲に限られるものではない。
なお、上述したキャリア寿命の指針となる変調周波数は、必ずしも飽和値の５０％である必要はなく、検知光の強度が変調周波数に対して直線的に変化する領域であれば、検知光の強度が飽和値の例えば６０％や４０％となったときの周波数からキャリア寿命を求めてもよい。
材料を励起したときに得られる検知光の強度の変化には、その材料の発光強度（発光確率）ＡCWＰに起因する強度成分と、キャリア寿命の強度成分の双方が含まれている。ただし、図５および図６に基づいて説明したように、変調周波数を掃引することによって、キャリア寿命を定量的に精度良く求めることが可能になる。
さらに、材料の１点に対してキャリア寿命の定量値が求まれば、それ以降は、２つの固定した変調周波数を用いて、減衰光２６を蓄積（積分）した検知光を測定し、異なる変調周波数で得られた２つの検知光の強度の比を求めることで、発光強度（発光確率）を相殺して、キャリア寿命の強度成分を絶対的な測定値として抽出することが可能になる。この測定方法により、変調周波数を常に掃引しなくても、高速にキャリア寿命を定量的に求めることが可能になる。以下、この測定方法について説明する。
図９ないし図１１は、材料の場所によって発光強度（発光確率）とキャリア寿命が変動する材料を想定して、材料のそれぞれの場所からキャリア寿命の情報を単独で抽出する測定方法のシミュレーション結果を示している。
図９に示すように、このシミュレーションでは、発光強度（発光確率）とキャリア寿命が場所によって互いに異なった特性で変動している材料を想定する。図９の横軸は、材料におけるＸ方向の座標位置を示している。この材料は、発光強度（発光確率）がＸ座標の右へ行くにしたがって徐々に低下し、キャリア寿命はＸ座標の変化に伴って波打つように増減している。
図１０（Ａ）は、図９に示した材料のＸ座標上のある１点の領域において、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１のそれぞれの変調特性を、互いに逆の位相で且つ変調周波数を１ＭＨｚとしたときの波形を示している。図１０（Ａ）の波形の種類は図５と同じであり、（ａ）が励起側の変調波形、（ｂ）が材料から発せられるルミネッセンス光の強度波形、（ｃ）が受光側の変調波形、（ｄ）が減衰光が分離された分離波形である。
図１０（Ａ）の（ｄ）において分離された分離光をＣＣＤ素子の露光時間内に相当する測定時間で積分することで検知光の強度が得られる。図１１では、変調周波数が１ＭＨｚのときの検知光の強度をＸ座標上の複数の点で求め、その点を結んだ変化曲線３１を二点鎖線で示している。
図１０（Ｂ）は、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１のそれぞれの変調特性を、互いに逆の位相で且つ変調周波数を１０ＭＨｚとしたときの波形であり、図１０（Ａ）と同様に、（ａ）が励起側の変調波形、（ｂ）が材料から発せられるルミネッセンス光の強度波形、（ｃ）が受光側の変調波形、（ｄ）が減衰光が分離された分離波形である。図１０（Ｂ）の（ｄ）において分離された減衰光を１ＭＨｚのときと同じ測定時間で積分したのが変調周波数１０ＭＨｚでの検知光の強度である。図１１では、Ｘ座標上の複数の点で変調周波数が１０ＭＨｚのときの検知光の強度を求め、その強度を結んだ線３２を実線で示している。
図１１では、変調周波数が１ＭＨｚのときの検知光の強度を結んだ変化曲線３１と、変調周波数が１０ＭＨｚのときの検知光の強度を結んだ線３２との比を求め、この比を結んだ線を実線の曲線３３で示している（１ＭＨｚ／１０ＭＨｚ）。この曲線３３の変動特性は、図９に示したキャリア寿命の変動曲線ときわめて近似しており、前記比がキャリア寿命を単独で抽出した情報に基づくものであることを理解できる。
図８は、公称キャリア寿命のパラメータτ1が１３０ｎｓｅｃの材料において、キャリア寿命のパラメータがτ1／５から２τ1までばらつきがある材料に関して、前述した図９ないし図１１で説明したシミュレーションにより、変調周波数が１ＭＨｚのときに減衰光２６を蓄積（積分）して得た検知光の強度と、変調周波数が１０ＭＨｚのときに減衰光２６を蓄積（積分）して得た検知光の強度との比を求めた結果である。図８の横軸はキャリア寿命のパラメータτであり、縦軸が、（１ＭＨｚときの検知光の強度）／（１０ＭＨｚのときの検知光の強度）の比である。
図８では、２つの変調周波数で得た検知光の比と公称キャリア寿命とが、ほぼ直線的に比例していることがわかる。よって、互いに異なる変調周波数で得た検知光の強度の比を求めることによって、キャリア寿命をその増減と比例する定量的な値として把握できることがわかる。これは、材料の発光強度（発光確率）ＡCWＰが相違し、図６に示す検知光の強度の飽和値が相違していたとしても、前記比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを意味している。
図１２は、（ａ）に示すように、励起光を変調せずに材料に連続する励起光を与えた例を示している。このとき、（ｂ）に示すように、材料から連続するルミネッセンス光が得られ、（ｃ）に示すように材料からの発光を変調しないため、（ｄ）に示すように、受光装置のＣＣＤ素子で連続するルミネッセンス光が検知される。
図１１には、ＣＣＤ素子の露光時間に相当する測定時間で図１２（ｄ）に示す連続光を積分して得られた検知光の強度の１／４を求め、Ｘ座標のそれぞれの場所で得られた（強度／４）を結んだ線３４を破線で示している。この線３４は、１０ＭＨｚの変調によって得られた検知光の強度を結んだ線３２ときわめて近似している。したがって、変調周波数が１ＭＨｚのときの検知光の強度を示す変化曲線３１と、連続する励起光を与えたときに得られた検知光の（強度／４）を示す線３４との比を求めると、この比の変動は曲線３３とほぼ一致する。
