JP6095043B2 - Band lineup device and measuring method thereof - Google Patents

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Description

本発明はバンドラインナップ測定装置に関し、特にバンドラインナップ測定精度を向上させたバンドラインナップ測定装置に関する。また、本発明はバンドラインナップ測定方法に関し、特にバンドラインナップ測定精度を向上させたバンドラインナップ測定方法に関する。   The present invention relates to a band lineup measuring apparatus, and more particularly to a band lineup measuring apparatus with improved band lineup measurement accuracy. The present invention also relates to a band lineup measurement method, and more particularly to a band lineup measurement method with improved band lineup measurement accuracy.

従来より物質・材料のバンドラインナップは、水を分解する物質の探索や、次世代Si集積回路(SiULSI)テクノロジーにおける高誘電率ゲート絶縁膜(High−K材料)の探索、P型及びN型有機半導体材料の探索などにおけるその指標として使われている。今後、高精度の制御が必要なデバイスや、有機物又は酸化物などの多様な材料がデバイスに使われることから、高精度で多種多様な材料でのバンドラインナップ計測が求められる。   Conventionally, the band lineup of substances / materials includes the search for substances that decompose water, the search for high dielectric constant gate insulating films (High-K materials) in next-generation Si integrated circuit (SiULSI) technology, and P-type and N-type organics. It is used as an index for searching for semiconductor materials. In the future, devices that require high-precision control and various materials such as organic substances and oxides will be used in the devices, and therefore, band line-up measurement using various materials with high accuracy is required.

固体の電子状態は、縦軸にエネルギー、横軸に波数ベクトルの大きさをとったバンド図によって表現される。例えば図1は、バンド図を簡略的に表したものである。電子状態で重要なパラメータは、価電子帯上端EVBMと伝導帯下端ECBMである。価電子帯上端EVBMは、分子の場合の最高占有軌道(HOMO)に相当する価電子帯の最上部(Va1ence Band Maximum,以下VBM)のエネルギーである。伝導帯下端ECBMは、分子の場合の最低非占有軌道(LUMO)に相当する伝導帯の最底部(Conduction Band Minimum、以下CBM)のエネルギーである。また、電子の占有と非占有状態の境界のエネルギーを示すフェルミレベル(E)である。電子が物質に束縛されなくなるエネルギーが真空準位(Evac)と呼ばれ、これを電子のエネルギーの原点と定義される。Evac−ECBMは電子親和力(χ)、Evac−EVBMはイオン化ポテンシャル(IP)と呼ばれる。バンドラインナップは、Evacを基準として、ECBMとEVBMの位置に相当するもので、バンドギャップはECBMとEVBMのエネルギーの差である(非特許文献1)。 The electronic state of a solid is represented by a band diagram with the vertical axis representing energy and the horizontal axis representing the magnitude of the wave vector. For example, FIG. 1 is a simplified representation of a band diagram. Important parameters in the electronic state is a valence band maximum E VBM the conduction band minimum E CBM. The valence band upper end E VBM is the energy of the uppermost part of the valence band (hereinafter referred to as VBM) corresponding to the highest occupied orbital (HOMO) in the case of a molecule. The conduction band lower end E CBM is the energy of the bottom of the conduction band (hereinafter referred to as CBM) corresponding to the lowest unoccupied orbit (LUMO) in the case of molecules. Further, it is a Fermi level (E F ) indicating the energy at the boundary between the occupied and unoccupied states of electrons. The energy at which electrons are no longer bound to matter is called the vacuum level (E vac ), which is defined as the origin of electron energy. E vac -E CBM is called electron affinity (χ), and E vac -E VBM is called ionization potential (IP). The band lineup corresponds to the positions of E CBM and E VBM with reference to E vac , and the band gap is the difference in energy between E CBM and E VBM (Non-patent Document 1).

バンドラインナップでは、Evacから測ったECBMとEVBMの位置を決める必要がある。このバンドラインナップは複数の測定を組み合わせることで決めることができる。測定法のひとつとして、紫外光電子分光法(UPS)と逆光電子分光法(IPES)を用いた方法がある。この方法では、ECBMとEVBMの値と詳細なバンド図を求めることができる。他方、この測定法では、以下の理由から真空環境の利用と試料の帯電から測定対象材料が限られるといった問題がある。
第1に、UPSではHeの放電による紫外光源と電子分光器、IPESでは低速エネルギー可変電子源と光検出器が必要でありそれぞれ超高真空中での動作環境が必要なことから、試料を超高真空中にいれなければならない。そのため、当該測定法では水を含んだ有機物や蒸気圧の高い物質などを測定できない。
第2に、測定中に試料の帯電によって電子分光器のエネルギー基準がずれるために、当該測定法では比較的導電性の高い試料しか測定できない。
In the band lineup, it is necessary to determine the positions of E CBM and E VBM measured from E vac . This band lineup can be determined by combining multiple measurements. As one of the measuring methods, there is a method using ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) and inverse photoelectron spectroscopy (IPES). In this method, the values of E CBM and E VBM and a detailed band diagram can be obtained. On the other hand, this measurement method has a problem that the material to be measured is limited due to utilization of the vacuum environment and charging of the sample for the following reasons.
First, the UPS requires an ultraviolet light source and electron spectrometer by He discharge, and IPES requires a low-energy variable electron source and a photodetector, and each requires an operating environment in ultra-high vacuum. Must be in a high vacuum. Therefore, the measurement method cannot measure water-containing organic substances or substances having a high vapor pressure.
Secondly, since the energy reference of the electron spectrometer is shifted due to the charging of the sample during the measurement, the measurement method can measure only a sample having a relatively high conductivity.

測定対象材料が格段に広い計測方法として、次の二つがある。
(a)EVBMの測定に光電子収量分光装置(別名イオン化ポテンシャル測定装置)(非特許文献2)によるイオン化ポテンシャル測定、
(b)分光光度計を用いた光の反射、透過、並びに吸収測定によるバンドギャップの測定。
上記2つの計測法を用いることで、ECBMとEVBMを求めることができる。これらの計測法は、光源及び検出器は真空環境を必要としないため、大気中での計測が行えるため、水を含む有機物や蒸気圧の高い物質も測定が行えるほか、帯電の影響をあまり受けないため(非特許文献3)、導電性の低い材料(絶縁物)に対しても計測でき、測定対象材料が格段に広い。
なお、イオン化ポテンシャル測定装置は、特許文献2、4にも開示されている。特許文献2には、試料に分光された紫外光を照射し、放出される光電子の収量を測定することにより、試料の仕事関数またはイオン化ポテンシャルを測定する仕事関数またはイオン化ポテンシャル測定装置が提案されている。また、特許文献4には、試料に紫外光を照射することで得られる電流値からイオン化ポテンシャルを測定するためのイオン化ポテンシャル測定装置が提案されている。
There are the following two measurement methods as the measurement target material is extremely wide.
(A) Ionization potential measurement using a photoelectron yield spectrometer (also known as an ionization potential measurement device) (Non-Patent Document 2) for E VBM measurement,
(B) Measurement of band gap by light reflection, transmission and absorption measurement using a spectrophotometer.
By using the above two measurement methods, E CBM and E VBM can be obtained. Since these measurement methods do not require a vacuum environment for the light source and detector, they can be measured in the atmosphere, so that organic substances including water and substances with high vapor pressure can be measured, and they are not easily affected by charging. Since there is no (nonpatent literature 3), it can measure also to a material (insulator) with low electroconductivity, and a measuring object material is remarkably wide.
The ionization potential measuring device is also disclosed in Patent Documents 2 and 4. Patent Document 2 proposes a work function or ionization potential measuring apparatus that measures the work function or ionization potential of a sample by irradiating the sample with ultraviolet light that has been split and measuring the yield of the emitted photoelectrons. Yes. Patent Document 4 proposes an ionization potential measuring device for measuring an ionization potential from a current value obtained by irradiating a sample with ultraviolet light.

イオン化ポテンシャル測定では、紫外域の光源が用いられ、通常、重水素ランプ又はキセノンランプ光源が用いられる。光の波長は、フォトンエネルギーと反比例の関係にあり、試料に照射する光の波長(フォトンエネルギー)を掃引し、その際に試料に流れる電流値を測定する。また、予めもしくは同時に照射光の光強度を測定し、照射フォトン数に換算する。ここで、電流値を電子数に換算し、照射フォトン数で除した値が光電子収量であるが、その変化点のフォトンエネルギーがイオン化ポテンシャルとされる。   In the ionization potential measurement, an ultraviolet light source is used, and usually a deuterium lamp or a xenon lamp light source is used. The wavelength of light is inversely proportional to the photon energy, and the wavelength of the light (photon energy) applied to the sample is swept, and the value of the current flowing through the sample at that time is measured. Further, the light intensity of the irradiation light is measured in advance or simultaneously and converted to the number of irradiation photons. Here, the value obtained by converting the current value into the number of electrons and dividing by the number of irradiated photons is the photoelectron yield, and the photon energy at the change point is taken as the ionization potential.

同様に、バンドギャップ計測では、赤外域から紫外域の光源が用いられ、通常、重水素ランプとハロゲンランプを組み合わせたもの、あるいはキセノンランプが用いられる。試料に照射する光の波長を掃引し、その際に試料から反射又は透過する光強度を測定する。反射では反射率が変わる変曲点のフォトンエネルギー、透過では透過せず吸収されるフォトンエネルギーがバンドギャップになる。   Similarly, in the band gap measurement, a light source in the infrared region to the ultraviolet region is used, and usually a combination of a deuterium lamp and a halogen lamp, or a xenon lamp is used. The wavelength of the light applied to the sample is swept, and the light intensity reflected or transmitted from the sample at that time is measured. In reflection, the photon energy at the inflection point where the reflectance changes, and in transmission, the photon energy absorbed without being transmitted becomes the band gap.

材料探索ではデバイス材料の高精度化に伴い、高い精度でのバンドラインナップの値が必要である。別々の目的で開発された装置を使ってのバンドラインナップの測定においては、以下の理由から精度のよい測定が行えない。
第1に各々の測定装置の光学特性が異なる。例えば、光源ランプの出力や種類による波長範囲、光量や透過率及び特性線の違い、光学レンズの配置による入射光量変化、分光器の特性による二次光や迷光といった課題がある。
第2に、別々の光学装置では試料の形状や測定面を鉛直にするか水平にするかといった測定器への設置態様が異なる。そのため別々の装置では、試料のホルダーへの設置や、形状の加工など装置によって対応を変える必要が生じ、測定作業が複雑になるという課題がある。
第3に別々の光学装置では、同じ試料に対してエネルギーの高い紫外光を少なくとも2回照射することになり、エネルギーの高い紫外光に対して、ダメージを受けやすい有機物材料では照射によって試料状態が変わってしまい正確に測れないという課題がある。
In the material search, as the device material becomes more accurate, the band lineup value with high accuracy is required. In the band lineup measurement using devices developed for different purposes, accurate measurement cannot be performed for the following reasons.
First, the optical characteristics of each measuring device are different. For example, there are problems such as the wavelength range depending on the output and type of the light source lamp, the difference in the light amount, the transmittance, and the characteristic line, the change in the incident light amount due to the arrangement of the optical lens, and the secondary light and stray light due to the characteristics of the spectrometer.
Secondly, different optical devices differ in the manner of installation on a measuring instrument such as whether the shape of the sample or the measurement surface is vertical or horizontal. For this reason, separate devices need to be changed depending on the device, such as placing a sample in a holder or processing the shape, and there is a problem that the measurement work becomes complicated.
Thirdly, in a separate optical apparatus, the same sample is irradiated with high-energy ultraviolet light at least twice. With high-energy ultraviolet light, an organic material that is easily damaged is exposed to a sample state by irradiation. There is a problem that it changes and cannot be measured accurately.

なお、上記第1の課題を克服するための発明が、特許文献1、3に開示されている。例えば、特許文献1には、測定光を分光器に2回透過する分散型分光器において、迷光除去機能をもつ分光器が提案されている。また、特許文献3には、光ファイバーとの接続が容易であると共に、迷光を良好に除去することのできるフィルター機構を備えた分光分析装置が提案されている。
しかし、特許文献1、3によれば、各光学装置ごとに校正を行う必要があるという課題がある。そして個々の光学装置の誤差により、最終的な値の誤差範囲は広がり、精度を落とすことになる。また、別々の装置であるため、光量や分光器の波長精度は各光学装置に強く依存しているために別々の光学装置では同じ条件に合わせることが難しいという課題がある。
Patent Documents 1 and 3 disclose inventions for overcoming the first problem. For example, Patent Document 1 proposes a spectrometer having a stray light removal function in a dispersion spectrometer that transmits measurement light twice through the spectrometer. Further, Patent Document 3 proposes a spectroscopic analyzer that includes a filter mechanism that can be easily connected to an optical fiber and that can satisfactorily remove stray light.
However, according to Patent Documents 1 and 3, there is a problem that calibration is required for each optical device. The error range of the final value is widened due to the error of each optical device, and the accuracy is lowered. In addition, since they are separate devices, the amount of light and the wavelength accuracy of the spectroscope strongly depend on each optical device, so that there is a problem that it is difficult to match the same conditions with separate optical devices.

