JP5949567B2 - Method and apparatus for calculating optical band gap of semiconductor material - Google Patents

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Description

本発明は、Taucプロットから光学的バンドギャップを決定する際に用いられる、半導体物質の光学的バンドギャップの算出方法及び算出装置に関する。   The present invention relates to a method and an apparatus for calculating an optical band gap of a semiconductor material used when determining an optical band gap from a Tauc plot.

半導体物質の物性を評価する指標のひとつに光学的バンドギャップ(以下、適宜「バンドギャップ」という。)がある。バンドギャップは、電子の充満した価電子帯の最上部と電子の存在しない伝導帯の最下部との間のエネルギー差を意味する。特許文献1や非特許文献1に記載されているように、バンドギャップはTaucプロットから求めることができる。Taucプロットは、Taucらによって提案された以下の関係式に基づいている。
(hνα)1/n=k(hν-Eg)
ここで、hはプランク定数、νは振動数、αは吸光係数、kは比例定数、Egはバンドギャップである。nは半導体物質の遷移の種類によって異なり、以下のように決められる。
直接許容遷移の場合:n=1/2
直接禁制遷移の場合:n=3/2
間接許容遷移の場合:n=2
間接禁制遷移の場合:n=3
なお、説明を簡便にするため、以下では半導体物質の遷移が直接許容遷移であるものとする(つまり、n=1/2とする)。
One index for evaluating the physical properties of semiconductor materials is an optical band gap (hereinafter referred to as “band gap” where appropriate). The band gap means the energy difference between the uppermost part of the valence band filled with electrons and the lowermost part of the conduction band in which no electrons exist. As described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the band gap can be obtained from the Tauc plot. The Tauc plot is based on the following relationship proposed by Tauc et al.
(hνα) 1 / n = k (hν-Eg)
Here, h is the Planck constant, ν is the frequency, α is the extinction coefficient, k is the proportionality constant, and Eg is the band gap. n varies depending on the type of transition of the semiconductor material and is determined as follows.
For direct allowable transition: n = 1/2
For direct forbidden transition: n = 3/2
Indirect permissible transition: n = 2
Indirect forbidden transition: n = 3
For the sake of simplicity, it is assumed below that the transition of the semiconductor material is a direct allowable transition (that is, n = 1/2).

縦軸(y軸)が吸光度A、横軸(x軸)が波長λである吸収スペクトルから、その縦軸をエネルギーhνと吸収係数αの積の二乗(hνα)2に、横軸をエネルギーhνに、それぞれ変換するとTaucプロットが得られる。なお、吸光度Aと吸収係数αの関係は次式で定義される。
A=-ln(I/I0)=αL
ここで、Iは試料セルを透過した光の強度、I0は試料セルに入射した光の強度、Lは試料セル中の光路長である。
From the absorption spectrum where the vertical axis (y axis) is absorbance A and the horizontal axis (x axis) is wavelength λ, the vertical axis is the square of the product of energy hν and absorption coefficient α (hνα) 2 , and the horizontal axis is energy hν. In addition, a Tauc plot can be obtained by converting each. The relationship between the absorbance A and the absorption coefficient α is defined by the following equation.
A = -ln (I / I 0 ) = αL
Here, I is the intensity of light transmitted through the sample cell, I 0 is the intensity of light incident on the sample cell, and L is the optical path length in the sample cell.

上記の吸収係数αは物質に固有の値であり、入射光のエネルギーに応じて変化する。半導体物質の吸収係数αは入射光の波長λが短くなると共に上昇し、特にバンドギャップに対応する波長の近傍において大きく増加する。同様に、Taucプロットでも、(hνα)2の値はエネルギーhνと共に少しずつ上昇し、バンドギャップの近傍で大きく上昇してS字状の上昇曲線を描き、その後は緩やかに上昇する(図1(a)参照)。このS字状の上昇曲線の変曲点を通る接線を引くと、該接線とx軸(y=0の直線)の交点のエネルギーがバンドギャップEgとなる(図1(b)参照)。なお、Taucプロットにx軸(y=0の直線)とは別にベースラインが存在する場合には、前記接線と該ベースラインの交点がバンドギャップEgとなる(図1(c)参照)。 The above-described absorption coefficient α is a value specific to the substance and changes according to the energy of incident light. The absorption coefficient α of the semiconductor material increases as the wavelength λ of incident light becomes shorter, and increases greatly particularly in the vicinity of the wavelength corresponding to the band gap. Similarly, in the Tauc plot, the value of (hνα) 2 increases little by little with the energy hν, greatly increases in the vicinity of the band gap, draws an S-shaped ascending curve, and then increases gently (FIG. 1 ( a)). When a tangent line passing through the inflection point of the S-shaped rising curve is drawn, the energy at the intersection of the tangent line and the x axis (y = 0 straight line) becomes the band gap Eg (see FIG. 1B). When a base line exists in the Tauc plot in addition to the x axis (y = 0 straight line), the intersection of the tangent line and the base line becomes the band gap Eg (see FIG. 1C).

特開平11-14841号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-14841

"化合物半導体のバンドギャップ測定−拡散反射スペクトルからバンドギャップを求める−", SHIMADZU APPLICATION NEWS, No. A428, 2010年10月"Measurement of band gaps in compound semiconductors-Obtaining band gaps from diffuse reflectance spectra-", SHIMADZU APPLICATION NEWS, No. A428, October 2010

バンドギャップEgを求める際には、まず、Taucプロットが前記S字状の上昇曲線を描く領域において、該Taucプロットの各点における1次微分値を計算し、該1次微分値が最大になる点を見出して変曲点を決定する。
ところが、吸収スペクトルには測定時のノイズが重畳されているため、Taucプロットにもその影響が残っている。このため、TaucプロットにおけるS字曲線の1次微分を計算すると、多くの場合、極大値が複数現れる。そして、1次微分値が最大である点が真の変曲点ではない場合がある。そのため、従来の装置において変曲点の判別を自動的に行わせると、誤った点を選択して接線の方程式を作成し、誤ったバンドギャップを求めてしまう可能性があった。
When obtaining the band gap Eg, first, in the region where the Tauc plot draws the S-shaped ascending curve, the primary differential value at each point of the Tauc plot is calculated, and the primary differential value is maximized. Find the point and determine the inflection point.
However, since noise at the time of measurement is superimposed on the absorption spectrum, the influence remains in the Tauc plot. For this reason, when the first derivative of the S-shaped curve in the Tauc plot is calculated, in many cases, a plurality of local maximum values appear. In some cases, the point where the first-order differential value is the maximum is not a true inflection point. Therefore, if the inflection point is automatically determined in the conventional apparatus, there is a possibility that an incorrect band is selected by selecting an incorrect point and creating a tangent equation.