したがって、励起光とルミネッセンス光を変調して得られた検知光の強度と、連続する励起光で得られた検知光の強度との比を求めることによっても、キャリア寿命の情報を単独で取り出すことができる。
上記の実施の形態では、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１による光の変調特性が、急峻に立ち上がり急峻に立ち下がる矩形波に従うことを前提とし、且つ励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１とが完全に同期して動作することを前提として説明してきた。しかし、変調装置の能力やノイズなどの影響で変調特性が正確な矩形波特性にならないことがあり、また励起側の変調装置１２の変調動作と受光側の変調装置２１の変調動作との間に時間ずれなどが生じる可能性がある。
しかし、本発明の測定方法と測定装置は、変調特性が正確な矩形波でなくても、また励起側の変調と受光側の変調とに時間的なずれがあっても、その特徴を発揮でき、キャリア寿命に関する情報を単独で取り出すことが可能である。
図１３に示す例では、（ａ）に示す励起側の変調装置１２による変調特性が台形波形となっている。そのため、材料から（ｂ）に示す特性のルミネッセンス光２４が発せられる。（ｃ）に示す受光側の変調装置２１による変調特性も台形波形である。（ａ）に示す励起側の台形波形の変調と、（ｃ）に示す受光側の台形波形の変調は、互いに逆位相で且つ同じ周波数で互いに同期している。ルミネッセンス光２４が、（ｃ）に示す特性の変調を受ける結果、受光装置２３で（ｄ）に示す分離光２５が検知される。
（ｃ）に示す受光側の変調特性は台形波形であるため、（ｄ）に示す分離光２５で得られる光成分２６ａには、励起時間に続いて発光する減衰光のみならず、励起時間に発せられる光の成分の一部も含まれている。
図９に示したのと同じ発光強度（発光確率）とキャリア寿命の変動特性を有する材料を想定し、図１３に示す変調波形により得られる検知光の強度をシミュレーションで求めた。
図１３（ａ）（ｃ）に示す変調周波数を１ＭＨｚとして、Ｘ座標のそれぞれの場所で得られる分離光２５をＣＣＤ素子の露光時間に相当する測定時間で積分した検知光の強度を求め、図１４に、その変化曲線３１ａを二点鎖線で示している。また、図１３（ａ）（ｃ）に示す変調周波数を１０ＭＨｚとして、Ｘ座標のそれぞれの場所から得られた分離光２５を前記測定時間で積分した検知光の強度を求め、図１４に、その強度を結んだ線３２ａを実線で示している。
変調周波数が１ＭＨｚのときに得られた検知光の強度と、変調周波数が１０ＭＨｚのときに得られた検知光の強度との比を求めたのが曲線３３ａである。この曲線３３ａは、図９に示すキャリア寿命の増減の特性ときわめて近似している。すなわち、図１３に示す変調特性に基づいて、異なる変調周波数で得られた検知光の強度の比を求めることによっても、キャリア寿命を単独で抽出した情報を得ることができる。
図１５は、図１３に示す変調特性において１ＭＨｚの変調周波数で求められた検知光の強度と、１０ＭＨｚの変調周波数で求められた検知光の強度との比を求め、強度の比の変化を公称キャリア寿命との関係で示したものである。図１５は図８と同様の評価を行っているものである。図１５に示すように、前記比は公称キャリア寿命に対してほぼ直線的に変化しており、図１３に示す変調特性に基づき、異なる変調周波数で得られた検知光の強度の比を求めると、この比が、キャリア寿命の長短と比例的に対応していることがわかる。
さらに、図１４には、図１２（Ｂ）と同様にして材料に連続する励起光を与えたときに得られる検知光の強度の１／４を求め、Ｘ座標上の複数の場所で求めた前記強度を結んだ線３４を破線で示している。この線３４と、台形波形で且つ１０ＭＨｚで変調したときの検知光の強度を示す線３２ａがほぼ一致している。したがって、図１３に示す台形波形の変調特性で変調して得られた検知光の強度と、材料を連続して励起したときに得られる検知光との比からも、キャリア寿命の情報を単独で抽出することが可能である。
図１６に示すシミュレーションでは、（ａ）に示す励起側の変調特性が三角関数に近似した波形となっており、材料からは（ｂ）に示す特性のルミネッセンス光２４が発せられる。（ｃ）に示す受光側の変調特性も三角関数に近似した波形である。（ａ）に示す励起側の三角関数波形の変調と（ｃ）に示す受光側の三角関数波形の変調は、同じ周波数で互いに逆位相となるように同期している。（ｄ）には材料から発せられるルミネッセンス光２４を変調した分離光２５の強度変化が示されている。
（ｂ）に示す特性のルミネッセンス光２４が、（ｃ）に示す三角関数波形の変調を受けるため、（ｄ）に示す分離光２５に含まれる光成分２６ｂには、励起時間の後に発せられる減衰光の成分のみならす、励起時間に発せられる光の成分の一部も含まれている。
図１７には、図１６に示す三角関数波形で１ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度の変化曲線３１ｂと、三角関数波形で１０ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度の変動を示す線３２ｂと、変化曲線３１ｂと線３２ｂとの比を求めた曲線３３ｂとが示されている。この曲線３３ｂは、図９に示した材料のキャリア寿命の変動曲線と近似しており、キャリア寿命に関する情報が抽出されていることが解る。
また、図１７に示す変化曲線３１ｂと、連続する励起光で得られたルミネッセンス光の強度の１／４の変化を示す線３４との比からも、前記曲線３３ｂと同等の特性が得られる。