特開平7−55562号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-55562 特開平10−267869号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-267869 特開2000−131145号公報JP 2000-131145 A 特開2009−085823号公報JP 2009-085823 A

細野秀雄・神谷利夫:セラミックス38(2003)825.Hideo Hosono and Toshio Kamiya: Ceramics 38 (2003) 825. 石井久夫・津波大介・末永 保・佐藤信之・木村康男・庭野道夫:表面科学28(2007)264.Hisao Ishii, Daisuke Tsunami, Tamotsu Suenaga, Nobuyuki Sato, Yasuo Kimura, Michio Niwano: Surface Science 28 (2007) 264. Yasuo Nakayama, Shinichi Machida, Daisuke Tsunami, Yasuo Kimura, Michio Niwano, Yutaka Noguchi,and Hisao Ishii: Appl. Phys. Lett. 92, 153306 (2008)Yasuo Nakayama, Shinichi Machida, Daisuke Tsunami, Yasuo Kimura, Michio Niwano, Yutaka Noguchi, and Hisao Ishii: Appl. Phys. Lett. 92, 153306 (2008) S.Sakthivel and H.Kisch:Angew. Chem. Int. Ed., 42(2003)4908.S. Sakthivel and H.M. Kisch: Angew. Chem. Int. Ed. , 42 (2003) 4908. 高橋博彰・平石次郎・石井紀彦:分光研究 25(3),153−165,(1976)Hiroaki Takahashi, Jiro Hiraishi, Norihiko Ishii: Spectroscopic Studies 25 (3), 153-165, (1976) 間宮真佐人:分光研究 25(3),99−117,(1976)Masato Mamiya: Spectroscopic Studies 25 (3), 99-117, (1976)

本発明は、複数の装置によってバンドラインナップを求める場合に、バンドラインナップの測定精度を下げる原因となる各測定装置の光学系と電子系の相違、試料の設置態様の相違、有機材料の照射によるダメージを克服し、測定精度を向上させたバンドラインナップ測定装置及びバンドラインナップ測定方法を提供することを目的とする。 In the present invention, when a band lineup is obtained by a plurality of devices, the difference between the optical system and the electronic system of each measuring device, which causes the measurement accuracy of the band lineup to be reduced, the difference in the installation mode of the sample, the damage due to the irradiation of the organic material An object of the present invention is to provide a band lineup measuring apparatus and a band lineup measuring method that overcome the above-described problems and improve the measurement accuracy.

上述の目的を達成するために、本発明は、対象とするバンドラインナップ測定に必要な機能を一つの装置内において光(光量)と電子(電流)を同時測定することにより解決する。試料に照射する単色のフォトンエネルギーを掃引し、その際に試料に流れる電流値、試料が不透明の場合には当該試料から反射する光強度を同時測定する。なお、試料が光透過性を有する材料の場合には、当該試料を透過する光強度を同時測定するが、当該試料から反射する光強度を併せて測定しても良い。イオン化ポテンシャルIPは次式で算出される。
IP=EVAC−EVBM (i)
また、バンドギャップEgは次式で算出される。
Eg=ECBM−EVBM (ii)
そこで、イオン化ポテンシャルIPとバンドギャップEgの測定結果を合わせることで、EVAC、EVBM、ECBMのバンドラインナップが決定される。これによりバンドラインナップの測定精度を向上させることができる。
In order to achieve the above-described object, the present invention solves the functions necessary for the target band lineup measurement by simultaneously measuring light (light quantity) and electrons (current) in one apparatus. The monochromatic photon energy irradiated to the sample is swept, and the value of the current flowing through the sample at that time, and the light intensity reflected from the sample when the sample is opaque are simultaneously measured. Note that when the sample is a light-transmitting material, the light intensity transmitted through the sample is simultaneously measured, but the light intensity reflected from the sample may be measured together. The ionization potential IP is calculated by the following equation.
IP = E VAC -E VBM (i)
The band gap Eg is calculated by the following equation.
Eg = E CBM -E VBM (ii)
Therefore, the band lineup of E VAC , E VBM , and E CBM is determined by combining the measurement results of the ionization potential IP and the band gap Eg. Thereby, the measurement accuracy of the band lineup can be improved.

本発明のバンドラインナップ装置は、例えば図2、図7、図8に示すように、赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長の少なくとも1種類を含む連続光を放射する光源部(1)と、連続光から特定波長の光を取りだす分光器(4)と、特定波長の光を試料31に照射する光照射部(5、9)と、照射光に起因する、試料31の表面より反射する光を測定する反射光測定部(58)と、試料31を透過する光を測定する透過光測定部(72)の少なくとも一方を備える光量測定部と、光照射部5と試料31との間に設けられたコレクター電極(21)と、照射光に起因する電流であって、試料31とコレクター電極21との間に流れる当該電流を測定する電流測定部(2)と、分光器4の取りだす特定波長を制御する制御装置(83)とを具備し、光量測定部と電流測定部の測定結果から試料31の真空準位を基準とした価電子帯上端エネルギー(EVBM)と伝導帯下端エネルギー(ECBM)を算出できることを特徴とする。好ましくは、解析装置82が、光量測定部と電流測定部の測定結果から試料31の価電子帯上端エネルギー(EVBM)と伝導帯下端エネルギー(ECBM)を算出して、バンドラインナップの測定を行うとよい。 The band lineup apparatus of the present invention includes a light source unit that emits continuous light including at least one of an infrared wavelength, a visible wavelength, and an ultraviolet wavelength, as shown in FIGS. 2, 7, and 8, for example. (1), a spectroscope (4) that extracts light of a specific wavelength from continuous light, a light irradiation unit (5, 9) that irradiates the sample 31 with light of a specific wavelength, and the sample 31 caused by the irradiated light A light quantity measurement unit comprising at least one of a reflected light measurement unit (58) for measuring light reflected from the surface and a transmitted light measurement unit (72) for measuring light transmitted through the sample 31, the light irradiation unit 5 and the sample 31 A collector electrode (21) provided between the current collector, a current measuring unit (2) for measuring the current caused by the irradiation light and flowing between the sample 31 and the collector electrode 21, and a spectrometer A control device (83) for controlling the specific wavelength extracted by 4; Provided, characterized in that it can calculate the light amount measurement unit and the current measuring unit of the measuring results from the basis of the vacuum level of the sample 31 was valence band maximum energy (E VBM) and conduction band minimum energy (E CBM). Preferably, the analysis device 82 calculates the valence band upper end energy (E VBM ) and the conduction band lower end energy (E CBM ) of the sample 31 from the measurement results of the light amount measurement unit and the current measurement unit, and measures the band lineup. It is good to do.

このように構成された装置においては、光源部1は、赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長の少なくとも1種類を含む連続光を放射する。分光器4は、光源部1の放射する連続光から、単色のフォトンエネルギーとして単色光を得る。光照射部(5、9)は当該単色光を試料に照射する。反射光測定部58は、照射光に起因して、試料31の表面から反射する光を測定するもので、試料31が光透過性のない場合に用いられ、また光透過性のある場合にも用いてよい。透過光測定部72は、試料31を透過する光を測定するもので、試料31が光透過性を有する場合に用いられる。試料31が半透明の場合には、反射光測定部58と透過光測定部72の両方を用いることもできる。電流測定部2は、試料31とコレクター電極21との間に流れる電流を測定する。制御装置83は、分光器4の取りだす特定波長を制御するもので、好ましくは赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長の各波長について順次波長を変えてゆくとよい。これにより、光量測定部と電流測定部の測定結果から試料31の価電子帯上端エネルギー(EVBM)と伝導帯下端エネルギー(ECBM)を算出して、バンドラインナップの測定を可能とする。 In the apparatus configured as described above, the light source unit 1 emits continuous light including at least one of an infrared wavelength, a visible light wavelength, and an ultraviolet wavelength. The spectroscope 4 obtains monochromatic light as monochromatic photon energy from the continuous light emitted from the light source unit 1. The light irradiation unit (5, 9) irradiates the sample with the monochromatic light. The reflected light measuring unit 58 measures light reflected from the surface of the sample 31 due to the irradiated light, and is used when the sample 31 is not light transmissive, and also when it is light transmissive. May be used. The transmitted light measurement unit 72 measures light transmitted through the sample 31 and is used when the sample 31 has light transmittance. When the sample 31 is translucent, both the reflected light measurement unit 58 and the transmitted light measurement unit 72 can be used. The current measuring unit 2 measures the current flowing between the sample 31 and the collector electrode 21. The control device 83 controls the specific wavelength taken out by the spectroscope 4, and it is preferable to sequentially change the wavelength for each of the wavelength in the infrared region, the wavelength in the visible light region, and the wavelength in the ultraviolet region. Thereby, the valence band upper end energy (E VBM ) and the conduction band lower end energy (E CBM ) of the sample 31 are calculated from the measurement results of the light quantity measurement unit and the current measurement unit, thereby enabling measurement of the band lineup.

本発明のバンドラインナップ装置において、好ましくは、さらに、試料31を照射する光の光軸に対し、垂直方向又は平行方向の少なくとも一方を含んで移動する移動機構33を有し、制御装置83は移動機構33を制御して、光照射部59が照射する試料31の表面の位置を制御する構成とするとよい。好ましくは、さらに、光照射部59が照射する試料31の表面の位置を制御する位置制御装置(83)を設けるとよい。   In the band lineup apparatus of the present invention, preferably, the band lineup apparatus further includes a moving mechanism 33 that moves at least one of a vertical direction and a parallel direction with respect to the optical axis of the light that irradiates the sample 31, and the control device 83 moves. The mechanism 33 may be controlled so that the position of the surface of the sample 31 irradiated by the light irradiation unit 59 is controlled. Preferably, a position control device (83) for controlling the position of the surface of the sample 31 irradiated by the light irradiation unit 59 is preferably provided.

本発明のバンドラインナップ装置において、好ましくは、さらに、試料31を設置する試料ホルダー32と、試料31と光照射部59との間に設けられるコレクター電極21と、試料ホルダー32とコレクター電極21の少なくとも一方にグランド電位を含む直流電圧を印加する直流電圧源(22、24)とを有するとよい。試料ホルダー32とコレクター電極21の直流電位を調整することで、試料に照射する単色光により流れる電流(電子)が正確に測定できる。   In the band lineup apparatus of the present invention, preferably, further, a sample holder 32 on which the sample 31 is installed, a collector electrode 21 provided between the sample 31 and the light irradiation unit 59, and at least of the sample holder 32 and the collector electrode 21 It is preferable to have a DC voltage source (22, 24) for applying a DC voltage including a ground potential on one side. By adjusting the DC potential of the sample holder 32 and the collector electrode 21, the current (electrons) flowing by the monochromatic light irradiated on the sample can be accurately measured.

本発明のバンドラインナップ装置において、例えば図10、図11に示すように、好ましくは、コレクター電極21は金属製であり、コレクター電極21と試料31との間の距離dは大気圧下の測定では1.0mm以下である場合には、試料に照射する単色光により流れる電流(電子)が正確に測定でき、ノイズが少なくなる。また、真空や真空と大気圧の中間圧力での測定では、距離dは、圧力に応じて定まる分子の平均自由行程の距離を基準に適宜変更でき、例えば真空中では数mでもよい。   In the band line-up apparatus of the present invention, for example, as shown in FIG. 10 and FIG. 11, the collector electrode 21 is preferably made of metal, and the distance d between the collector electrode 21 and the sample 31 is not measured in atmospheric pressure. When the thickness is 1.0 mm or less, the current (electrons) flowing by the monochromatic light irradiated to the sample can be accurately measured, and noise is reduced. Further, in the measurement at a vacuum or an intermediate pressure between vacuum and atmospheric pressure, the distance d can be appropriately changed based on the distance of the mean free path of molecules determined according to the pressure, and may be several meters in a vacuum, for example.

本発明のバンドラインナップ装置において、例えば図10、図11に示すように、好ましくは、コレクター電極形状は、照射光の光路上で照射光のビーム径を邪魔しないリング状、照射光のビーム径の一部にかかる短針状、又は照射光のビーム径と同程度のメッシュ状の少なくとも1つであるとよい。   In the band lineup apparatus of the present invention, for example, as shown in FIGS. 10 and 11, the collector electrode preferably has a ring shape that does not interfere with the beam diameter of the irradiation light on the optical path of the irradiation light, and the beam diameter of the irradiation light. It is good to be at least one of a short needle shape concerning a part or a mesh shape comparable to the beam diameter of irradiation light.

本発明のバンドラインナップ装置において、好ましくは、光源部1がハロゲン光源と重水素光源の両方を有するとよい。このように構成すると、光源部1は、赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長の3種類を含む連続光を放射できる。好ましくは、さらに補完的にキセノン光源を用いるとよい。   In the band lineup apparatus of the present invention, the light source unit 1 preferably has both a halogen light source and a deuterium light source. If comprised in this way, the light source part 1 can radiate | emit continuous light including three types, the wavelength of an infrared region, the wavelength of a visible light region, and the wavelength of an ultraviolet region. Preferably, a xenon light source is used in a complementary manner.