本発明が解決しようとする課題は、吸収スペクトル等の実測データから作成されたTaucプロット上の曲線から正しいバンドギャップを求めることができる、半導体物質の光学的バンドギャップの算出方法及び算出装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a method and a device for calculating an optical band gap of a semiconductor material, in which a correct band gap can be obtained from a curve on a Tauc plot created from measured data such as an absorption spectrum. It is to be.

上記課題を解決するために成された本発明は、Taucプロットから半導体物質の光学的バンドギャップを求めるために用いられる算出方法であって、
a) Taucプロットの各点における1次微分値を計算し、該1次微分値が最大となるエネルギー値をX0とする1次微分値計算ステップと、
b) X0を含む所定のエネルギー範囲内における、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、該近似直線の傾きを求める近似直線計算ステップと、
c) 前記近似直線計算ステップにおいて求められた近似直線のうち、傾きが最大である近似直線と、前記Taucプロットのベースラインの交点のエネルギー値を光学的バンドギャップとするバンドギャップ決定ステップと、
を有することを特徴とする。
The present invention made to solve the above problems is a calculation method used to determine the optical band gap of a semiconductor material from a Tauc plot,
a) calculating a primary differential value at each point of the Tauc plot, and calculating a primary differential value with X0 being an energy value at which the primary differential value is maximized;
b) For all combinations of two points separated by a predetermined number of plot points within a predetermined energy range including X0, an approximate line is obtained for Tauc plot points existing between the two points, and the approximate line An approximate straight line calculation step for obtaining the slope of
c) a band gap determination step in which the energy value of the intersection of the approximate line having the maximum inclination and the baseline of the Tauc plot among the approximate lines obtained in the approximate line calculation step is an optical band gap;
It is characterized by having.

上記のX0を含む所定のエネルギー範囲は、例えば、TaucプロットがS字状の上昇曲線を描くエネルギー範囲内に変曲点が存在することを踏まえ、Taucプロットの全体形状を考慮して、その中でS字状の上昇曲線を描いているエネルギー範囲に設定すればよい。また、上記の予め決められたプロット点数は、例えば、Taucプロットに重畳するノイズのピーク幅を考慮し、該ノイズのピーク幅以上とすればよい。近似直線は、例えば最小二乗法によって求めることができる。
上記Taucプロットのベースラインは、該Taucプロットについて別途計算されたベースライン、あるいはx軸(y=0の直線)のいずれかを意味する。従って、上記バンドギャップ決定ステップでは、Taucプロットのベースラインが予め作成されている場合には該ベースラインと近似直線の交点から、そうでない場合にはx軸(y=0の直線)と近似直線の交点からバンドギャップを決定する。
The predetermined energy range including X0 is, for example, in consideration of the overall shape of the Tauc plot, considering that the inflection point exists in the energy range in which the Tauc plot draws an S-shaped rising curve. It is sufficient to set the energy range in which an S-shaped rising curve is drawn. The predetermined number of plot points may be set to be equal to or greater than the peak width of noise in consideration of the peak width of noise superimposed on the Tauc plot, for example. The approximate straight line can be obtained by, for example, the least square method.
The baseline of the Tauc plot means either a baseline calculated separately for the Tauc plot or an x axis (a straight line with y = 0). Therefore, in the band gap determination step, when the baseline of the Tauc plot is created in advance, from the intersection of the baseline and the approximate line, otherwise, the x axis (y = 0 straight line) and the approximate line The band gap is determined from the intersection point.

本発明に係る光学的バンドギャップの算出方法では、近似直線計算ステップにおいて、所定のエネルギー範囲内における、予め決められた点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線と該近似直線の傾きを網羅的に求める。そして、バンドギャップ決定ステップにおいて、最大の傾きを有する近似直線を選択して、その近似直線とTaucプロットのベースラインの交点からバンドギャップを決定する。
このように、本発明に係る光学的バンドギャップの算出方法では、近似直線を網羅的に計算し、その中から傾きが最大である近似直線を選択してバンドギャップを求めるため、正しいバンドギャップを求めることができる。
In the optical bandgap calculation method according to the present invention, in the approximate straight line calculation step, Tauc exists between the two points for all combinations of two points separated by a predetermined number of points within a predetermined energy range. The approximate straight line and the slope of the approximate straight line are comprehensively obtained for the plot points. Then, in the band gap determination step, an approximate line having the maximum slope is selected, and the band gap is determined from the intersection of the approximate line and the baseline of the Tauc plot.
As described above, in the optical band gap calculation method according to the present invention, an approximate straight line is comprehensively calculated, and an approximate straight line having the maximum inclination is selected from the approximate straight line to obtain a band gap. Can be sought.

本発明に係る光学的バンドギャップの算出方法は、
d) 最も低エネルギー側のTaucプロット点から、X0よりも予め決められたエネルギーだけ小さいTaucプロット点までの範囲内で、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、それらの近似直線の中から、予め決められた条件に基づいてベースラインを決定するベースライン決定ステップと、
を有することが望ましい。
The optical band gap calculation method according to the present invention is as follows.
d) Within the range from the Tauc plot point on the lowest energy side to the Tauc plot point that is smaller by a predetermined energy than X0, all the combinations of two points that are more than the predetermined number of plot points are A baseline determination step for determining an approximate line for Tauc plot points existing between points, and determining a baseline based on a predetermined condition from those approximate lines;
It is desirable to have