図１８は、図１５に相当しており、図１６に示す三角関数波形で１ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度と、三角関数波形で１０ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度との比と、公称キャリア寿命との関係を示したものである。図１８から、三角関数波形で変調したときも、異なる周波数で得られた検知光の強度の比を求めことで、キャリア寿命の成分と比例する情報を得ることが可能である。
次に、発光強度の成分を除去し、キャリア寿命成分を定量化する測定方法は、前述のような異なる変調周波数による検知光の強度の比や、さらに連続光による検知光の強度の１／４の値を用いることの他、以下のような測定方法を用いることも可能である。
図１９に示すシミュレーションは、図９に示す特性の材料を想定し、変調波形を相違させたときに得られる検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを示している。
図１９（Ａ）は、図１０（Ａ）の波形と同じであり、（ａ）に示す励起側の変調波形が矩形波であり、（ｃ）に示す受光側の変調波形も矩形波である。（ａ）に示す励起側の変調波形と（ｃ）に示す受光側の変調波形は、同じ１ＭＨｚの周波数で互いに位相が逆となるように同期している。（ｄ）で得られた分離光をＣＣＤの露光時間に相当する測定時間で積分したのが検知光の強度である。図２０には、矩形波の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布が、二点鎖線の変化曲線３１ｃで示されている。
図１９（Ｂ）は、図１６と同じ波形であり、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形とが三角関数に近似した曲線である。（ａ）の変調波形と（ｃ）の変調波形は同じ周波数であり、位相が１８０度ずれた逆位相となっている。また、図１９（Ａ）の（ａ）（ｃ）に示す矩形波と、図１９（Ｂ）の（ａ）（ｃ）に示す三角関数波形は、互いに同じ周波数であり、１ＭＨｚである。図２０には、三角関数波形の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布が、実線の変化曲線３２ｃで示されている。
図２０には、矩形波の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３１ｃと、三角関数波形の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３２ｃとの比を求めた曲線３３ｃが示されている。この曲線３３ｃは、図９に示すキャリア寿命の変動曲線に近似しており、キャリア寿命の情報を反映していることがわかる。
図２１には、（矩形波の変調による検知光の強度）／（三角関数波形の変調による検知光の強度）の比と、公称キャリア寿命との関係が示されている。図２１から、矩形波の変調で得られた検知光の強度と三角関数波形の変調により得られた検知光の強度の比の大小が、キャリア寿命の大きさの変化にほぼ追従していることを理解できる。
図２２に示すシミュレーションは、図９に示す特性の材料を想定し、励起側の変調波形と受光側の変調波形との間の位相差を相違させて得られた２種類の検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを示している。
図２２（Ａ）に示す波形は、図１０（Ａ）および図１９（Ａ）と同じであり、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形が、同じ１ＭＨｚの周波数で位相差が１８０度の矩形波である。（ｄ）で得られた分離光をＣＣＤの露光時間に相当する測定時間で積分したのが検知光の強度であり、図２３には、この検知光の強度のＸ座標上での分布が、二点鎖線の変化曲線３１ｄで示されている。
図２２（Ｂ）は、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形とが矩形波であり、励起側と受光側との位相差が０度である。図２２（Ａ）の（ａ）（ｃ）に示す矩形波と、図２２（Ｂ）の（ａ）（ｃ）に示す矩形波は共にデューティ比が５０％であり、周波数はともに１ＭＨｚである。図２３には、図２２（Ｂ）の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布を示す線３２ｄが実線で示されている。
図２３では、図２２（Ａ）の波形の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３１ｄと、図２２（Ｂ）の波形の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３２ｄとの比を求めた曲線３３ｄが示されている。この曲線３３ｄは、図９に示すキャリア寿命の変動曲線に近似しており、キャリア寿命の情報を反映していることがわかる。
図２４には、（図２２（Ａ）の変調による検知光の強度）／（図２２（Ｂ）の変調による検知光の強度）の比と、公称キャリア寿命との関係が示されている。図２４から、異なる位相差の矩形波で変調された２種類の検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命の成分と比例する情報を得ることが可能である。
図２５ないし図２７に示すシミュレーションは、図９に示す特性の材料を想定し、変調波形のデューティ比を相違させて得られた２種類の検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを示している。