本発明のバンドラインナップ装置において、例えば図2、図7、図8に示すように、好ましくは、光照射部(5、9)は、分光器4の取りだす特定波長の光から、照射光及び反射光を分けるハーフミラー52を含む光学系、又は照射光及び反射光のそれぞれを分岐するファイバー9を含む光学系を有するとよい。このように構成すると、光照射部は照射光及び反射光を分けるハーフミラー又はファイバーを含む光学系を有するため、装置が小型化される。
本発明のバンドラインナップ装置において、好ましくは、光照射部(5、9)は、さらに、分光器4の取りだす特定波長の光から参照光を分ける、ハーフミラー52を含む光学系、又はファイバー9を含む光学系を有すると共に、光量測定部は、光照射の一部を取り出し参照光として測定する参照部(57)を有するとよい。このように構成すると、分光器4の取りだす特定波長の光から参照光が照射光及び反射光と同一の光路から得られるため、連続光から特定波長の光を取りだす際の条件が時間的に実質的に同じと同視でき、ノイズの影響を受け難く正確な測定が行える。
本発明のバンドラインナップ装置において、光照射部5は照射光用光ファイバー59を有すると共に、照射光用光ファイバー59をグランド電位にすることで、コレクター電極に相当する機能を持たせることもできる。この場合には、コレクター電極を照射光用光ファイバーが兼用する。
In the band lineup apparatus of the present invention, for example, as shown in FIGS. 2, 7, and 8, the light irradiation unit (5, 9) is preferably configured to irradiate and reflect light from a specific wavelength extracted by the spectrometer 4. It is preferable to have an optical system including a half mirror 52 that separates light, or an optical system including a fiber 9 that divides each of irradiation light and reflected light. If comprised in this way, since a light irradiation part has an optical system containing the half mirror or fiber which divides irradiation light and reflected light, an apparatus is reduced in size.
In the band line-up apparatus of the present invention, preferably, the light irradiation unit (5, 9) further includes an optical system including the half mirror 52 or the fiber 9 that separates the reference light from the light having a specific wavelength extracted by the spectroscope 4. The light quantity measurement unit may include a reference unit (57) that takes out part of the light irradiation and measures it as reference light. With this configuration, since the reference light is obtained from the light having the specific wavelength extracted by the spectroscope 4 from the same optical path as the irradiation light and the reflected light, the conditions for extracting the light having the specific wavelength from the continuous light are substantially the same in terms of time. Therefore, accurate measurement can be performed with little influence from noise.
In the band line-up apparatus of the present invention, the light irradiation unit 5 includes the irradiation light optical fiber 59, and by setting the irradiation light optical fiber 59 to the ground potential, the light irradiation unit 5 can have a function corresponding to the collector electrode. In this case, the collector electrode is also used as an optical fiber for irradiation light.

本発明のバンドラインナップ装置において、好ましくは、前記試料の価電子帯上端エネルギー(EVBM)と伝導帯下端エネルギー(ECBM)を用いて、イオン化ポテンシャルの値(IP)とバンドギャップの値(Eg)についての下記の式(i)、(ii)から、バンドラインナップ(EVAC、EVBM、ECBM)を演算するとよい。
IP=EVAC−EVBM (i)
Eg=ECBM−EVBM (ii)
In the band lineup apparatus of the present invention, preferably, the ionization potential value (IP) and the band gap value (Eg) using the valence band top energy (E VBM ) and conduction band bottom energy (E CBM ) of the sample. The band lineup (E VAC , E VBM , E CBM ) may be calculated from the following formulas (i) and (ii).
IP = E VAC -E VBM (i)
Eg = E CBM -E VBM (ii)

上述の目的を達成するために、本方法発明のバンドラインナップ測定方法は、請求項1に記載のバンドラインナップ装置によるバンドラインナップ測定方法であって、例えば図12に示すように、次のステップ(a)〜(f)を有することを特徴とする。
(a)反射測定又は透過測定の少なくとも一方に必要なバックグラウンド(dark)スペクトルと参照(ref)スペクトルを取得するステップ(S302、S304)。
(b)試料又はコレクター電極の少なくとも一方に直流電圧を印加するステップ(S308)。
(c)分光器で分離された特定波長の単色光を試料に照射するステップ(S310)。
(d)当該単色光を試料に照射したときにコレクター電極と試料間に流れる電流値を電流計で計測するステップ(S314)。
(e)試料の表面で反射した反射光又は前記試料を透過した透過光の少なくとも一方を光量計で計測するステップ(S312)。
(f)前記測定された電流値及び前記反射光又は前記透過光の計測光量を用いて、試料のイオン化ポテンシャル、バンドギャップ及びバンドラインナップの少なくとも一つを決定するステップ(S324、S326、S328)。
In order to achieve the above object, a band lineup measuring method according to the present invention is a band lineup measuring method using a band lineup apparatus according to claim 1, for example, as shown in FIG. ) To (f).
(A) A step of acquiring a background (dark) spectrum and a reference (ref) spectrum necessary for at least one of reflection measurement and transmission measurement (S302, S304).
(B) A step of applying a DC voltage to at least one of the sample and the collector electrode (S308).
(C) A step of irradiating the sample with monochromatic light having a specific wavelength separated by the spectroscope (S310).
(D) A step of measuring a current value flowing between the collector electrode and the sample when the sample is irradiated with the monochromatic light with an ammeter (S314).
(E) A step of measuring at least one of reflected light reflected by the surface of the sample or transmitted light transmitted through the sample with a light meter (S312).
(F) A step of determining at least one of an ionization potential, a band gap, and a band lineup of the sample using the measured current value and the measured light amount of the reflected light or the transmitted light (S324, S326, S328).

好ましくは、ステップ(b)において、バンドラインナップ装置の所定の位置(例えば、試料台)に試料をセットするステップ(S306)を設けるとよいが、バンドラインナップ装置が製造ラインに設けられる場合には、検査対象となる試料が検査可能な位置に移動したことを検知してもよい。
好ましくは、ステップ(c)は、分光器で分離された特定波長の単色光のうち、ハーフミラーを含む光学系又は分岐ファイバーを用いて、一部を参照光として測定し、参照光以外の単色光を試料に照射するステップとしてもよい。
Preferably, in step (b), a step (S306) of setting a sample at a predetermined position (for example, a sample stage) of the band lineup device is provided, but when the band lineup device is provided in the production line, It may be detected that the sample to be inspected has moved to a position where it can be inspected.
Preferably, in step (c), a part of the monochromatic light having a specific wavelength separated by the spectroscope is measured as a reference light using an optical system including a half mirror or a branch fiber, and a monochromatic light other than the reference light is obtained. It is good also as a step which irradiates light to a sample.

本方法発明のバンドラインナップ測定方法において、好ましくは、さらに、次のステップ(g)〜(i)を有し、イオン化ポテンシャル値とバンドギャップ値からバンドラインナップの演算をすることを特徴とする。
(g)光源部より射出される赤外域から紫外域までの波長のうちから、制御装置からの制御信号により前記分光器を操作して、所望の波長の光だけを単色光に分離するステップ(S310)。
(h)測定波長範囲の測定が終了したか否かを判断し、終了していない場合は、分光器を操作して単色光の波長を変更するステップ(S318・S322)。
(i)終了した場合には試料又はコレクター電極に印加されている直流電圧をオフするステップ(S320)。
The band lineup measuring method of the present invention preferably further includes the following steps (g) to (i), wherein the band lineup is calculated from the ionization potential value and the band gap value.
(G) A step of separating only light of a desired wavelength into monochromatic light by operating the spectroscope from a wavelength from an infrared region to an ultraviolet region emitted from a light source unit by a control signal from a control device ( S310).
(H) It is determined whether or not the measurement wavelength range has been measured. If not, the step of operating the spectroscope to change the wavelength of the monochromatic light (S318 and S322).
(I) A step of turning off the DC voltage applied to the sample or the collector electrode when the process is completed (S320).

本方法発明のバンドラインナップ測定方法において、好ましくは、さらに、次のステップ(j)〜(k)を有し、試料の測定位置の変更が行うようにしたことを特徴とする。
(j)単色光が照射された試料の表面上の位置と共に、測定された電流値及び反射光又は透過光の計測光量値を記憶装置に記録するステップ(S316)。
(k)単色光を試料に照射する位置を変更するステップ(S332)。
(l)好ましくは、測定位置の変更を行うかどうかを判断し、変更を行う場合ステージユニットを操作して測定場所を変更するステップ(S330)も設けると良い。
本発明のバンドラインナップ装置において、さらに光照射部5に対して試料の反射光を測定する側に設けられた蛍光用分光器(CCD付分光器または、CCD付マルチチャンネル分光器)を有する、蛍光測定機能を有するバンドラインナップ測定装置を提供することを特徴とする。
In the band lineup measuring method of the present invention, preferably, the method further includes the following steps (j) to (k), wherein the measurement position of the sample is changed.
(J) A step of recording the measured current value and the measured light amount value of reflected light or transmitted light in the storage device together with the position on the surface of the sample irradiated with monochromatic light (S316).
(K) A step of changing the position where the sample is irradiated with monochromatic light (S332).
(L) Preferably, a step (S330) of determining whether or not to change the measurement position and changing the measurement location by operating the stage unit when changing is also provided.
The band line-up apparatus of the present invention further includes a fluorescence spectrometer (a spectrometer with a CCD or a multichannel spectrometer with a CCD) provided on the side of measuring the reflected light of the sample with respect to the light irradiation unit 5. A band lineup measuring device having a measuring function is provided.

本発明によれば、バンドラインナップの測定精度を向上させることができる。具体的には、バンドラインナップの測定において、光と電子の同時測定を行える機能を装置に組み込むことにより、別々の装置の場合に比較し装置特性の違いによる誤差が低減され、試料の装填、試料形状、照射ダメージ、試料の環境も同じであることから測定精度の向上を図ることができる。
また、光と電子の同時測定機能を合わせ持つ装置になり、試料を保持する場所も同じであるため、試料取扱の変更が不要になり、試料取扱に伴うヒューマンエラーを減らすことができる。また、別の測定器で測定する際の測定のタイムラグを減らすことができ同じ条件で測定が行えることから、より精度の高い測定が可能となる。
さらに、測定解析装置の解析ソフトに計算アルゴリズムを組み込むことで、直接EVBMやバンドギャップの値を元にバンドラインナップの値を得ることができ、実験担当者の測定データ解析が容易に行える。
According to the present invention, the measurement accuracy of the band lineup can be improved. Specifically, by incorporating a function that allows simultaneous measurement of light and electrons in the band lineup measurement, errors due to differences in device characteristics are reduced compared to the case of separate devices, and sample loading, Since the shape, irradiation damage, and sample environment are the same, the measurement accuracy can be improved.
In addition, since it is a device having the simultaneous measurement function of light and electrons, and the location where the sample is held is the same, it is not necessary to change the sample handling, and human errors associated with the sample handling can be reduced. In addition, since the measurement time lag at the time of measurement with another measuring device can be reduced and measurement can be performed under the same conditions, more accurate measurement is possible.
Furthermore, by incorporating a calculation algorithm into the analysis software of the measurement analyzer, the band lineup values can be obtained directly based on the EVBM and band gap values, and the measurement data analysis of the person in charge of the experiment can be performed easily.