上記の予め決められたエネルギーは、例えば、第2近似直線計算ステップにおいて近似直線を求める際に用いるTaucプロットのエネルギー範囲が、TaucプロットがS字状の上昇曲線を描く領域よりも低いエネルギー範囲となるように設定すればよい。また、上記の予め決められた点数は、例えば、該点数により決められる範囲がTaucプロットに重畳する個々のノイズのピーク幅よりも十分に広くなるように決定すればよい。
ベースライン決定ステップにおいても、近似直線は、例えば最小二乗法によって求めることができる。この場合には、上記の予め決められた条件は二乗誤差が最小である近似直線をベースラインとすればよい。
The predetermined energy is, for example, that the energy range of the Tauc plot used when obtaining the approximate line in the second approximate line calculation step is lower than the area where the Tauc plot draws an S-shaped ascending curve. What is necessary is just to set. Further, the predetermined number of points may be determined so that, for example, the range determined by the number of points is sufficiently wider than the peak width of each noise superimposed on the Tauc plot.
Also in the baseline determination step, the approximate straight line can be obtained by, for example, the least square method. In this case, the predetermined condition may be that the approximate straight line having the smallest square error is used as the baseline.

本発明に係る光学的バンドギャップの算出方法は、さらに、
e) Taucプロットの平滑化処理を行う平滑化処理ステップ
を有することが望ましい。
平滑化処理ステップは、1次微分値計算ステップを行う前に行う。これにより、Taucプロットに重畳するノイズの影響を低減して高精度で正しいバンドギャップを求めることができる。この場合、例えばSavitzky-Golay法を用いた平滑化微分を行い、平滑化処理ステップと1次微分値計算ステップを同時に行うようにしてもよい。
The optical bandgap calculation method according to the present invention further includes:
e) It is desirable to have a smoothing process step for smoothing the Tauc plot.
The smoothing process step is performed before the first derivative calculation step. Thereby, the influence of the noise superimposed on the Tauc plot can be reduced, and a correct band gap can be obtained with high accuracy. In this case, for example, smoothing differentiation using the Savitzky-Golay method may be performed, and the smoothing processing step and the primary differential value calculation step may be performed simultaneously.

上記課題を解決するために成された本発明の別の態様は、Taucプロットから半導体物質の光学的バンドギャップを求めるために用いられ、そのために必要なパラメータを使用者に入力させるパラメータ入力手段を有する算出装置であって、
a) Taucプロット各点における1次微分値を計算し、該1次微分値が最大となるエネルギー値をX0とする1次微分値計算手段と、
b) 前記パラメータに基づいて、X0を含む所定のエネルギー範囲内における、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、該近似直線の傾きを求める近似直線計算手段と、
c) 前記近似直線計算手段により求められた近似直線のうち、傾きが最大である近似直線と、前記Taucプロットのベースラインの交点のエネルギー値を光学的バンドギャップとするバンドギャップ決定手段と、
を備えることを特徴とする。
Another aspect of the present invention made to solve the above problems is used for obtaining an optical band gap of a semiconductor material from a Tauc plot, and a parameter input means for allowing a user to input parameters necessary for the purpose. A calculation device comprising:
a) a primary differential value calculating means for calculating a primary differential value at each point of the Tauc plot and setting the energy value at which the primary differential value is maximum as X0;
b) Based on the above parameters, for all combinations of two points separated by a predetermined number of plot points within a predetermined energy range including X0, an approximate straight line targeting Tauc plot points existing between the two points And an approximate straight line calculating means for determining the slope of the approximate straight line;
c) Among the approximate lines obtained by the approximate line calculation means, an approximate straight line having the maximum inclination, and a band gap determination means having an optical band gap as an energy value at the intersection of the base lines of the Tauc plot;
It is characterized by providing.

上記の所定のエネルギー範囲、及び予め決められたプロット点数は、パラメータ入力手段を用いて使用者が入力するパラメータに含まれる。上述したように、使用者は、所定のエネルギー範囲は、例えばTaucプロットの形状を考慮して上記所定のエネルギー範囲を設定し、例えばTaucプロットに重畳するノイズのピーク幅を考慮して上記の予め決められた点数を設定する。   The predetermined energy range and the predetermined number of plot points are included in the parameters input by the user using the parameter input means. As described above, the user sets the predetermined energy range in consideration of the shape of the Tauc plot, for example, and sets the predetermined energy range in consideration of the peak width of the noise superimposed on the Tauc plot, for example. Set a fixed number of points.

また、本発明に係る光学的バンドギャップの算出装置は、
d) 前記パラメータに基づいて、最も低エネルギー側のTaucプロット点から、X0よりも予め決められたエネルギーだけ小さいTaucプロット点までの範囲内で、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、前記パラメータに基づいて、それらの近似直線の中からベースラインを決定するベースライン決定手段と、
を有することが望ましい。
In addition, the optical bandgap calculation apparatus according to the present invention includes:
d) Based on the above parameters, a combination of two points separated from the Tauc plot point on the lowest energy side by a predetermined number of plot points within the range from the Tauc plot point that is smaller than X0 by a predetermined energy. For all of the above, obtaining an approximate line for Tauc plot points existing between the two points, and based on the parameters, a baseline determining means for determining a baseline from among the approximate lines;
It is desirable to have

ベースライン決定手段を備えた態様の装置の場合には、パラメータ入力手段は、ベースライン決定手段に実施させる処理に必要なパラメータも使用者に入力させる。   In the case of the apparatus of the aspect provided with the baseline determination means, the parameter input means allows the user to input parameters necessary for processing to be performed by the baseline determination means.

本発明に係る光学的バンドギャップの算出装置は、さらに、
e) Taucプロットの平滑化処理を行う平滑化処理手段
を有することが望ましい。
The optical bandgap calculation apparatus according to the present invention further includes:
e) It is desirable to have smoothing processing means for smoothing the Tauc plot.

本発明に係る光学的バンドギャップの算出方法では、近似直線を網羅的に計算し、その中から傾きが最大である近似直線を選択してバンドギャップを求めるため、吸収スペクトル等の実測データから作成されたTaucプロットから正しいバンドギャップを求めることができる。
また、本発明に係る光学的バンドギャップの算出装置を用いる場合も同様に、実測データから作成されたTaucプロットから正しいバンドギャップを求めることができる。
In the optical bandgap calculation method according to the present invention, an approximate straight line is comprehensively calculated, and an approximate straight line having the maximum inclination is selected from the approximate straight line. The correct band gap can be obtained from the obtained Tauc plot.
Similarly, when the optical bandgap calculation apparatus according to the present invention is used, a correct bandgap can be obtained from a Tauc plot created from measured data.