図２５（Ａ）に示す波形は、図１０（Ａ）と図１９（Ａ）および図２１（Ａ）と同じであり、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形が、同じ１ＭＨｚの周波数で互いに位相が逆の矩形波である。図２５（Ｂ）に示す波形は、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形が、１ＭＨｚの周波数で逆位相の矩形波である。ただし、図２５（Ａ）は、変調波形のデューティ比が５０：５０であるのに対し、図２５（Ｂ）は、デューティ比が９０：１０である。
図２６には、図２５（Ａ）の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布を示す変化曲線３１ｆが二点差線で示され、図２５（Ｂ）の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布を示す変化曲線３２ｆが実線で示されている。また、変化曲線３１ｆと変化曲線３２ｆとの比を求めた曲線３３ｆが示されている。この曲線３３ｆは、図９に示すキャリア寿命の変動曲線に近似しており、キャリア寿命の情報を反映していることがわかる。
図２７には、（図２５（Ａ）の変調による検知光の強度）／（図２５（Ｂ）の変調による検知光の強度）の比と、公称キャリア寿命との関係が示されている。図２６と図２７とから、デューティ比を相違させて測定した検知光の強度の比から、キャリア寿命の情報を抽出できることがわかる。
上記の各実施の形態では、以下の例について説明した。
（１）異なる周波数の変調で得られた２種類の検知光の強度の比を求める。
（２）間欠的な励起により得られた検知光の強度と、連続する励起により得られた検知光の強度との比を求める。
（３）矩形波以外の波形で励起側の変調または受光側の変調を行う。
（４）互いに波形が相違する変調で得た２種類の検知光の強度の比を求める。
（５）励起側の変調と受光側の変調との位相差を互いに相違させて得た２種類の検知光の強度の比を求める。
（６）異なるデューティ比の変調で得られた２種類の検知光の強度の比を求める。
上記の条件は、互いに組み合わせることが可能である。
例えば、図２８（Ａ）に示す例えば１ＭＨｚの矩形波の変調で得られた検知光の強度と、図２８（Ｂ）に示す三角関数に近似した波形であって矩形波よりも周波数が高い例えば１０ＭＨｚの変調で得られた検知光の強度の比を求めることによっても、キャリア寿命に関する情報を独立させて抽出することが可能である。
また、図５や図１０（Ａ）に示す例では、（ａ）で示す励起側の変調と、（ｃ）で示す受光側の変調とを、共にデューティ比が５０％で逆位相の矩形波とすることによって、材料に励起を与える励起時間の終末に続く減衰光を励起中の光から分離している。これに対し、図２９に示す例では、（ａ）で示す励起側の変調と、（ｃ）で示す受光側の変調が、共にデューティ比が４０％の矩形波に基づくものであり、励起側の変調と受光側の変調とで位相が１４４度ずれている。この構成によっても、材料に励起を与える励起時間の終末に同期させて、減衰光を励起中の光から分離することができる。このように、励起側の変調と受光側の変調は、位相差１８０°およびデューティ比５０％に限定されるものではなく、減衰特性を分離可能な変調波形であればよい。
図３０には、これまで説明した測定方法を実現するのに最適な測定装置４０が示されている。
図４に示した基本構造の測定装置１と同様に、励起装置１０は励起源１１と励起側の変調装置１２を有している。励起源１１は連続発光の半導体レーザであり、変調装置１２は音響光学素子である。励起源１１で発せられた連続光１３は、変調装置１２で変調されて励起光１４となる。
変調装置１２の前方にレンズ４１が設けられており、変調された励起光１４が光学的に変調されて、材料３０の表面の所定の面積の領域に与えられる。レンズ４１は、コリメートレンズや焦点比の大きい凸レンズまたは凹レンズ、あるいはそれらの組み合わせであり、材料３０の所定の面積の領域に与えられる光量の差が最小となるように構成される。
検知装置２０は、受光側の変調装置２１と受光装置２３を有している。変調装置２１は音響光学素子である。材料３０と変調装置２１との間に集光レンズ４２が設けられている。材料３０の所定の領域から発せられるルミネッセンス光２４は、集光レンズ４２で集光されて変調装置２１に与えられ、変調装置２１で分離された分離光２５が受光装置２３で受光される。受光装置２３は複数のＣＣＤ素子が配列した受光素子アレイであり、その前方に、分離光２５を受光素子アレイに集光させるカメラレンズ４３が設けられている。なお、検知装置２０には必要に応じて図４に示したフィルタ２２が装備される。
受光装置２３に設けられた受光素子アレイが、二次元的に配列した複数のＣＣＤ素子を有しているものであれば、材料３０の所定面積の領域から発せられたルミネッセンス光２４を個々のＣＣＤ素子で同時に受光することが可能になる。個々のＣＣＤ素子で得られた検知光の強度によって、一定の面積の領域のそれぞれの点のキャリア寿命の情報を得ることができる。また、それぞれのＣＣＤ素子で検知された検知光の強度に対し、図１１の曲線３３に示すような比の演算を行うことで、広い領域内のそれぞれの点に関して、キャリア寿命に関する情報を抽出することが可能である。
また、受光装置２３に設けられた受光素子アレイが、１列または複数の列を成すＣＣＤ素子を有しているものである場合には、材料３０が設置されたテーブルを前記列と直交する方向へ間欠的または連続的に移動させる移送装置４５を設けることによって、材料３０の広い面積からのルミネッセンス光を、受光装置２３のＣＣＤ素子によって順次取得することが可能である。これは、材料３０が設置されたテーブルが固定されて、測定装置４０が移動しても同じである。