図1はバンドラインナップ測定のエネルギーの関係を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing the energy relationship of band lineup measurement. 図2は本発明の第1の実施形態を示すバンドラインナップ測定装置の要部構成図である。FIG. 2 is a block diagram of the main part of the band lineup measuring apparatus showing the first embodiment of the present invention. 図3は図2の装置におけるバンドラインナップ測定手順を説明するフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart for explaining a band lineup measurement procedure in the apparatus of FIG. 図4は図2の装置におけるバンドギャップ演算手順を説明するフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart for explaining a band gap calculation procedure in the apparatus of FIG. 図5は図2の装置におけるイオン化ポテンシャル演算手順を説明するフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart for explaining the ionization potential calculation procedure in the apparatus of FIG. 図6は図2の装置におけるSiサンプルのバンドラインナップ測定結果を説明するもので、(a)はSiサンプルの反射測定例、(b)は同じSiサンプルのイオン化ポテンシャル測定例、(c)はバンドラインナップ値の例を示している。6A and 6B illustrate the results of band lineup measurement of the Si sample in the apparatus of FIG. 2, where FIG. 6A is a reflection measurement example of the Si sample, FIG. 6B is an ionization potential measurement example of the same Si sample, and FIG. An example of lineup values is shown. 図7は本発明の第2の実施形態を示すバンドラインナップ測定装置の要部構成図で、ハーフミラー光学系を含む場合を示している。FIG. 7 is a main part configuration diagram of a band lineup measuring apparatus showing a second embodiment of the present invention, and shows a case including a half mirror optical system. 図8は本発明の第3の実施形態を示すバンドラインナップ測定装置の要部構成図で、分岐ファイバー光学系を含む場合を示している。FIG. 8 is a block diagram of a main part of a band lineup measuring apparatus showing a third embodiment of the present invention, and shows a case where a branch fiber optical system is included. 図9は分岐ファイバーの詳細を説明する構成図である。FIG. 9 is a configuration diagram illustrating details of the branch fiber. 図10は電極形状と電極配置の関係を示す図で、図7の装置のようなハーフミラー光学系の使用時を示している。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the electrode shape and the electrode arrangement, and shows the use of a half mirror optical system such as the apparatus of FIG. 図11は電極形状と電極配置の関係を示した図で、図8の装置のような分岐ファイバー光学系の使用時を示している。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the electrode shape and the electrode arrangement, and shows the use of a branch fiber optical system such as the apparatus of FIG. 図12はバンドラインナップ測定における全体測定の手順を示すフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart showing a procedure for overall measurement in band lineup measurement. 図13はバックグラウンド・参照スペクトル測定における手順を示すフローチャートである。FIG. 13 is a flowchart showing a procedure in background / reference spectrum measurement. 図14はイオン化ポテンシャル演算の手順を示すフローチャートである。FIG. 14 is a flowchart showing the procedure of ionization potential calculation. 図15はバンドギャップ演算の手順を示すフローチャートである。FIG. 15 is a flowchart showing the procedure of band gap calculation. 図16はバンドラインナップ演算の手順を示すフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart showing the band lineup calculation procedure. 図17は有機EL材料の反射測定結果を示す図で、Rubrene、Me-TPD、Alq3、CuPcの其々を示している。FIG. 17 is a diagram showing the results of reflection measurement of an organic EL material, and shows each of Rubrene, Me-TPD, Alq3, and CuPc. 図18は有機EL材料の光電子収量測定結果を示す図で、Rubrene、Me−TPD、Alq3、CuPcの其々を示している。FIG. 18 is a diagram showing the measurement result of the photoelectron yield of the organic EL material, and shows each of Rubrene, Me-TPD, Alq3, and CuPc. 図19は有機EL材料のバンドラインナップ値の一例を示す図で、Rubrene、Me−TPD、Alq3、CuPcの其々を示している。FIG. 19 is a diagram showing an example of the band lineup value of the organic EL material, and shows each of Rubrene, Me-TPD, Alq3, and CuPc. 図20は図8の装置で測定した蛍光ペンの蛍光測定の一例を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing an example of fluorescence measurement of the fluorescent pen measured with the apparatus of FIG. 図21は図8の装置で測定したMe−TPDにおける照射波長を変えたときの蛍光測定の一例を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing an example of fluorescence measurement when the irradiation wavelength in Me-TPD measured by the apparatus of FIG. 8 is changed.

以下、本発明におけるバンドラインナップ測定装置及びバンドラインナップ測定方法を好適に実施した形態について、図面を用いて詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments in which a band lineup measuring apparatus and a band lineup measuring method according to the present invention are suitably implemented will be described in detail with reference to the drawings.

<バンドラインナップ装置>
図2は本発明の第1の実施形態を示すバンドラインナップ測定装置の要部構成図である。図2において、バンドラインナップ測定装置は、光源部1、電気系測定部2、試料設置部3、分光器4、照射・参照・反射光学系5、透過光学系7、論理制御部8を備えている。
<Band lineup device>
FIG. 2 is a block diagram of the main part of the band lineup measuring apparatus showing the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the band lineup measuring apparatus includes a light source unit 1, an electric system measuring unit 2, a sample setting unit 3, a spectroscope 4, an irradiation / reference / reflection optical system 5, a transmission optical system 7, and a logic control unit 8. Yes.

光源部1は、ハロゲンランプ12、レンズ13、重水素光源ランプ14、レンズ15を備えている。光源部1は、連続光を放出するものであり、例えばハロゲンランプ12と重水素光源ランプ14を組み合わせることにより赤外から紫外の波長帯をカバーできる。光源部1には、補完的にキセノンランプも使うことができる。光源部1では、各ランプから発生する異なる波長帯の光を用いてバンドラインナップを測定することができる。   The light source unit 1 includes a halogen lamp 12, a lens 13, a deuterium light source lamp 14, and a lens 15. The light source unit 1 emits continuous light, and can cover an infrared to ultraviolet wavelength band by combining, for example, a halogen lamp 12 and a deuterium light source lamp 14. As the light source unit 1, a xenon lamp can be used complementarily. The light source unit 1 can measure the band lineup using light of different wavelength bands generated from each lamp.

電気系測定部2は、コレクター電極21と、試料ホルダー32に接続された負電圧源Vee22と電流計23を備えている。電流計23は、試料31とコレクター電極21と流れる電流を測定する。コレクター電極21は、照射・反射用光ファイバー59の先端部と試料31との間に設けられている。   The electrical measurement unit 2 includes a collector electrode 21, a negative voltage source Vee 22 connected to a sample holder 32, and an ammeter 23. The ammeter 23 measures the current flowing through the sample 31 and the collector electrode 21. The collector electrode 21 is provided between the tip of the irradiation / reflection optical fiber 59 and the sample 31.

試料設置部3は、試料31、試料ホルダー32、ステージユニット33、大気・真空容器34、電気的接続用窓部36を備えている。試料ホルダー32は、試料31を保持してバンドラインナップ測定に適した状態に置く。ステージユニット33は、試料ホルダー32を置く試料台で、併せて左右前後の平面方向や上下の垂直方向に試料ホルダー32を移動させる機構も備えている。大気・真空容器34には、試料31、試料ホルダー32、ステージユニット33が収容されていると共に、照射及び反射用光ファイバー59の先端部、透過用光ファイバー又はレンズ71の先端部が収容されている。大気・真空容器に真空ポンプまたは、ガス導入口をつなぐことで、大気・真空容器内の圧力、湿度あるいは雰囲気ガスなどを制御することができる。電気的接続用窓部36は、試料ホルダー32と電流計23とを接続する電気配線を収容する窓で、大気・真空容器34の圧力及び測定環境を維持する。   The sample setting unit 3 includes a sample 31, a sample holder 32, a stage unit 33, an air / vacuum vessel 34, and an electrical connection window 36. The sample holder 32 holds the sample 31 and puts it in a state suitable for band lineup measurement. The stage unit 33 is a sample stage on which the sample holder 32 is placed, and is also equipped with a mechanism for moving the sample holder 32 in the horizontal direction on the left and right and in the vertical direction. The atmosphere / vacuum container 34 accommodates the sample 31, the sample holder 32, and the stage unit 33, and also accommodates the distal end portion of the irradiation and reflection optical fiber 59, the transmission optical fiber, or the distal end portion of the lens 71. By connecting a vacuum pump or a gas inlet to the atmosphere / vacuum container, the pressure, humidity, atmosphere gas, etc. in the atmosphere / vacuum container can be controlled. The electrical connection window 36 is a window that accommodates electrical wiring that connects the sample holder 32 and the ammeter 23, and maintains the pressure and measurement environment of the atmosphere / vacuum vessel 34.

分光器4は、内部にミラー41、42、44と回折格子43を有する。分光器4は、光源部1から入力される赤外域から紫外域の光に対して、分光器内のミラー41、42、回折格子43、並びにミラー44の経路を経て、入射角度に対して異なる方向に角度を替えることで分光器4から特定の波長の光(単色光)を出力することができる。   The spectroscope 4 includes mirrors 41, 42, 44 and a diffraction grating 43 inside. The spectroscope 4 is different with respect to the incident angle through the paths of the mirrors 41 and 42, the diffraction grating 43, and the mirror 44 in the spectroscope with respect to the light from the infrared region to the ultraviolet region input from the light source unit 1. By changing the angle in the direction, light having a specific wavelength (monochromatic light) can be output from the spectroscope 4.

光照射部5としての照射・参照・反射光学系5は、レンズ51、ハーフミラー52、レンズ53、54、55、筐体部56、照射及び反射用光ファイバー59を備えている。また、光照射部5とは独立して、参照光用光量計57、反射光用光量計58が設けられている。なお、照射光学系としては、照射・参照・反射光学系5のうち、レンズ51、ハーフミラー52、レンズ53、筐体部56、照射用光ファイバー59が対応している。参照光学系としては、レンズ55と参照光用光量計57が対応している。反射光学系としてはレンズ54、反射光用光量計58、反射用光ファイバー59が対応している。なお、参照光用光量計57、反射光用光量計58としては、CCD付きマルチチャンネル分光器(CMM)でもよく、また例えば、フォトダイオード(PD)、サーモパイルを用いてもよい。レンズ51、53、54、55は、光の集光に用いられるもので、ここでは凸レンズを示しているが、色収差を取り除いたアクロマテックレンズでもよく、要は集光できるものであればよい。   The irradiation / reference / reflection optical system 5 as the light irradiation unit 5 includes a lens 51, a half mirror 52, lenses 53, 54 and 55, a housing unit 56, and an irradiation and reflection optical fiber 59. Independent of the light irradiation unit 5, a reference light quantity meter 57 and a reflected light quantity meter 58 are provided. As the irradiation optical system, among the irradiation / reference / reflection optical system 5, the lens 51, the half mirror 52, the lens 53, the housing unit 56, and the irradiation optical fiber 59 correspond. As the reference optical system, a lens 55 and a reference light quantity meter 57 correspond to each other. As a reflection optical system, a lens 54, a reflected light quantity meter 58, and a reflection optical fiber 59 are supported. The reference light quantity meter 57 and the reflected light quantity meter 58 may be a multichannel spectroscope (CMM) with a CCD, or a photodiode (PD) or a thermopile, for example. The lenses 51, 53, 54, and 55 are used for condensing light, and are shown here as convex lenses. However, they may be achromatic lenses from which chromatic aberration has been removed, as long as they can condense.

透過光学系7は、透過用光ファイバー71と透過光用光量計72を備えている。透過用光ファイバー71に代えてレンズでもよい。透過光用光量計72としては、CCD付きマルチチャンネル分光器(CMM)でもよく、また例えば、フォトダイオード(PD)、サーモパイルを用いてもよい。
論理制御部8は、電流計23、参照光用光量計57、反射光用光量計58、透過光用光量計72の各種測定データを記憶する記憶装置81と、この記憶装置81から各種測定データを入力して解析する解析装置82と、記憶装置81と解析装置82のデータに基づいて分光器4及び、ステージユニット33に操作信号を出力する制御装置83を有する。
The transmission optical system 7 includes a transmission optical fiber 71 and a transmission light quantity meter 72. A lens may be used instead of the transmission optical fiber 71. The transmitted light quantity meter 72 may be a multi-channel spectrometer (CMM) with a CCD, or a photodiode (PD) or a thermopile, for example.
The logic control unit 8 includes a storage device 81 for storing various measurement data of the ammeter 23, the reference light light meter 57, the reflected light light meter 58, and the transmitted light light meter 72, and various measurement data from the storage device 81. And a control device 83 that outputs an operation signal to the spectroscope 4 and the stage unit 33 based on the data of the storage device 81 and the analysis device 82.

このように構成された装置における、測定の原理を次に説明する。
光源部1から放出された連続光は、分光器4にて特定の波長の光が選択されて、照射・参照・反射光学系5に送られる。照射・参照・反射光学系5では、ハーフミラー52によって通過した単色光の一部(数%)を参照光用光量計57にある方向に反射させ、残りの多くの単色光を照射及び反射用光ファイバー59へ導く。そして、試料31で散乱、反射した単色光を反射光用光量計58に導く。また、試料が光透過性を有する材料の場合は、透過光を透過光学系7の透過光用光量計72に導く。なお、図2の実施例では、反射用光ファイバー59と透過用光ファイバー71を用いているが、光ファイバーを用いないでレンズを使用して構成してもよい。また、試料が光透過性を有しない材料の場合は、バンドラインナップ装置において、透過光学系7と透過光用光量計72を省略しても良い。
The principle of measurement in the apparatus configured as described above will be described next.
For the continuous light emitted from the light source unit 1, light having a specific wavelength is selected by the spectroscope 4 and sent to the irradiation / reference / reflection optical system 5. In the irradiation / reference / reflection optical system 5, a part (several percent) of the monochromatic light passed by the half mirror 52 is reflected in the direction of the reference light quantity meter 57, and the remaining many monochromatic lights are used for irradiation and reflection. Guide to optical fiber 59. Then, the monochromatic light scattered and reflected by the sample 31 is guided to the reflected light quantity meter 58. Further, when the sample is a light transmissive material, the transmitted light is guided to the transmitted light quantity meter 72 of the transmission optical system 7. In the embodiment of FIG. 2, the reflection optical fiber 59 and the transmission optical fiber 71 are used. However, a lens may be used without using the optical fiber. Further, when the sample is a material that does not transmit light, the transmission optical system 7 and the transmitted light quantity meter 72 may be omitted in the band lineup device.