Taucプロットからバンドギャップを算出する方法を説明する図。The figure explaining the method of calculating a band gap from Tauc plot. 本実施例の半導体物質のバンドギャップの算出装置の要部構成図。The principal part block diagram of the calculation apparatus of the band gap of the semiconductor substance of a present Example. 本実施例の半導体物質のバンドギャップの算出方法において接線及びバンドギャップを決定する手順を説明する図。6A and 6B illustrate a procedure for determining a tangent and a band gap in a method for calculating a band gap of a semiconductor material according to an embodiment. 本実施例の半導体物質のバンドギャップの算出方法においてベースライン及びバンドギャップを決定する手順を説明する図。6A and 6B illustrate a procedure for determining a base line and a band gap in a method for calculating a band gap of a semiconductor material according to an embodiment. 本実施例の半導体物質のバンドギャップの算出方法及び算出装置を用いてTaucプロットからバンドギャップを算出した例。The example which calculated the band gap from the Tauc plot using the calculation method and calculation apparatus of the band gap of the semiconductor substance of a present Example.

Taucプロットは、上述したように吸収スペクトルから得ることができるほか、拡散反射スペクトルから得ることもできる。例えば、試料が粉体である場合には、拡散反射スペクトルからTaucプロットを得る。本実施例では、拡散反射スペクトルからTaucプロットを得て、バンドギャップを算出する。拡散反射スペクトルからTaucプロットを得る場合には、まず、拡散反射スペクトルをKubelka-Munk変換する。Kubelka-Munk変換とは、具体的には拡散反射スペクトルの縦軸を吸収係数αに比例する量F(R)に変換する方法であり、次式で定義される。
F(R)=(1-R)2/2R=α/S
ここで、Rは絶対反射率、Sは散乱係数である。
続いて、Kubelka-Munk変換したスペクトルの縦軸(F(R))と横軸(波長nm)を、それぞれ縦軸((hνF(R))2)と横軸(hν)に変換する。上記のとおり、F(R)は吸収係数αに比例するため、上述した手順によりバンドギャップを算出することができる。本実施例ではこの縦軸、横軸を有するものもTaucプロットと呼ぶ。
The Tauc plot can be obtained from the absorption spectrum as described above, and can also be obtained from the diffuse reflection spectrum. For example, when the sample is powder, a Tauc plot is obtained from the diffuse reflection spectrum. In this embodiment, the Tauc plot is obtained from the diffuse reflection spectrum, and the band gap is calculated. When obtaining a Tauc plot from a diffuse reflection spectrum, first, the diffuse reflection spectrum is subjected to Kubelka-Munk conversion. Specifically, the Kubelka-Munk transformation is a method of converting the vertical axis of the diffuse reflection spectrum into an amount F (R ) proportional to the absorption coefficient α, and is defined by the following equation.
F (R ) = (1-R ) 2 / 2R = α / S
Here, R∞ is the absolute reflectance, and S is the scattering coefficient.
Subsequently, the vertical axis (F (R )) and horizontal axis (wavelength nm) of the Kubelka-Munk transformed spectrum are converted into the vertical axis ((hνF (R )) 2 ) and horizontal axis (hν), respectively. . As described above, since F (R ) is proportional to the absorption coefficient α, the band gap can be calculated by the procedure described above. In the present embodiment, those having the vertical axis and the horizontal axis are also called Tauc plots.

本発明に係る半導体物質の光学的バンドギャップの算出方法及び算出装置(以下、単に「算出方法」、「算出装置」という。)の一実施例について、図面を参照して説明する。図2に本実施例の算出装置の要部構成図、図3及び図4に本実施例の算出方法の各ステップを示す。   An embodiment of a method and apparatus for calculating an optical band gap of a semiconductor material according to the present invention (hereinafter simply referred to as “calculation method” and “calculation apparatus”) will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram of the main part of the calculation apparatus of the present embodiment, and FIGS.

本実施例に係る算出装置は、記憶部10、パラメータ入力部11、平滑化処理部12、1次微分値計算部13、近似直線計算部14、ベースライン決定部15、バンドギャップ決定部16を機能的に有するコンピュータと、該コンピュータに接続された入力部20及び表示部30を備えている。各部の動作については、本実施例に係る算出方法と併せて説明する。   The calculation apparatus according to the present embodiment includes a storage unit 10, a parameter input unit 11, a smoothing processing unit 12, a primary differential value calculation unit 13, an approximate straight line calculation unit 14, a baseline determination unit 15, and a band gap determination unit 16. A computer having a function, and an input unit 20 and a display unit 30 connected to the computer are provided. The operation of each unit will be described together with the calculation method according to the present embodiment.

まず、上述した手順で得たTaucプロットをコンピュータに読み込み、記憶部10に保存する(ステップS1)。続いて、パラメータ入力部11がパラメータ入力画面を表示部30に表示し、使用者に以下のパラメータ1〜6を入力させる。それぞれのパラメータの詳細については、当該パラメータが使用されるステップで詳述する。各パラメータの括弧内に記載した数値等が、本実施例において使用者が入力した具体的な値等である。
パラメータ1:ステップS2におけるTaucプロットのデータ補完間隔設定(0.001eV)
パラメータ2:ステップS4における平滑化処理の有無とその方法(平滑化処理有り+移動平均)
パラメータ3:ステップS6において対象とするエネルギー範囲(±0.1eV)
パラメータ4:ステップS6において選択する2点の条件(10点)
パラメータ5:ステップS21において対象とするエネルギー範囲(-0.1eV)
パラメータ6:ステップS21において選択する2点の条件(50点)
First, the Tauc plot obtained by the above-described procedure is read into a computer and stored in the storage unit 10 (step S1). Subsequently, the parameter input unit 11 displays a parameter input screen on the display unit 30 and allows the user to input the following parameters 1 to 6. Details of each parameter will be described in detail in the step in which the parameter is used. A numerical value or the like described in parentheses of each parameter is a specific value or the like input by the user in this embodiment.
Parameter 1: Data interpolation interval setting for Tauc plot in step S2 (0.001eV)
Parameter 2: Presence / absence of smoothing process in step S4 and its method (with smoothing process + moving average)
Parameter 3: Target energy range in step S6 (± 0.1 eV)
Parameter 4: 2 points selected in step S6 (10 points)
Parameter 5: Energy range targeted in step S21 (-0.1 eV)
Parameter 6: Conditions for two points selected in step S21 (50 points)