図３０に示す測定装置４０は、変調制御部４６を有している。この変調制御部４６によって励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１が制御され、各図に示したように、励起光の変調とルミネッセンス光の変調が行なわれる。
測定装置４０には、主制御部としても機能する判別部４７が設けられ、励起源１１と変調装置１２，２１が制御される。これとともに、受光装置子２３の個々のＣＣＤ素子がその露光時間に蓄積して得た検知光が、メモリに保持された後に、ディジタル値に変換されて判別部４７に与えられる。判別部４７で、図１１の曲線３３に示すような比の演算が行われ、個々のＣＣＤ素子を画素単位として、材料３０の測定領域のそれぞれの点のキャリア寿命の情報を得ることができる。
判別部４７で演算された材料３０のそれぞれの点のキャリア寿命の情報は、所定面積の領域内の比較情報として使用することができる。例えば、それぞれの点のキャリア寿命を数字情報として表示装置に表示することができ、または、キャリア情報に対応する濃淡を有するイラスト画像として表示させることなどが可能になる。この場合、個々のＣＣＤが濃淡の画素単位となる。
図３１に示す測定装置４０Ａは、材料３０から発せられるルミネッセンス光２４を分離するビームスプリッタ５１が設けられて、ルミネッセンス光２４が集光レンズ４２に向かう成分と第２のカメラレンズ５２に向かう成分とに分離される。そして、第２のカメラレンズ５２を経た光が変調装置を介することなく、第２の受光装置５３に与えられる。この測定装置４０Ａでは、一度の測定で、ルミネッセンス光２４を変調した検知光と、無変調の検知光を得ることができる。
または、ビームスプリッタ５１で分離された光を第２の変調装置で変調して受光装置５３で検知してもよい。これにより、一度の測定で異なる変調の検知光を得ることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、励起源１１として間欠的に発光するパルス発光レーザを使用すると、変調装置１２を設けなくても、種々のデューティ比に変調した励起光１４を得ることができる。また、受光装置２３を、それぞれの検知素子が光を間欠的に受光し、間欠的に受光した検知出力をメモリに蓄積できるものを使用すれば、変調装置２１を設けなくても、ルミネッセンス光からキャリア寿命の成分である減衰光を分離し、さらに分離した減衰光を所定の露光時間に蓄積することが可能である。
さらに励起装置１０が励起光を発するものではなく、間欠的な電力を発生するものであり、この電力で材料３０内のキャリアが励起され再結合して発光するエレクトロルミネッセンスにより、キャリア寿命を測定することも可能である。
さらに、本願発明の測定方法および測定装置の対象である材料は、シリコン（Ｓｉ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、シリコン・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カルコパイライト型化合物（ＣｕＩｎＳ２）、カルコパイライト系多結晶膜（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）、フラーレン（Ｃ６０）誘導体系有機半導体、などの半導体結晶材料が典型的なものであるが、これら以外の半導体材料であってもよい。
さらには、励起光や励起電力によって、内部のキャリアが励起されて活性化し、電子などのキャリアのエネルギーレベルが低下する際に光を発するものであれば、有機材料や高分子材料などであってもよい。
１ 測定装置
１０ 励起装置
１１ 励起源
１２ 変調装置
１３ 連続光
１４ 励起光
２０ 検知装置
２１ 変調装置
２２ フィルタ
２３ 受光装置
２４ ルミネッセンス光
２５ 分離光
２６ 減衰光
３０ 半導体材料
４０ 測定装置
４１ レンズ
４２ 集光レンズ
４３ カメラレンズ
４５ 移送装置
４６ 変調制御部
４７ 判別部
５１ ビームスプリッタ
５２ カメラレンズ
５３ 受光装置

Claims (32)

  1. 材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定方法において、
    励起時間が間隔を空けて周期的に繰り返されるように、材料に励起を与え、
    材料から発せられる光を受光側の変調装置で変調して、材料から発せられる光のうちの前記励起時間の終末に続いて発せられる減衰光を前記励起の周期と同期して分離し、
    分離された複数の前記減衰光を受光装置に与え、
    前記受光装置は、ＣＣＤで光を蓄積する１回の露光時間が、複数の前記励起の周期を含む長さであり、１回の前記露光時間に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知し、
    蓄積されて検知された検知光の積分強度に基づいてキャリアの寿命を測定することを特徴とするキャリア寿命の測定方法。
  2. 材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に取得することで、励起時間に発せられる光から減衰光を分離する請求項１記載のキャリア寿命の測定方法。
  3. 材料から発せられる光を励起時間の途中から取得することで、励起時間に発せられる光と、前記光の一部および減衰光とを分離する請求項１記載のキャリア寿命の測定方法。