電子を効率よく測定するために、試料ホルダー32に負電圧源Veeを接続して、試料に負の電圧として数十〜数百ボルトを印加する。この際、試料直上に設置されたコレクター電極21はグランド電位にする。また、照射に用いる照射及び反射用光ファイバー59をグランド電位にすることでコレクター電極21として用いてもよい。電流計23は、電圧印加も行えるソースメータを用いることができる。   In order to efficiently measure electrons, a negative voltage source Vee is connected to the sample holder 32, and tens to hundreds of volts are applied to the sample as a negative voltage. At this time, the collector electrode 21 placed immediately above the sample is set to the ground potential. Moreover, you may use as the collector electrode 21 by making the irradiation and reflection optical fiber 59 used for irradiation into a ground potential. As the ammeter 23, a source meter capable of applying a voltage can be used.

照射光は、試料に対して垂直位置(Z方向)から照射される。ステージユニット33は、試料を置く平面を有するXYZステージで、このXYZステージ上に試料ホルダー32を置いて試料31を設置し、ステッピングモーター又は手動の制御により設置した試料を保持したまま、光軸に対してX,Y、Z軸方向に移動させることができる。これにより、ステージユニット33の上に置かれた試料ホルダー32及び試料31を所定の位置に移動させることができる。また試料ホルダー32及びステージユニット33には、透過測定が行えるようにホールおよび、透過光学系が入るスペースが設けられている。   Irradiation light is irradiated from a vertical position (Z direction) with respect to the sample. The stage unit 33 is an XYZ stage having a plane on which the sample is placed. The sample holder 32 is placed on the XYZ stage, the sample 31 is placed, and the sample placed by the stepping motor or manual control is held on the optical axis. On the other hand, it can be moved in the X, Y and Z axis directions. Thereby, the sample holder 32 and the sample 31 placed on the stage unit 33 can be moved to predetermined positions. The sample holder 32 and the stage unit 33 are provided with a hole and a space for a transmission optical system so that transmission measurement can be performed.

<測定方法>
次に、バンドラインナップの測定方法について、図及びフローチャートを用いて説明する。図3は、バンドラインナップ測定手順の一例を示すフローチャートである。
初めに、光源部1から出射する赤外域から紫外域の光のうち、制御装置83からの制御信号により、分光器4を操作し所望の波長の光だけを単色光として出力する(S01)。照射・参照・反射光学系5を用いて、分光器4から出力された単色光の一部を参照光として測定し、その余は照射及び反射光用光ファイバー59を通じて試料31に照射する(S02)。
<Measurement method>
Next, a band lineup measuring method will be described with reference to the drawings and flowcharts. FIG. 3 is a flowchart showing an example of a band lineup measurement procedure.
First, of the light from the infrared region to the ultraviolet region emitted from the light source unit 1, the spectroscope 4 is operated by the control signal from the control device 83 to output only light having a desired wavelength as monochromatic light (S01). The irradiation / reference / reflection optical system 5 is used to measure a part of monochromatic light output from the spectroscope 4 as reference light, and the remainder is irradiated to the sample 31 through the irradiation / reflection light optical fiber 59 (S02). .

次に、光が試料31に照射されたときに接地グランドから試料に流れる電流値を電流計23で計測し、同時に試料面で反射した反射光を反射光用光量計58で計測し、試料が透過性のある材料の時は、透過光を透過光用光量計72で計測する(S03)。測定された電流値及び参照光光量、反射光光量、透過光光量を記憶装置81に記録する(S04)。
ここで、制御装置83は、最初に設定した測定波長範囲の測定が終了したか否かを判断し(S05)、全測定波長による測定が終了していない場合(S05において、NO)、分光器4を操作し、波長を変更する(S06)。また、S06の処理が終了後は、S02に戻り、S02以降の処理を行う。
Next, when the sample 31 is irradiated with light, the current value flowing from the ground to the sample is measured by the ammeter 23, and the reflected light reflected from the sample surface is simultaneously measured by the reflected light quantity meter 58. When the material is transmissive, the transmitted light is measured by the transmitted light quantity meter 72 (S03). The measured current value, reference light amount, reflected light amount, and transmitted light amount are recorded in the storage device 81 (S04).
Here, the control device 83 determines whether or not the measurement within the initially set measurement wavelength range is completed (S05), and when the measurement with all the measurement wavelengths is not completed (NO in S05), the spectroscope 4 is operated to change the wavelength (S06). Moreover, after the process of S06 is complete | finished, it returns to S02 and performs the process after S02.

全測定波長による測定が終了した場合(S05において、YES)、記憶装置81に記録された測定結果を解析装置82に送り、イオン化ポテンシャルを決定し(S07)、次にバンドギャップを決定する(S08)。その後、イオン化ポテンシャルの値およびバンドギャップの値からバンドラインナップを決定する(S09)。   When measurement using all measurement wavelengths is completed (YES in S05), the measurement result recorded in the storage device 81 is sent to the analysis device 82, the ionization potential is determined (S07), and then the band gap is determined (S08). ). Thereafter, the band lineup is determined from the value of the ionization potential and the value of the band gap (S09).

そして、制御装置83では、測定位置の変更を行うかどうかを判断し(S10)、測定位置の変更を行う場合(S10において、YES)、ステージユニット33を操作して測定場所を変更する(S11)。また、S11の処理が終了後は、S01に戻り、S01以降の処理を行う。
また、S10の処理において、測定位置の変更しない場合(S10において、NO)、測定を終了する。
このように、同一の光源及び光学系を用いて、そして、同一試料で同一の場所の電流値及び光量の測定を同時に行える機能設備を有し、記録した複数の測定結果を解析することにより、バンドラインナップの測定精度を向上させることができる。
Then, the control device 83 determines whether or not to change the measurement position (S10). When changing the measurement position (YES in S10), the stage unit 33 is operated to change the measurement location (S11). ). Moreover, after the process of S11 is complete | finished, it returns to S01 and performs the process after S01.
If the measurement position is not changed in S10 (NO in S10), the measurement is terminated.
In this way, by using the same light source and optical system, and having the functional equipment that can simultaneously measure the current value and the light amount of the same location in the same sample, by analyzing the recorded multiple measurement results, The measurement accuracy of the band lineup can be improved.

<バンドラインナップの測定例>
図4は、図3のS08のバンドギャップを決定するアルゴリズムの詳細図で、図2の装置におけるバンドラインナップ演算手順を説明するフローチャートである。図4のバンドギャップ決定アルゴリズムは、得られた反射光量、参照光量または透過光量からバンドギャップを決定するアルゴリズムになる。光量の測定はフォトダイオードを用いる。フォトダイオードは波長によって感度係数が異なるので、感度係数で校正する必要がある。また、測定材料によっては、透過測定ができないものもある。
<Example of band lineup measurement>
FIG. 4 is a detailed diagram of the algorithm for determining the band gap in S08 of FIG. 3, and is a flowchart for explaining the band lineup calculation procedure in the apparatus of FIG. The band gap determination algorithm in FIG. 4 is an algorithm for determining the band gap from the obtained reflected light amount, reference light amount, or transmitted light amount. A photodiode is used to measure the amount of light. Since the sensitivity coefficient of the photodiode varies depending on the wavelength, it is necessary to calibrate with the sensitivity coefficient. Some measurement materials cannot be measured for transmission.

参照光量(rPD)は、測定器の波長感度特性(rSENS)を用いて、校正された光量に変換される(S102)。
C−rPD=rPD/rSENS (1)
また、反射光量(fPD)は、測定器の波長感度特性(fSENS)を用いて、校正された光量に変換される(S104)。
C−fPD=fPD/fSENS (2)
その際、透過光がある場合とない場合によって、解析装置82での、その後の処理が変わる(S106)。透過光がある場合は、透過光光量(tPD)も波長感度係数(tSENS)によって校正される(S108)。
C−tPD=tPD/tSENS (3)
次に、解析装置82は校正透過光量を校正参照光量で割り、透過率(Trans)を求める(S110)。
Trans=C−tPD/C−rPD (4)
そして、入射フォトンエネルギーに対する透過率のグラフを作成し(S112)、当該グラフの透過率からバンドギャップが得られる(S114)。
The reference light quantity (rPD) is converted into a calibrated light quantity using the wavelength sensitivity characteristic (rSENS) of the measuring instrument (S102).
C-rPD = rPD / rSENS (1)
The reflected light amount (fPD) is converted into a calibrated light amount by using the wavelength sensitivity characteristic (fSENS) of the measuring instrument (S104).
C-fPD = fPD / fSENS (2)
At that time, the subsequent processing in the analysis device 82 changes depending on whether or not there is transmitted light (S106). If there is transmitted light, the transmitted light amount (tPD) is also calibrated by the wavelength sensitivity coefficient (tSENS) (S108).
C-tPD = tPD / tSENS (3)
Next, the analysis device 82 divides the calibration transmitted light amount by the calibration reference light amount to obtain a transmittance (Trans) (S110).
Trans = C-tPD / C-rPD (4)
Then, a graph of transmittance with respect to incident photon energy is created (S112), and a band gap is obtained from the transmittance of the graph (S114).

一方、透過光がない場合、校正反射光量と校正参照光量の比を計測し、相対反射率(Refl)を求める(S116)。
Refl=C−fPD/C−rPD (5)
次に、解析装置82は、Kubelka−Munk変換を用いて相対反射率から相対吸収率(abs)に変換する(S118)(非特許文献4、6)。
abs=(1−Refl)/(2xRefl) (6)
そして、解析装置82は、横軸が照射エネルギー(E)、縦軸がabsの入射フォトンエネルギーに対するグラフを作成し(S120)、そのグラフの吸収率からバンドギャップが得られる(S122)。
On the other hand, if there is no transmitted light, the ratio of the calibration reflected light amount and the calibration reference light amount is measured to obtain the relative reflectance (Refl) (S116).
Refl = C−fPD / C−rPD (5)
Next, the analysis device 82 converts the relative reflectance into the relative absorption rate (abs) using the Kubelka-Munk conversion (S118) (Non-Patent Documents 4 and 6).
abs = (1−Refl) 2 / ( 2 × Refl) (6)
Then, the analyzer 82 creates a graph with respect to the incident energy (E) on the horizontal axis and the incident photon energy on the vertical axis (S120), and a band gap is obtained from the absorptance of the graph (S122).

図5は、図3のS07のイオン化ポテンシャルを決定するアルゴリズムの詳細図で、図2の装置におけるイオン化ポテンシャル演算手順を説明するフローチャートである。図5のイオン化ポテンシャル決定アルゴリズムは、参照光量及び電流値からイオン化ポテンシャルを決定するアルゴリズムになる。前述の通り、参照光量測定はフォトダイオードで行っており波長感度補正が必要である。まず波長感度校正を行う(S202)。
C−rPD=rPD/rSENS (7)
そして光子数に変換するために、校正光量C−rPDを各波長での光子のエネルギー(E)で割り相対光子数(NP)にする(S204)。
NP=(C−rPD)/E (8)
1光子あたりの収量(PYS)にするために、電流値(CI)を相対光子数で割る(S206)。
PYS=CI/NP (9)
Fowler関数で閾値を求めるために、S206で得られた値の平方根を取る(S208)。グラフを作成し(S210)、イオン化ポテンシャルを決定する(S212)。
FIG. 5 is a detailed diagram of an algorithm for determining the ionization potential in S07 of FIG. 3, and is a flowchart for explaining the ionization potential calculation procedure in the apparatus of FIG. The ionization potential determination algorithm in FIG. 5 is an algorithm for determining the ionization potential from the reference light amount and the current value. As described above, the reference light amount measurement is performed by the photodiode, and the wavelength sensitivity correction is necessary. First, wavelength sensitivity calibration is performed (S202).
C-rPD = rPD / rSENS (7)
Then, in order to convert to the number of photons, the calibration light amount C-rPD is divided by the photon energy (E) at each wavelength to obtain the relative photon number (NP) (S204).
NP = (C−rPD) / E (8)
In order to obtain the yield per photon (PYS), the current value (CI) is divided by the number of relative photons (S206).
PYS = CI / NP (9)
In order to obtain the threshold value with the Fowler function, the square root of the value obtained in S206 is taken (S208). A graph is created (S210), and the ionization potential is determined (S212).

この2つの値からバンドラインナップを求める。EVBMはイオン化ポテンシャルと一致する。EVBMはこの値にバンドギャップの値を加算したものとなる。 The band lineup is obtained from these two values. EVBM is consistent with the ionization potential. The EVBM is obtained by adding the band gap value to this value.