平滑化処理部12は、記憶部10に保存されているTaucプロットのプロット間隔が、使用者により入力されたパラメータ1(0.001eV)と合致しているかを確認する(ステップS2)。これに合致していない場合には、Taucプロットを補完(内挿)により、Taucプロットのプロット間隔をパラメータ1(0.001eV)と合致させる(ステップS3)。
通常、拡散反射スペクトルを測定する際には、一定値ずつ波長(λ)を変更して測定する。Taucプロットでは、横軸がエネルギー(hν)に変換されているため、拡散反射スペクトルをKubelka-Munk変換した後のTaucプロットのプロット間隔は不均等になっている。そのため、本実施例ではTaucプロットのプロット間隔を等間隔に補完(内挿)している。パラメータ1の値は、バンドギャップを算出する際に必要とする有効数字の桁数(本実施例では小数点以下3桁)を考慮して設定する。
The smoothing processing unit 12 checks whether the plot interval of the Tauc plot stored in the storage unit 10 matches the parameter 1 (0.001 eV) input by the user (step S2). If not, the Tauc plot is complemented (interpolated) so that the plot interval of the Tauc plot matches the parameter 1 (0.001 eV) (step S3).
Usually, when measuring the diffuse reflection spectrum, the wavelength (λ) is changed by a certain value. In the Tauc plot, since the horizontal axis is converted to energy (hν), the plot intervals of the Tauc plot after the Kubelka-Munk conversion of the diffuse reflection spectrum are uneven. Therefore, in the present embodiment, the Tauc plot interval is complemented (interpolated) at equal intervals. The value of parameter 1 is set in consideration of the number of significant digits (three digits after the decimal point in this embodiment) necessary for calculating the band gap.

また、平滑化処理部12はパラメータ2(平滑化処理有り+移動平均)に基づいて、Taucプロットを平滑化する(ステップS4)。パラメータ2(平滑化処理の方法)としては、他にもSavitzky-Golay法を用いた平滑化微分など、種々の方法を用いることができる。なお、この場合には、後述する1次微分値計算が同時に行われる。また、測定時に重畳するノイズの影響が小さく、平滑なTaucプロットが得られている場合には、パラメータ2を平滑化処理無しと設定してもよい。   Further, the smoothing processing unit 12 smoothes the Tauc plot based on the parameter 2 (with smoothing processing + moving average) (step S4). As parameter 2 (smoothing method), various other methods such as smoothing differentiation using the Savitzky-Golay method can be used. In this case, the first-order differential value calculation described later is performed simultaneously. Further, when the influence of noise superimposed at the time of measurement is small and a smooth Tauc plot is obtained, the parameter 2 may be set as no smoothing processing.

1次微分値計算部13は、Taucプロットの各点における1次微分値を計算し、該1次微分値が最大となるエネルギー値をX0とする(ステップS5)。   The primary differential value calculation unit 13 calculates the primary differential value at each point of the Tauc plot, and sets the energy value at which the primary differential value is maximum as X0 (step S5).

次に、近似直線計算部14は、パラメータ3(±0.1eV)及びパラメータ4(10点)に基づき、X0-0.1eVからX0+0.1eVのエネルギー範囲における、10点以上離れた任意の2点を抽出し、該2点間の全てのTaucプロット点を対象として、最小二乗法により近似直線を求める(ステップS6)。そして、求めた近似直線の傾きAを、Amaxとして記憶部10に保存する(ステップS7)。   Next, the approximate straight line calculation unit 14 is based on the parameter 3 (± 0.1 eV) and the parameter 4 (10 points). And an approximate straight line is obtained by the least square method for all Tauc plot points between the two points (step S6). Then, the obtained inclination A of the approximate straight line is stored as Amax in the storage unit 10 (step S7).

パラメータ3は、TaucプロットがS字状の上昇曲線を描いている範囲を確認して設定する。本実施例では、パラメータ3を±0.1eVとしたが、例えば、S字状の上昇曲線が急峻である場合には±0.05eVとしたり、なだらかな場合には±0.2eVとしたりすることができる。
パラメータ4は、Taucプロットに重畳するノイズの影響を低減するため、抽出する2点の間に拡散反射スペクトルの実測点が少なくとも3点含まれるように設定する。半導体物質の拡散反射スペクトルを取得する場合には、例えば200nmから1600nmの範囲で0.1nmずつ波長を変更する。この波長範囲の中で最も短い波長は約200nmである。この波長範囲において0.1nm波長が異なると、エネルギーは約0.003eV異なる。この点を踏まえ、本実施例ではパラメータ4を10点(0.01eVに相当)としている。
パラメータ3及びパラメータ4の設定はこれらに限らず、例えば後述のステップS6からステップS10に要する時間を考慮して設定してもよい。
Parameter 3 is set by confirming the range in which the Tauc plot draws an S-shaped ascending curve. In this embodiment, the parameter 3 is set to ± 0.1 eV. For example, when the S-shaped rising curve is steep, it can be set to ± 0.05 eV, or can be set to ± 0.2 eV when the curve is gentle. .
Parameter 4 is set so that at least three measured points of the diffuse reflection spectrum are included between the two extracted points in order to reduce the influence of noise superimposed on the Tauc plot. When acquiring a diffuse reflection spectrum of a semiconductor material, for example, the wavelength is changed by 0.1 nm in a range of 200 nm to 1600 nm. The shortest wavelength in this wavelength range is about 200 nm. If the 0.1 nm wavelength is different in this wavelength range, the energy is about 0.003 eV different. In consideration of this point, the parameter 4 is set to 10 points (corresponding to 0.01 eV) in this embodiment.
The setting of the parameter 3 and the parameter 4 is not limited to these, and may be set in consideration of the time required from step S6 to step S10 described below, for example.