  4. 励起源から発せられる励起を励起側の変調装置に通過させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与える請求項１ないし３のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  5. 励起源から励起を断続的に発生させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与える請求項１ないし３のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  6. 前記受光装置は、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子で複数の減衰光を蓄積して検知する請求項１ないし５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  7. 複数の受光素子が二次元的に配列した受光装置を使用し、材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光をそれぞれの受光素子で同時に取得し、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得る請求項６記載のキャリア寿命の測定方法。
  8. 複数の受光素子が列を成して配列した受光装置を使用し、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光を同時に取得し、この取得ラインを移動させて、材料の一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得る請求項６記載のキャリア寿命の測定方法。
  9. 材料に複数の周波数の励起を与え、それぞれの周波数の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、異なる周波数の励起で得られた前記検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１ないし８のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  10. 励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに、減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度と、材料から発せられる光を連続して検出して得られる検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１ないし８のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  11. 材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、異なる波形の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１ないし８のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  12. 材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、減衰光を蓄積して検知した検知光を取得し、異なる位相の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１ないし８のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  13. 材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比、および励起時間に発せられる光から減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させ、異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１ないし８のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  14. 材料に与える励起が励起光である請求項１ないし１３のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  15. 材料に与える励起が励起電力である請求項１ないし１３のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  16. 材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定装置において、
    励起時間が間隔を空けて周期的に繰り返される励起を材料に与える励起装置と、
    材料から発せられる光のうちの前記励起時間の終末に続いて発せられる減衰光を前記励起の周期と同期して分離する受光側の変調装置と、
    ＣＣＤで光を蓄積する１回の露光時間が、複数の前記励起の周期を含む長さであり、１回の前記露光時間に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知する受光装置と、
    前記露光時間内に蓄積されて検知された検知光の積分強度に基づいてキャリアの寿命を測定する判別部と、
    を有することを特徴とするキャリア寿命の測定装置。
  17. 前記励起装置が、励起源と、励起源から発せられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように変調する励起側の変調装置とを有する請求項１６記載のキャリア寿命の測定装置。