ここで、バンドラインナップの測定例について図を用いて説明する。図6(a)は、Siサンプルの反射測定の結果から図4のアルゴリズムを用いて求めたバンドギャップの一例を示す図である。また、図6(b)は、同じSiサンプルの電流測定の結果から図5のアルゴリズムを用いて求めたイオン化ポテンシャルの一例を示す図である。そして、図6(c)は、(a)及び(b)によって得られた測定値から求められるバンドラインナップの値の一例である。   Here, a measurement example of the band lineup will be described with reference to the drawings. FIG. 6A is a diagram showing an example of the band gap obtained from the result of the reflection measurement of the Si sample using the algorithm of FIG. FIG. 6B is a diagram showing an example of the ionization potential obtained using the algorithm of FIG. 5 from the result of current measurement of the same Si sample. FIG. 6C is an example of band lineup values obtained from the measured values obtained in (a) and (b).

Siサンプルはウエハー状の単結晶である。このサンプルでは、透過測定ができないために反射測定からバンドギャップを求める。前述の通り、反射測定の結果より図6(a)より、バンドギャップは1.10eVと得られる。図6(b)よりイオン化ポテンシャルは、5.22eVと得られる。従って、図6(c)のようにEVBM=5.22eV、ECBM=4.12eVと求めることができる。 The Si sample is a wafer-like single crystal. In this sample, since the transmission measurement cannot be performed, the band gap is obtained from the reflection measurement. As described above, the band gap is obtained as 1.10 eV from FIG. As shown in FIG. 6B, the ionization potential is 5.22 eV. Therefore, as shown in FIG. 6C, E VBM = 5.22 eV and E CBM = 4.12 eV can be obtained.

図7は本発明の第2の実施形態を示すバンドラインナップ測定装置の要部構成図で、ハーフミラー光学系を含む場合を示している。なお、図7において、前述した図2と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。
図7の実施形態は、図2の実施形態の改良型である。電気系測定部2には、さらに正電圧源Vcc24及び電流計25が設けられている。照射・参照・反射光学系5には、さらに二次光・迷光フィルター60と集光レンズユニット61が設けてある。
FIG. 7 is a main part configuration diagram of a band lineup measuring apparatus showing a second embodiment of the present invention, and shows a case including a half mirror optical system. In FIG. 7, the same reference numerals are given to the same operations as those in FIG. 2 described above, and the description thereof is omitted.
The embodiment of FIG. 7 is an improved version of the embodiment of FIG. The electrical measurement unit 2 is further provided with a positive voltage source Vcc 24 and an ammeter 25. The irradiation / reference / reflection optical system 5 is further provided with a secondary light / stray light filter 60 and a condenser lens unit 61.

正電圧源Vcc24は、一端が接地され、他端が電気的接続用窓部36を介してコレクター電極21と接続されている。正電圧源Vcc24は、電子を効率よく測定するために、コレクター電極21に数ボルトから数百ボルトの電圧を印加する。
二次光・迷光フィルター60は、ノイズとなる二次光や迷光を除去して、信号成分の光からより正確な測定値が得られるようにするもので、分光器4から出力された単色光を透過して、ハーフミラー52に送る。集光レンズユニット61は、照射及び反射用光ファイバー59の先端部に設けられ、照射光を試料31の表面に集光すると共に、試料表面からの反射光が反射用光ファイバー59に入射しやすいようにする。
第2の実施形態によれば、別々の測定装置で測定する場合における、試料のセッティングなどの測定環境や装置特性の影響が除去でき、高精度なバンドラインナップの測定を実現することができる。
The positive voltage source Vcc24 has one end grounded and the other end connected to the collector electrode 21 via the electrical connection window 36. The positive voltage source Vcc24 applies a voltage of several volts to several hundred volts to the collector electrode 21 in order to efficiently measure electrons.
The secondary light / stray light filter 60 removes secondary light and stray light, which are noises, so that a more accurate measurement value can be obtained from the light of the signal component. The monochromatic light output from the spectroscope 4 Is transmitted to the half mirror 52. The condensing lens unit 61 is provided at the tip of the irradiation and reflection optical fiber 59 so as to condense the irradiation light on the surface of the sample 31 so that the reflected light from the sample surface easily enters the reflection optical fiber 59. To do.
According to the second embodiment, it is possible to remove the influence of the measurement environment and apparatus characteristics such as sample setting in the case of measuring with separate measurement apparatuses, and to realize a highly accurate band lineup measurement.

図8は本発明の第3の実施形態を示すバンドラインナップ測定装置の要部構成図で、分岐ファイバー光学系を含む場合を示している。なお、図8において、前述した図2と同一作用をするものには同一符号を付して説明を省略する。
図8の実施形態は、図2や図7の実施形態における照射・参照・反射光学系の光学部品を分岐ファイバーで置き換えたものである。分岐ファイバー9は、分光器側ファイバー91、参照光ファイバー92、反射光ファイバー93、照射光ファイバー94、ファイバー分岐部95で構成される。
FIG. 8 is a block diagram of a main part of a band lineup measuring apparatus showing a third embodiment of the present invention, and shows a case where a branch fiber optical system is included. In FIG. 8, the same reference numerals are attached to the same components as those in FIG.
In the embodiment of FIG. 8, the optical components of the irradiation / reference / reflection optical system in the embodiments of FIGS. 2 and 7 are replaced with branching fibers. The branch fiber 9 includes a spectroscope-side fiber 91, a reference optical fiber 92, a reflective optical fiber 93, an irradiation optical fiber 94, and a fiber branching unit 95.

図9は分岐ファイバーの詳細を説明する構成図で、(A)は装置全体図、(B)は照射光側の端面図、(C)は参照光側の端面図、(D)は反射光側の端面図、(E)は分光器側の端面図である。分光器側ファイバー91は、分光器4の出口では単色光が直線状に出射するため、分光器4の出射する単色光の分布と適合するようにファイバー縦に配置されている。参照光ファイバー92は、分光器側ファイバー91に入射した単色光を、参照光用としてファイバー分岐部95で分岐して取り出す。反射光ファイバー93は、一端が反射光を反射光用光量計58に導くと共に、他端は照射光ファイバー94とバンドルされて、試料に対向する。照射光ファイバー94は、照射参照光用以外の照射された単色光を、試料照射用としてファイバー分岐部95で配置し直して試料に照射する。
このように構成された分岐ファイバーにおいて、試料上で反射した光は、照射光ファイバー94とバンドルされている反射光ファイバー93を通り、ファイバー分岐部95で分岐され、反射光ファイバー93を通って、反射光用光量計58へと導かれる。
9A and 9B are configuration diagrams for explaining the details of the branch fiber. FIG. 9A is an overall view of the apparatus, FIG. 9B is an end view on the irradiation light side, FIG. 9C is an end view on the reference light side, and FIG. (E) is an end view on the spectroscope side. The spectroscope-side fiber 91 is arranged vertically in the fiber so as to match the distribution of the monochromatic light emitted from the spectroscope 4 because the monochromatic light is emitted linearly at the exit of the spectroscope 4. The reference optical fiber 92 branches out monochromatic light incident on the spectroscope-side fiber 91 by a fiber branching unit 95 for reference light. One end of the reflective optical fiber 93 guides the reflected light to the reflected light photometer 58, and the other end is bundled with the irradiation optical fiber 94 and faces the sample. The irradiation optical fiber 94 irradiates the sample with the irradiated monochromatic light other than that for irradiation reference light being rearranged by the fiber branching section 95 for sample irradiation.
In the branched fiber configured as described above, the light reflected on the sample passes through the reflective optical fiber 93 bundled with the irradiation optical fiber 94, is branched by the fiber branching unit 95, passes through the reflective optical fiber 93, and is reflected light. Guided to a photometer 58.

図10は電極形状と電極配置の関係を示す図で、図7の装置のようなハーフミラー光学系の使用時を示している。図10において、(a1)はリング状電極の側面図、(a2)はリング状電極の平面図、(b1)は短針形電極の側面図、(b2)は短針形電極の平面図、(c1)はメッシュ形電極の側面図、(c2)はメッシュ形電極の平面図を示している。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the electrode shape and the electrode arrangement, and shows the use of a half mirror optical system such as the apparatus of FIG. 10, (a1) is a side view of the ring electrode, (a2) is a plan view of the ring electrode, (b1) is a side view of the short needle electrode, (b2) is a plan view of the short needle electrode, (c1) ) Is a side view of the mesh electrode, and (c2) is a plan view of the mesh electrode.

図10において、照射及び反射用光ファイバー59、集光レンズ61、コレクター電極21、試料31の順に垂直方向に位置している。コレクター電極21は、試料31の直上に配置されており、電子を計測するももので、コレクター電極21と試料31との距離は、例えば、大気圧下での測定では、1.0mm以下とすると測定精度と測定作業効率が両立できて好ましいが、電子の平均自由行程を考慮して0.5mm以下として測定精度を高めてもよい。電極形状としては例えば、照射ビームの光路上で、照射ビーム径を邪魔しないリング状の電極21a、照射ビーム径の一部にかかる短針状の電極21b、あるいは、照射ビーム径と同程度のメッシュ状の電極21cを用いる。   In FIG. 10, the irradiation and reflection optical fiber 59, the condensing lens 61, the collector electrode 21, and the sample 31 are positioned in the vertical direction in this order. The collector electrode 21 is disposed immediately above the sample 31 and measures electrons. The distance between the collector electrode 21 and the sample 31 is, for example, 1.0 mm or less in measurement under atmospheric pressure. Although it is preferable that both measurement accuracy and measurement work efficiency can be achieved, the measurement accuracy may be increased to 0.5 mm or less in consideration of the mean free path of electrons. As the electrode shape, for example, on the optical path of the irradiation beam, a ring-shaped electrode 21a that does not interfere with the irradiation beam diameter, a short needle-shaped electrode 21b that covers a part of the irradiation beam diameter, or a mesh shape that is approximately the same as the irradiation beam diameter. The electrode 21c is used.

図11は電極形状と電極配置の関係を示した図で、図8の装置のような分岐ファイバー光学系の使用時を示している。図11において、(a1)はリング状電極の側面図、(a2)はリング状電極の平面図、(b1)は短針形電極の側面図、(b2)は短針形電極の平面図、(c1)はメッシュ形電極の側面図、(c2)はメッシュ形電極の平面図を示している。   FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the electrode shape and the electrode arrangement, and shows the use of a branch fiber optical system such as the apparatus of FIG. 11, (a1) is a side view of the ring-shaped electrode, (a2) is a plan view of the ring-shaped electrode, (b1) is a side view of the short needle-shaped electrode, (b2) is a plan view of the short needle-shaped electrode, (c1 ) Is a side view of the mesh electrode, and (c2) is a plan view of the mesh electrode.

<測定方法>
次に、バンドラインナップの測定方法について、図及びフローチャートを用いて説明する。図12はバンドラインナップ測定における全体測定の手順を示すフローチャートである。
初めに、制御装置83は、透過及び反射測定に必要なバックグラウンド(Dark)スペクトル及び、参照(Ref)スペクトルをすでに取得しているかどうかを判断する(S302)。取得していなければ、後述のバックグラウンド・参照スペクトル測定フローチャートに従い取得する(S304)。取得していた場合は、試料ホルダー32に測定試料31をセットする(S306)。試料31もしくは電極21あるいは両方に、電圧を印加する(S308)。光源部1から出射する赤外域から紫外域の光のうち、制御装置83からの制御信号により、分光器4を操作し所望の波長の光だけを単色光として出力する(S310)。分光器4から出力された単色光はハーフミラー52を含む光学系5または、分岐ファイバー9を用いて、一部は参照光として残りは照射光として、そして試料で反射した光を分離する。参照光用光量計57、反射光用光量計58、透過光用光量計72は、それぞれ参照光、反射光、試料が光透過性を有する材料の場合は透過光の光量を測定する(S312)。
<Measurement method>
Next, a band lineup measuring method will be described with reference to the drawings and flowcharts. FIG. 12 is a flowchart showing a procedure for overall measurement in band lineup measurement.
First, the control device 83 determines whether a background (Dark) spectrum and a reference (Ref) spectrum necessary for transmission and reflection measurement have already been acquired (S302). If not acquired, it is acquired according to the background / reference spectrum measurement flowchart described later (S304). If acquired, the measurement sample 31 is set in the sample holder 32 (S306). A voltage is applied to the sample 31 and / or the electrode 21 (S308). Of the light from the infrared region to the ultraviolet region emitted from the light source unit 1, the spectroscope 4 is operated by the control signal from the control device 83 to output only light having a desired wavelength as monochromatic light (S310). The monochromatic light output from the spectroscope 4 is separated by using the optical system 5 including the half mirror 52 or the branch fiber 9, partly as reference light, the rest as irradiation light, and the light reflected by the sample. The reference light quantity meter 57, the reflected light quantity meter 58, and the transmitted light quantity meter 72 measure the reference light quantity, the reflected light quantity, and the transmitted light quantity when the sample is a light-transmitting material (S312). .