続いて、X0-0.1eVからX0+0.1eVのエネルギー範囲における、10点以上離れた2点の組み合わせの全てに関して近似直線の傾きの比較が行われたかを確認する(ステップS10)。最初の段階では、全ての組み合わせに関する近似直線の傾きの比較を完了していないため、再びステップS6に戻り、先に抽出した2点とは別の、10点以上離れた2点を抽出して同様に近似直線を求める。そして、この近似直線の傾きAと、記憶部に保存されているAmaxを比較して(ステップS7)、A>Amaxである場合(ステップS8)には、新たに求めた近似直線の傾きAを新たなAmaxとして記憶部10に保存する(ステップS9)。ステップS8においてA<Amaxである場合には、先に保存されているAmaxをそのまま保存しておく。そして、全ての組み合わせについて近似直線の傾きの比較を完了すると、記憶部10に保存されているAmaxの傾きを有する近似直線をTaucプロットの接線として決定する(ステップ11)。最後に、バンドギャップ決定部16が、Taucプロットの接線とx軸(y=0の直線)の交点のエネルギー値Egをバンドギャップに決定する(ステップ12)。Taucプロットに、x軸(y=0の直線)とは別にベースラインが存在する場合には、バンドギャップ決定部16は、以下に説明する手順を経てベースラインを算出してからバンドギャップを決定する。   Subsequently, it is confirmed whether the slopes of the approximate lines have been compared for all combinations of two points separated by 10 points or more in the energy range from X0-0.1 eV to X0 + 0.1 eV (step S10). In the first stage, since the comparison of the slopes of the approximate straight lines for all the combinations has not been completed, the process returns to step S6 again to extract two points that are 10 points or more apart from the two previously extracted points. Similarly, an approximate straight line is obtained. Then, the inclination A of the approximate line is compared with Amax stored in the storage unit (step S7). If A> Amax (step S8), the newly obtained inclination A of the approximate line is calculated. The new Amax is stored in the storage unit 10 (step S9). If A <Amax in step S8, the previously stored Amax is stored as it is. When the comparison of the slopes of the approximate lines for all the combinations is completed, the approximate line having the slope of Amax stored in the storage unit 10 is determined as the tangent line of the Tauc plot (step 11). Finally, the band gap determining unit 16 determines the energy value Eg at the intersection of the tangent line of the Tauc plot and the x axis (y = 0 straight line) as the band gap (step 12). If there is a baseline in the Tauc plot that is separate from the x axis (y = 0 line), the band gap determination unit 16 calculates the baseline through the procedure described below and then determines the band gap. To do.

Taucプロットに、x軸(y=0の直線)とは別にベースラインが存在する場合の、該ベースラインの算出手順について、図2及び図4を参照して説明する。本実施例では、ベースライン算出に係るステップS21からS29を上述のステップS11を完了した後、ステップS12の代わりに行う。なお、ベースライン算出に係るステップS21からS29は、上述したステップS5が完了した後、つまりX0を決定した後であれば実行可能である。従って、例えば、上述したステップS5からステップS11と並行して、ステップS21からS29を実行してもよい。   A base line calculation procedure in the case where a base line exists in the Tauc plot separately from the x-axis (y = 0 straight line) will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, steps S21 to S29 relating to the baseline calculation are performed instead of step S12 after step S11 is completed. Note that steps S21 to S29 relating to the baseline calculation can be executed after step S5 described above is completed, that is, after X0 is determined. Therefore, for example, steps S21 to S29 may be executed in parallel with the above-described steps S5 to S11.

ベースライン決定部15は、パラメータ5(-0.1eV)及びパラメータ6(50点)に基づき、最も低エネルギー側のTaucプロット点からX0-0.1eVのエネルギー範囲における、50点以上離れた任意の2点を抽出し(ステップS21)、該2点間の全てのTaucプロット点を対象として、最小二乗法により近似直線を求める(ステップS22)。そして、近似直線とTaucプロットの各プロット点との二乗誤差Eを算出し(ステップS23)、Eminとして記憶部10に保存する(ステップS24)。   The baseline determination unit 15 is based on the parameter 5 (−0.1 eV) and the parameter 6 (50 points), and is an arbitrary 2 separated by 50 points or more in the energy range of X0-0.1 eV from the Tauc plot point on the lowest energy side. Points are extracted (step S21), and an approximate straight line is obtained by the least square method for all Tauc plot points between the two points (step S22). Then, a square error E between the approximate straight line and each plot point of the Tauc plot is calculated (step S23), and is stored in the storage unit 10 as Emin (step S24).

パラメータ5は、TaucプロットがS字状の上昇曲線を描いている範囲を確認して、該上昇曲線が位置するエネルギー範囲よりも低エネルギー側が対象範囲となるように設定する。本実施例では、パラメータ5を-0.1eVとしたが、例えば、S字状の上昇曲線がより急峻である場合には-0.05eVとしたり、なだらかである場合には-0.2eVとしたりすることができる。
パラメータ6は上述したパラメータ4と同じ考え方で設定することができる。ただし、パラメータ4が適用されるステップS6からステップS10において対象とするエネルギー範囲に比べ、パラメータ6が適用されるステップS21からステップS26において対象とするエネルギー範囲は広いため、抽出する2点の組み合わせ数が多くなり、処理に時間を要してしまう。そこで、ステップS21からステップS26を行うために要する時間を同時に考慮して設定する。つまり、エネルギー範囲が狭い場合には、パラメータ6の点数を少なく設定し、エネルギー範囲が広い場合にはパラメータ6の点数を多く設定する。
これらパラメータの設定方法は一例であり、その他、例えば、Taucプロットの全体形状を考慮し、低エネルギー側でTaucプロットの直線性が高いエネルギー範囲を選択するようにしてもよい。これにより、高い精度でベースラインを決定することができる。
Parameter 5 is set so that the range in which the Tauc plot draws an S-shaped rising curve is confirmed, and the lower energy side of the energy range where the rising curve is located is the target range. In this embodiment, the parameter 5 is set to -0.1 eV. For example, when the S-shaped rising curve is steeper, it is set to -0.05 eV, and when it is gentle, it is set to -0.2 eV. Can do.
Parameter 6 can be set in the same way as parameter 4 described above. However, since the target energy range in step S21 to step S26 to which parameter 6 is applied is wider than the target energy range in step S6 to step S10 to which parameter 4 is applied, the number of combinations of two points to be extracted Increases, and processing takes time. Therefore, the time required for performing steps S21 to S26 is set taking into account simultaneously. That is, when the energy range is narrow, the number of parameters 6 is set small, and when the energy range is wide, the number of parameters 6 is set large.
These parameter setting methods are merely examples. For example, in consideration of the overall shape of the Tauc plot, an energy range in which the linearity of the Tauc plot is high on the low energy side may be selected. Thereby, a baseline can be determined with high accuracy.