  18. 前記励起装置が、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように励起を発する励起源を有している請求項１６記載のキャリア寿命の測定装置。
  19. 前記励起源が、発光源である請求項１７または１８記載のキャリア寿命の測定装置。
  20. 前記励起源が、励起電力の発生源である請求項１７または１８記載のキャリア寿命の測定装置。
  21. 受光側の前記変調装置は、材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に分離して前記減衰光を得る請求項１６ないし２０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  22. 受光側の前記変調装置は、材料から発せられる光を励起時間の途中から分離して前記減衰光を得る請求項１６ないし２０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  23. 前記受光装置は、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子が複数の減衰光を蓄積して検知する請求項１６ないし２０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  24. 前記受光装置が、二次元的に配列した複数の受光素子を有しており、それぞれの受光素子で材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光が取得されて、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られる請求項２３記載のキャリア寿命の測定装置。
  25. 前記受光装置が、列を成して配列する複数の受光素子を有し、前記受光装置と材料とを前記列と交叉する向きに相対的に移動させる移送装置を有しており、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光が同時に取得されるとともに、この取得ラインが移動して、一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られる請求項２３記載のキャリア寿命の測定装置。
  26. 材料と前記受光装置との間に波長フィルタが設けられている請求項１６ないし２５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  27. 材料と前記受光装置との間に偏光フィルタが設けられている請求項１６ないし２５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  28. 材料に与える励起の周波数を変化させる励起装置が設けられ、
    前記判別部では、異なる周波数で励起したときに前記受光装置で取得される検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１６ないし２７のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  29. 材料に与えられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返して与える励起装置が設けられ、
    前記判別部では、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに前記受光装置で取得される検知光の強度と、前記受光装置で材料から発せられる光を連続して検出した検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１６ないし２７のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  30. 材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を前記受光装置で蓄積して検知し、
    前記判別部では、異なる変調波形の励起で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１６ないし２７のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  31. 受光側の前記変調装置では、材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、前記受光装置で、減衰光を蓄積して検知し、
    前記判別部では、異なる位相の変調で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１６ないし２７のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  32. 材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比を相違させる励起装置と、励起時間に発せられる光と減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させる受光側の前記変調装置とを有し、
    前記判別部では、異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を測定する請求項１６ないし２７のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
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