次に、光が試料31に照射されたときに試料31とコレクター電極21間に流れる電流値を電流計23または、24で計測する(S314)。測定された電流値及び光量は記憶装置81に記録される(S316)。
ここで、最初に設定した測定波長範囲の測定が終了したか否かを判断し(S318)、全測定波長による測定が終了していない場合(S318において、NO)、制御装置83は分光器4を操作し、単色光の波長を変更する(S322)。また、S322の処理が終了した後は、S312に戻り、S312以降の処理を行う。
Next, the current value flowing between the sample 31 and the collector electrode 21 when the sample 31 is irradiated with light is measured by the ammeter 23 or 24 (S314). The measured current value and light amount are recorded in the storage device 81 (S316).
Here, it is determined whether or not the measurement within the initially set measurement wavelength range has been completed (S318), and when measurement with all measurement wavelengths has not been completed (NO in S318), the control device 83 determines that the spectroscope 4 To change the wavelength of the monochromatic light (S322). In addition, after the process of S322 is completed, the process returns to S312 and the processes after S312 are performed.

全測定波長による測定が終了した場合(S318において、YES)、試料31もしくはコレクター電極21あるいは両方に、印加された直流電圧をOFFにする(S320)。記憶装置81に記録された測定結果が解析装置82に送られる。解析装置82は、後述のイオン化ポテンシャル決定フローチャート(S324)、続いてバンドギャップ決定フローチャート(S326)に従い、それぞれの値を決定する。その後、イオン化ポテンシャルの値およびバンドギャップの値から、解析装置82はバンドラインナップ決定フローチャートによりバンドラインナップを決定する(S328)。   When measurement using all measurement wavelengths is completed (YES in S318), the DC voltage applied to the sample 31 and / or the collector electrode 21 is turned off (S320). The measurement result recorded in the storage device 81 is sent to the analysis device 82. The analysis device 82 determines each value according to an ionization potential determination flowchart (S324), which will be described later, and then a band gap determination flowchart (S326). Thereafter, from the ionization potential value and the band gap value, the analysis device 82 determines the band lineup according to the band lineup determination flowchart (S328).

そして、制御装置83は測定位置の変更を行うかどうかを判断し(S330)、測定位置の変更を行う場合(S330において、YES)、ステージユニット33を操作して測定場所を変更する(S332)。また、S332の処理が終了した後は、制御装置83はS310に戻り、S310以降の処理を行う。
他方、S330の処理において、測定位置の変更しない場合(S330において、NO)、測定を終了する。
Then, the control device 83 determines whether or not to change the measurement position (S330). When the measurement position is changed (YES in S330), the measurement unit is changed by operating the stage unit 33 (S332). . Further, after the processing of S332 is completed, the control device 83 returns to S310 and performs the processing after S310.
On the other hand, if the measurement position is not changed in S330 (NO in S330), the measurement is terminated.

次に、図13を用いてバックグラウンド・参照スペクトル測定フローチャートについて説明する。
相対透過率及び相対反射率を求めるためには、バックグラウンドスペクトル・参照スペクトルの両方を測定しなければならない。まず、制御装置83はバックグランド(Dark)スペクトルを測定するか、それとも参照(Ref)スペクトルのどちらを測定するかを判断する(S402)。バックグランドスペクトルの場合には、試料ホルダー32には、何もセットしない(S404)。参照スペクトルの場合には、試料ホルダー32に参照物質をセットする(S406)。その後の操作は同じであり、光源部1から出射する赤外域から紫外域の光のうち、制御装置83からの制御信号により、分光器1を操作し所望の波長の光だけを単色光として出力する(S408)。参照光用光量計57、反射光用光量計58、透過光用光量計72は、それぞれ参照光、反射光、試料が光透過性を有する材料の場合は透過光の光量を測定する(S410)。測定された光量は記憶装置81に記録される(S412)。
Next, a background / reference spectrum measurement flowchart will be described with reference to FIG.
In order to determine the relative transmittance and the relative reflectance, both the background spectrum and the reference spectrum must be measured. First, the control device 83 determines whether to measure a background (Dark) spectrum or a reference (Ref) spectrum (S402). In the case of the background spectrum, nothing is set in the sample holder 32 (S404). In the case of the reference spectrum, the reference substance is set in the sample holder 32 (S406). Subsequent operations are the same. Among the light from the infrared region to the ultraviolet region emitted from the light source unit 1, the spectroscope 1 is operated by the control signal from the control device 83 to output only light of a desired wavelength as monochromatic light. (S408). The reference light quantity meter 57, the reflected light quantity meter 58, and the transmitted light quantity meter 72 measure the light quantity of the reference light, the reflected light, and the transmitted light when the sample is a light-transmitting material (S410). . The measured light quantity is recorded in the storage device 81 (S412).

次に、制御装置83は、最初に設定した測定波長範囲の測定が終了したか否かを判断し(S414)、全測定波長による測定が終了していない場合(S414において、NO)、分光器4を操作し、波長を変更する(S416)。また、S416の処理が終了後は、S410に戻り以降の処理を行う。 Next, the control device 83 determines whether or not the measurement within the initially set measurement wavelength range is completed (S414), and when the measurement with all the measurement wavelengths is not completed (NO in S414), the spectroscope 4 is operated to change the wavelength (S416). Further, after the process of S416 is completed, the process returns to S410 and the subsequent processes are performed.

<バンドラインナップの測定例>
記憶装置81は、図12のフローチャートに従って、波長を走査しながら測定される光量と電流値を記録する。得られたスペクトルから、解析装置82によってイオン化ポテンシャル決定フローチャート、バンドギャップ決定フローチャートおよびバンドラインナップ決定フローチャートに従ってバンドラインナップを決定する。
<Example of band lineup measurement>
The storage device 81 records the light amount and current value measured while scanning the wavelength according to the flowchart of FIG. From the obtained spectrum, the analysis device 82 determines the band lineup according to the ionization potential determination flowchart, the band gap determination flowchart, and the band lineup determination flowchart.

図12のS324のイオン化ポテンシャル決定フローチャートは、図14のように参照光量及び電流値からイオン化ポテンシャルを決定する。前述の通り、参照光量測定は、フォトダイオードで行っており波長感度補正が必要である。感度補正は、測定波長ごとにその場で感度補正を行うものと、ある波長を基準にして、測定後補正するものとがある。ここでは、感度補正された光量(C−rPD)とする。解析装置82は、波長感度校正された光量から、光子数に変換するために、C−rPDを各波長での光子のエネルギーで割り相対光子数(NP)を求める(S502)。
NP=(C−rPD)/E (10)
The ionization potential determination flowchart of S324 in FIG. 12 determines the ionization potential from the reference light amount and the current value as shown in FIG. As described above, the reference light amount measurement is performed by a photodiode, and wavelength sensitivity correction is necessary. There are two types of sensitivity correction: one that performs sensitivity correction on the spot for each measurement wavelength, and one that performs post-measurement correction based on a certain wavelength. Here, the sensitivity-corrected light amount (C-rPD) is used. The analysis device 82 calculates the relative photon number (NP) by dividing C-rPD by the energy of the photon at each wavelength in order to convert the light quantity subjected to wavelength sensitivity calibration into the number of photons (S502).
NP = (C-rPD) / E (10)

1光子あたりの収量(光電子収量:PYS)にするために、解析装置82は、電流値(CI)を相対光子数(NP)で割る(S504)。
PYS=CI/NP (11)
Fowler関数を仮定して閾値を求めるために、S504で得られた値の平方根を取る(S506)。
S−PYS=(PYS)1/2 (12)
解析装置82は、横軸を照射エネルギー、縦軸をS−PYSとしてグラフを作成する(S508)。そして、グラフにおける変曲点の位置で接線を引き、バックグラウンドのラインとの交点におけるエネルギーをイオン化ポテンシャルと決定する(S510)。
In order to obtain a yield per photon (photoelectron yield: PYS), the analysis device 82 divides the current value (CI) by the relative number of photons (NP) (S504).
PYS = CI / NP (11)
In order to obtain the threshold value assuming the Fowler function, the square root of the value obtained in S504 is taken (S506).
S-PYS = (PYS) 1/2 (12)
The analysis device 82 creates a graph with the horizontal axis representing irradiation energy and the vertical axis representing S-PYS (S508). Then, a tangent line is drawn at the position of the inflection point in the graph, and the energy at the intersection with the background line is determined as the ionization potential (S510).

図12のS326のバンドギャップ決定フローチャートは、図15のように反射測定あるいは、透過測定からバンドギャップを決定する。
解析装置82は、測定装置に透過測定の設備が取り付けられているか、又は、透過性のある試料かによって透過測定があるかないかを判断する(S602)。透過測定がある場合は、透過測定データ(TM)からバックグランドデータ(Tdark)と参照データ(Tref)を用いて相対透過率(RT)を求める(S604)。
RT=(TM−Tdark)/(Tref−Tdark) (13)
その次に、縦軸:RT、横軸:Eのグラフを作成する(S620)。グラフより吸収端を求める(S622)。
The band gap determination flowchart of S326 in FIG. 12 determines the band gap from reflection measurement or transmission measurement as shown in FIG.
The analysis device 82 determines whether there is a transmission measurement depending on whether the measurement device is equipped with a transmission measurement facility or is a permeable sample (S602). If there is a transmission measurement, the relative transmittance (RT) is obtained from the transmission measurement data (TM) using the background data (Tdark) and the reference data (Tref) (S604).
RT = (TM-Tdark) / (Tref-Tdark) (13)
Next, a graph of vertical axis RT and horizontal axis E is created (S620). The absorption edge is obtained from the graph (S622).

透過測定がない場合(S602でNO)は、反射測定データ(RM)からバックグランドデータ(Rdark)と参照データ(Rref)を用いて相対反射率(RR)を求める(S606)。
RR=(RM−Rdark)/(Rref−Rdark) (14)
相対反射率RRを求めてからは2つの計算方法を使って吸収係数(a)を求めることになる。RRを用いてKramers - Kronig変換(非特許文献5)を用いて屈折率(n)と消光係数(k)を求める(S608)。そして消光係数を用いて吸収係数(a)を求める(S612)。
a=4πk/λ (15)
ここでλは波長である。
一方で、Kubelka - Munk変換(非特許文献6)を用いて吸収係数(a)を求める(S610)。
a/s=(1−RR)(1−RR)/(2RR) (16)
ここで、s=1とする。
When there is no transmission measurement (NO in S602), the relative reflectance (RR) is obtained from the reflection measurement data (RM) using the background data (Rdark) and the reference data (Rref) (S606).
RR = (RM-Rdark) / (Rref-Rdark) (14)
After obtaining the relative reflectance RR, the absorption coefficient (a) is obtained using two calculation methods. Refractive index (n) and extinction coefficient (k) are obtained using Kramers-Kronig transformation (Non-Patent Document 5) using RR (S608). Then, the absorption coefficient (a) is obtained using the extinction coefficient (S612).
a = 4πk / λ (15)
Here, λ is a wavelength.
On the other hand, the absorption coefficient (a) is obtained using the Kubelka-Munk transform (Non-patent Document 6) (S610).
a / s = (1-RR) (1-RR) / (2RR) (16)
Here, s = 1.

それぞれの変換方法で吸収係数が求まったので、その後の処理は同じになる。直接遷移を仮定した場合、次式の関係より縦軸:(aE)、横軸:Eのグラフを作成する(S614)。
a=A・(E−Eg)1/2/E (17)
間接遷移を仮定した場合、次式の関係より縦軸:(aE)1/2、横軸:Eのグラフを作成する(S616)。
a=B・(E−Eg)/E (18)
グラフにおけるもっとも低いエネルギーでの変曲点の位置で接線を引き、バックグラウンドのラインとの交点におけるエネルギーをバンドギャップとする(S618)。それぞれよりバンドギャップが求まるが、測定対象の材料特性などを考慮して、どの値を使用するかを決め、バンドギャップを決定する(S624)。
Since the absorption coefficient is obtained by each conversion method, the subsequent processing is the same. When direct transition is assumed, a graph of vertical axis: (aE) 2 and horizontal axis: E is created from the relationship of the following equation (S614).
a = A · (E−Eg) 1/2 / E (17)
If indirect transition is assumed, a graph of vertical axis: (aE) 1/2 and horizontal axis: E is created from the relationship of the following equation (S616).
a = B · (E−Eg) 2 / E (18)
A tangent line is drawn at the position of the inflection point at the lowest energy in the graph, and the energy at the intersection with the background line is defined as a band gap (S618). The band gap can be obtained from each of them, but the value to be used is determined in consideration of the material characteristics of the measurement object, and the band gap is determined (S624).

図12のS326のバンドラインナップ決定フローチャートは、図16のようにバンドギャップの値とイオン化ポテンシャルの値からバンドラインナップを決定する。まず、バンドギャップ(Eg)及びイオン化ポテンシャル(IP)の値を読み込む(S702)。次に、伝導体下端(LUMO):電子親和力(χ)の準位を求める(S704)。
χ=IP−Eg (19)
そして、真空準位、χ、IP、Egを表示した図表を作成する(S706)。
The band lineup determination flowchart of S326 in FIG. 12 determines the band lineup from the band gap value and the ionization potential value as shown in FIG. First, the values of the band gap (Eg) and the ionization potential (IP) are read (S702). Next, the level of the lower end of the conductor (LUMO): electron affinity (χ) is obtained (S704).
χ = IP−Eg (19)
Then, a chart displaying the vacuum level, χ, IP, and Eg is created (S706).