続いて、最も低エネルギー側のTaucプロット点からX0-0.1eVのエネルギー範囲における、50点以上離れた2点の組み合わせの全てに関して近似直線の二乗誤差の比較が行われたかを確認する(ステップS27)。最初の段階では、全ての組み合わせに関する近似直線の二乗誤差の比較を完了していないため、再びステップS21に戻り、先に抽出した2点とは別の、50点以上離れた2点を抽出して同様に近似直線を求める(ステップS22)。そして、この近似直線の二乗誤差Eを算出し(ステップS23)、該二乗誤差Eと記憶部10に保存されているEminを比較して(ステップS24)、E<Eminである場合(ステップS25)には、新たに求めた近似直線の二乗誤差Eを新たなEminとして記憶部10に保存する(ステップS26)。ステップS24においてE>Eminである場合には、先に保存されているEminをそのまま保存しておく。そして、全ての組み合わせについて近似直線の傾きの比較が完了すると、記憶部10に保存されている二乗誤差Eminに対応する近似直線をTaucプロットのベースラインとして決定する(ステップ28)。最後に、バンドギャップ決定部16が、Taucプロットの接線と該ベースラインの交点のエネルギー値Egをバンドギャップに決定する(ステップS29)。   Subsequently, it is confirmed whether the square error of the approximation line has been compared for all combinations of two points separated by 50 points or more in the energy range of X0-0.1 eV from the Tauc plot point on the lowest energy side (step S27). ). In the first stage, since the comparison of the square errors of the approximate straight lines for all the combinations has not been completed, the process returns to step S21 again, and two points that are 50 points or more apart from the two previously extracted points are extracted. Similarly, an approximate straight line is obtained (step S22). Then, the square error E of this approximate straight line is calculated (step S23), the square error E is compared with Emin stored in the storage unit 10 (step S24), and if E <Emin (step S25). In this case, the square error E of the newly obtained approximate straight line is stored in the storage unit 10 as a new Emin (step S26). If E> Emin in step S24, the previously stored Emin is stored as it is. When the comparison of the slopes of the approximate lines for all the combinations is completed, the approximate line corresponding to the square error Emin stored in the storage unit 10 is determined as the baseline of the Tauc plot (step 28). Finally, the band gap determination unit 16 determines the energy value Eg at the intersection of the tangent line of the Tauc plot and the baseline as the band gap (step S29).

本実施例の算出装置及び算出方法によりTaucプロットからバンドギャップを算出した例を図5に示す。なお、この算出例では、移動平均による平滑化処理ではなくSavitzky-Golay法を用いてTaucプロットを平滑化微分する処理を行った。図5(a)はCuInSe2、図5(b)はCuIn0.5Ga0.5、図5(c)はCuGaSe2について、それぞれ拡散反射スペクトルから得たTaucプロットからバンドギャップを算出したものである。これらの結果から分かるように、Taucプロットの形状が異なったり、Taucプロットにノイズの影響が残存したりする場合でも、本実施例の算出装置及び算出方法を用いることによって真の変曲点を選択して正しいバンドギャップを求めることができる。 FIG. 5 shows an example in which the band gap is calculated from the Tauc plot by the calculation device and the calculation method of this example. In this calculation example, the Tauc plot is smoothed and differentiated using the Savitzky-Golay method instead of the smoothing process based on the moving average. FIG. 5 (a) shows CuInSe 2 , FIG. 5 (b) shows CuIn 0.5 Ga 0.5 , and FIG. 5 (c) shows CuGaSe 2 calculated band gaps from Tauc plots obtained from diffuse reflection spectra. As can be seen from these results, even when the shape of Tauc plot is different or the influence of noise remains in Tauc plot, the true inflection point is selected by using the calculation device and calculation method of this embodiment. Thus, a correct band gap can be obtained.

上記実施例は一例であって、本願発明の趣旨に沿って適宜に変更可能である。特に、上記実施例で使用したパラメータはいずれも一例であり、Taucプロットの形状等を考慮して適宜に変更する。
上記実施例のステップS6やS22では抽出された2点間に存在する全てのTaucプロット点を対象として近似直線を決定したが、計算時間を短縮するために、所定の間隔ごとに位置するTaucプロット点を抽出し、それらのプロット点のみを対象として近似直線を決定してもよい。また、本実施例ではTaucプロットのプロット間隔を等間隔に補完(内挿)したが、この処理を行わなくてもバンドギャップを算出することが可能である。
The above-described embodiment is an example, and can be appropriately changed in accordance with the gist of the present invention. In particular, any of the parameters used in the above embodiment is an example, and is appropriately changed in consideration of the shape of the Tauc plot.
In steps S6 and S22 of the above embodiment, approximate straight lines are determined for all the Tauc plot points existing between the two extracted points. However, in order to shorten the calculation time, Tauc plots positioned at predetermined intervals are used. Points may be extracted, and an approximate straight line may be determined for only those plot points. In the present embodiment, the Tauc plot interval is complemented (interpolated) at equal intervals, but the band gap can be calculated without performing this processing.

10…記憶部
11…パラメータ入力部
12…平滑化処理部
13…1次微分値計算部
14…近似直線計算部
15…ベースライン決定部
16…バンドギャップ決定部
20…入力部
30…表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Memory | storage part 11 ... Parameter input part 12 ... Smoothing process part 13 ... Primary differential value calculation part 14 ... Approximate straight line calculation part 15 ... Baseline determination part 16 ... Band gap determination part 20 ... Input part 30 ... Display part

Claims (10)

a) Taucプロットの各点における1次微分値を計算し、該1次微分値が最大となるエネルギー値をX0とする1次微分値計算ステップと、
b) X0を含む所定のエネルギー範囲内における、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、該近似直線の傾きを求める近似直線計算ステップと、
c) 前記近似直線計算ステップにおいて求められた近似直線のうち、傾きが最大である近似直線と、前記Taucプロットのベースラインの交点のエネルギー値を光学的バンドギャップとするバンドギャップ決定ステップと、
を有することを特徴とする半導体物質のバンドギャップの算出方法。
a) calculating a primary differential value at each point of the Tauc plot, and calculating a primary differential value with X0 being an energy value at which the primary differential value is maximized;
b) For all combinations of two points separated by a predetermined number of plot points within a predetermined energy range including X0, an approximate line is obtained for Tauc plot points existing between the two points, and the approximate line An approximate straight line calculation step for obtaining the slope of
c) a band gap determination step in which the energy value of the intersection of the approximate line having the maximum inclination and the baseline of the Tauc plot among the approximate lines obtained in the approximate line calculation step is an optical band gap;
A method for calculating a band gap of a semiconductor material, comprising:
前記近似直線計算ステップにおいて、最小二乗法を用いて近似直線を求めることを特徴とする請求項1に記載の半導体物質のバンドギャップの算出方法。2. The method of calculating a band gap of a semiconductor material according to claim 1, wherein, in the approximate line calculation step, an approximate line is obtained using a least square method. d) 最も低エネルギー側のTaucプロット点から、X0よりも予め決められたエネルギーだけ小さいTaucプロット点までの範囲内で、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、それらの近似直線の中から、予め決められた条件に基づいてベースラインを決定するベースライン決定ステップ
を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体物質のバンドギャップの算出方法。
d) Within the range from the Tauc plot point on the lowest energy side to the Tauc plot point that is smaller by a predetermined energy than X0, all the combinations of two points that are more than the predetermined number of plot points are determine the approximate straight line as target Tauc plot points present between the points, the claims from these approximate lines, and having a baseline determination step of determining a baseline based on a predetermined condition A method for calculating a band gap of the semiconductor material according to 1 or 2 .
記ベースライン決定ステップにおいて、最小二乗法を用いて近似直線を求めることを特徴とする請求項3に記載の半導体物質のバンドギャップの算出方法。 Prior Symbol baseline determination step, the method for calculating the band gap of the semiconductor material according to claim 3, wherein the determination of the approximate straight line using the least squares method. e) Taucプロットの平滑化処理を行う平滑化処理ステップ
を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体物質のバンドギャップの算出方法。
5. The method of calculating a band gap of a semiconductor material according to claim 1, further comprising a smoothing step for performing a smoothing process on e) Tauc plot.
Taucプロットから半導体物質の光学的バンドギャップを求めるために用いられ、そのために必要なパラメータを使用者に入力させるパラメータ入力手段を有する算出装置であって、
a) Taucプロット各点における1次微分値を計算し、該1次微分値が最大となるエネルギー値をX0とする1次微分値計算手段と、
b) 前記パラメータに基づいて、X0を含む所定のエネルギー範囲内における、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、該近似直線の傾きを求める近似直線計算手段と、
c) 前記近似直線計算手段により求められた近似直線のうち、傾きが最大である近似直線と、前記Taucプロットのベースラインの交点のエネルギー値を光学的バンドギャップとするバンドギャップ決定手段と、
を備えることを特徴とする半導体物質のバンドギャップの算出装置。
A calculation device having a parameter input means that is used to obtain an optical band gap of a semiconductor material from a Tauc plot and allows a user to input parameters necessary for the purpose.
a) a primary differential value calculating means for calculating a primary differential value at each point of the Tauc plot and setting the energy value at which the primary differential value is maximum as X0;
b) Based on the above parameters, for all combinations of two points separated by a predetermined number of plot points within a predetermined energy range including X0, an approximate straight line targeting Tauc plot points existing between the two points And an approximate straight line calculating means for determining the slope of the approximate straight line;
c) Among the approximate lines obtained by the approximate line calculation means, an approximate straight line having the maximum inclination, and a band gap determination means having an optical band gap as an energy value at the intersection of the base lines of the Tauc plot;
An apparatus for calculating a band gap of a semiconductor material, comprising:
前記近似直線計算手段が、最小二乗法を用いて近似直線を求めることを特徴とする請求項6に記載の半導体物質のバンドギャップの算出装置。The apparatus for calculating a band gap of a semiconductor material according to claim 6, wherein the approximate line calculation means obtains an approximate line using a least square method. d) 前記パラメータに基づいて、最も低エネルギー側のTaucプロット点から、X0よりも予め決められたエネルギーだけ小さいTaucプロット点までの範囲内で、予め決められたプロット点数以上離れた2点の組合せの全てについて、該2点間に存在するTaucプロット点を対象として近似直線を求め、前記パラメータに基づいて、それらの近似直線の中からベースラインを決定するベースライン決定手段
を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体物質のバンドギャップの算出装置。
d) Based on the above parameters, a combination of two points separated from the Tauc plot point on the lowest energy side by a predetermined number of plot points within the range from the Tauc plot point that is smaller than X0 by a predetermined energy. Characterized in that it has a baseline determining means for determining an approximate line for Tauc plot points existing between the two points and determining a baseline from the approximate lines based on the parameters. The apparatus for calculating a band gap of a semiconductor material according to claim 6 or 7 .
記ベースライン決定手段が、最小二乗法を用いて近似直線を求めることを特徴とする請求項8に記載の半導体物質のバンドギャップの算出装置。 Before SL baseline determining means, calculating device of the band gap of the semiconductor material according to claim 8, wherein the determination of the approximate straight line using the least squares method. e) Taucプロットの平滑化処理を行う平滑化処理手段
を有することを特徴とする請求項6〜9のいずれかに記載の半導体物質のバンドギャップの算出装置。
The apparatus for calculating a band gap of a semiconductor material according to claim 6, further comprising: e) a smoothing processing unit that performs Tauc plot smoothing processing.
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