図17は、有機EL材料に使われるRubrene、Me−TPD、Alq3、CuPCの反射測定より求めたバンドギャップの一例を示す図である。なお、Rubrene(5,6,11,12-tetraphenyl naphthacene)は、テトラセン誘導体の芳香族炭化水素である。Rubrene単結晶は有機半導体で最も高い移動度をもち、有機EL(OLED)、有機電界効果トランジスタ(OFET)などに用いられる。Me−TPD(N,N,N’, N’-Tetrakis (4−methylphenyl) Benzidine)は、芳香族のアミンである。高い正孔移動度を持つことから有機EL材料では、正孔輸送材として用いられる。Alq3は、トリス (8-キノリノラト)アルミニウム(tris (8-hydroxyquinolinato) aluminium)のことで、アルミニウム金属と3つの8−キノリノール配位子の二座配位による錯体であり、有機ELパネルの発光材料である。CuPCは、銅フタロシアニン (Phthalocyanine, Copper complex)のことで、4つのフタル酸イミドが窒素原子で架橋された構造をもつ環状化合物の銅錯体である。   FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a band gap obtained by reflection measurement of Rubrene, Me-TPD, Alq3, and CuPC used for the organic EL material. Rubrene (5,6,11,12-tetraphenyl naphthacene) is an aromatic hydrocarbon of a tetracene derivative. A rubrene single crystal has the highest mobility among organic semiconductors and is used for organic EL (OLED), organic field effect transistor (OFET) and the like. Me-TPD (N, N, N ′, N′-Tetrakis (4-methylphenyl) benzidine) is an aromatic amine. Since it has high hole mobility, it is used as a hole transport material in organic EL materials. Alq3 is tris (8-hydroxyquinolinato) aluminum, a complex based on bidentate coordination of aluminum metal and three 8-quinolinol ligands. It is. CuPC is copper phthalocyanine (Phthalocyanine, Copper complex), and is a copper complex of a cyclic compound having a structure in which four phthalimides are bridged by nitrogen atoms.

また、図18は、同じサンプルのイオン化ポテンシャル測定の一例を示す図で、ここでは光電子収量測定結果として表示してある。そして、図19は、図17及び図18によって得られた測定値から求められるバンドラインナップの値の一例である。
測定に用いたサンプルでは、粉状物質であり、透過測定ができないために反射測定からバンドギャップを求める。前述の通り、反射測定の結果である図17より、バンドギャップはRubrene、Me−TPD、Alq3及びCuPCの其々について、2.2eV、3.1eV、2.9eV、1.6eVと得られる。図18より其々のイオン化ポテンシャルは、5.35eV、5.5eV、5.9eV、5.25eVと得られる。従って、図19のように其々の価電子帯上端EVBMはイオン化ポテンシャルと等しくなり、其々の伝導帯下端ECBMは3.15eV、2.4eV、3.0eV、3.65eVと求めることができる。
FIG. 18 is a diagram showing an example of ionization potential measurement of the same sample, which is shown here as a photoelectron yield measurement result. FIG. 19 is an example of band lineup values obtained from the measurement values obtained in FIGS. 17 and 18.
The sample used for measurement is a powdery substance, and transmission measurement cannot be performed, so the band gap is obtained from reflection measurement. As described above, the band gap can be obtained as 2.2 eV, 3.1 eV, 2.9 eV, and 1.6 eV for each of Rubrene, Me-TPD, Alq3, and CuPC from FIG. From FIG. 18, the respective ionization potentials are obtained as 5.35 eV, 5.5 eV, 5.9 eV, and 5.25 eV. Therefore,其's valence band maximum E VBM as in Figure 19 is equal to the ionization potential,其' s conduction band E CBM is possible to obtain 3.15 eV, 2.4 eV, 3.0 eV, and 3.65eV Can do.

<蛍光測定機能>
蛍光機能測定を有するバンドラインナップ装置は、図7または、図8に示す装置をベースとし、反射測定部58に蛍光用分光器を設置する。蛍光用分光器は、CCD付分光器または、CCD付マルチチャンネル分光器を用いることができる。蛍光測定は、分光器4の分光した入射波長とは別の波長を測定する。試料が蛍光物質である場合には、紫外光を照射したときに、照射した紫外光の波長とは異なる別の波長の反射光又は発光が観測されるので、この蛍光をCCD付分光器または、CCD付マルチチャンネル分光器で測定する。
<Fluorescence measurement function>
The band lineup apparatus having the fluorescence function measurement is based on the apparatus shown in FIG. 7 or FIG. 8, and a fluorescence spectrometer is installed in the reflection measurement unit 58. As the fluorescence spectrometer, a CCD-equipped spectrometer or a CCD-equipped multichannel spectrometer can be used. In the fluorescence measurement, a wavelength different from the incident wavelength separated by the spectroscope 4 is measured. When the sample is a fluorescent material, when irradiated with ultraviolet light, reflected light or light emission having a wavelength different from the wavelength of the irradiated ultraviolet light is observed. Measure with a multichannel spectrometer with CCD.

図20は図8の装置で測定した蛍光測定の一例を示す図で、(A)は分光図で縦軸は発光強度(Photoluminecence:PL[a.u.])、横軸は波長を示してあり、(B)は蛍光ペンの緑色、黄色、オレンジ色、ピンクを示してある。ここでは、分光器4の分光した入射波長は395nmの場合を示している。蛍光ペンの緑色に対して、入射波長の395nmと510nm付近をピークとする蛍光波長が観測される。蛍光ペンの黄色に対して、入射波長の395nmと510nm付近をピークとする蛍光波長が観測される。蛍光ペンのオレンジ色に対して、入射波長の395nmと590nm付近をピークとする蛍光波長が観測される。蛍光ペンのピンクに対して、入射波長の395nmと600nm付近をピークとする蛍光波長が観測される。   FIG. 20 is a diagram showing an example of fluorescence measurement measured by the apparatus shown in FIG. 8. (A) is a spectroscopic diagram, the vertical axis is emission intensity (Photoluminecence: PL [au]], and the horizontal axis is wavelength. Yes, (B) shows the green, yellow, orange and pink of the highlighter. Here, a case where the incident wavelength obtained by the spectroscopy of the spectroscope 4 is 395 nm is shown. For the green color of the fluorescent pen, fluorescence wavelengths having peaks at the incident wavelengths of 395 nm and 510 nm are observed. For the yellow color of the fluorescent pen, fluorescence wavelengths having peaks at the incident wavelengths of 395 nm and 510 nm are observed. For the orange color of the fluorescent pen, fluorescence wavelengths having peaks at incident wavelengths near 395 nm and 590 nm are observed. With respect to pink of the fluorescent pen, fluorescence wavelengths having peaks at the incident wavelengths of 395 nm and around 600 nm are observed.

図21は図8の装置で反射測定部58にCCD付マルチチャンネル分光器を設置し、蛍光測定の一例を示す図である。測定サンプルはMe−TPDである。縦軸は、発光強度で横軸は波長で示してある。照射波長を変えても発光波長に変化はないが、波長により強度の変化が見られる。最大値発光における波長は、420nm付近である。   FIG. 21 is a diagram showing an example of fluorescence measurement in which the multichannel spectrometer with CCD is installed in the reflection measuring unit 58 in the apparatus of FIG. The measurement sample is Me-TPD. The vertical axis indicates the emission intensity and the horizontal axis indicates the wavelength. Even if the irradiation wavelength is changed, the emission wavelength does not change, but the intensity changes depending on the wavelength. The wavelength at maximum emission is around 420 nm.

なお、上記の実施形態においては、光源部の放射する連続光として、赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長の全ての領域に渡るものを示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、測定対象材料の既知の性質を基礎にバンドラインナップの特定事項に関して測定する場合のように、光源部は赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長のうち一部のみを含む連続光を放射するものでもよい。
また、上記の実施形態においては、透過光測定部と反射光測定部の双方を備える場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、測定対象試料が光透過性を有する場合には、透過光測定部だけでもよい。また、測定対象試料が光透過性のない場合には、反射光測定部だけを用いてもよい。
In the above embodiment, the continuous light emitted from the light source unit has been shown to cover all regions of the wavelength in the infrared region, the wavelength in the visible light region, and the wavelength in the ultraviolet region. It is not limited. For example, the light source unit includes only a part of the wavelength in the infrared region, the wavelength in the visible light region, and the wavelength in the ultraviolet region, as in the case of measuring with respect to specific matters of the band lineup based on the known properties of the material to be measured. It may emit continuous light.
Moreover, in said embodiment, although the case where both the transmitted light measurement part and the reflected light measurement part are provided is shown, this invention is not limited to this. For example, when the measurement target sample has light transmittance, only the transmitted light measurement unit may be used. Further, when the measurement target sample is not light transmissive, only the reflected light measurement unit may be used.

さらに、上記の実施形態においては、解析装置における解析式として、Kramers - Kronig変換、Kubelka - Munk変換を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、同一の目的を達成する同等の変換式を用いることができる。また、上記の実施形態は、本発明を例示するものに過ぎず、当業者にとって自明な装置や機器・材料による変更を含むものである。
さらに、上記の実施形態においては、バンドラインナップ測定装置としてバッチ処理で試料の特性値を測定する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、製造ラインに設置して製造される試料を連続的に測定するように構成されてもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, Kramers-Kronig transformation and Kubelka-Munk transformation are shown as analytical expressions in the analysis device, but the present invention is not limited to this, and equivalents that achieve the same purpose The following conversion formula can be used. Further, the above-described embodiment is merely illustrative of the present invention, and includes modifications by devices, devices, and materials that are obvious to those skilled in the art.
Furthermore, in the above embodiment, the case where the characteristic value of the sample is measured by batch processing as a band lineup measuring device has been shown, but the present invention is not limited to this, and is manufactured by being installed in a production line. The sample may be configured to continuously measure the sample.

上述したように、本発明のバンドラインナップ測定装置によれば、エネルギーの高い紫外光に対してダメージを受けやすい有機物材料でも、照射によって試料状態が変わることなくバンドラインナップを正確に測定できる。そこで、半導体分野やナノ材料創製等の材料分野、蛋白質科学や遺伝子工学などの分野でも、高い精度でのバンドラインナップ測定が行え、本発明は産業の発展に大きく寄与しうる。   As described above, according to the band lineup measuring apparatus of the present invention, the band lineup can be accurately measured without changing the sample state by irradiation even with an organic material that is easily damaged by high-energy ultraviolet light. Therefore, band line-up measurement can be performed with high accuracy in the fields of semiconductors, materials such as nanomaterial creation, protein science and genetic engineering, and the present invention can greatly contribute to the development of industry.

1 光源部
2 電気系測定部
21 コレクター電極
22、24 電圧源
23、25 電流計
3 試料設置部
31 試料
32 試料ホルダー
33 ステージユニット、移動機構、試料台
4 分光器
5 光照射部、照射光学系、照射・参照・反射光学系
52 ハーフミラー
57 参照光用光量計、参照光測定部
58 反射光用光量計又はCCD付きマルチチャンネル分光器、反射光測定部
59 照射及び反射用光ファイバー
60 二次光・迷光フィルター
61 集光レンズ
7 透過光学系
71 透過用光ファイバー又はレンズ
72 透過光用光量計又はCCD付きマルチチャンネル分光器、透過光測定部
8 論理制御部
81 記憶装置
82 解析装置
83 制御装置
9 光照射部、照射及び反射用光分岐ファイバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source part 2 Electrical system measurement part 21 Collector electrode 22, 24 Voltage source 23, 25 Ammeter 3 Sample installation part 31 Sample 32 Sample holder 33 Stage unit, moving mechanism, sample stand 4 Spectrometer 5 Light irradiation part, irradiation optical system , Irradiation / reference / reflection optical system 52 half mirror 57 light meter for reference light, reference light measuring unit 58 light meter for reflected light or multichannel spectrometer with CCD, reflected light measuring unit 59 optical fiber 60 for irradiation and reflection secondary light Stray light filter 61 Condensing lens 7 Transmission optical system 71 Optical fiber or lens for transmission 72 Light meter for transmitted light or multi-channel spectrometer with CCD, transmitted light measurement unit 8 logic control unit 81 storage device 82 analysis device 83 control device 9 light Irradiation unit, optical branching fiber for irradiation and reflection

Claims (15)

赤外域の波長、可視光域の波長、紫外域の波長の少なくとも1種類を含む連続光を放射する光源部と、
前記連続光から特定波長の光を取りだす分光器と、
前記特定波長の光を照射光として試料に照射する光照射部と、
前記照射光に起因する、前記試料の表面より反射する光を測定する反射光測定部と、前記試料を透過する光を測定する透過光測定部の少なくとも一方を備える光量測定部と、
前記光照射部と前記試料との間に設けられたコレクター電極と、
前記照射光に起因する、前記試料と前記コレクター電極との間に流れる電流を、前記光量測定部による光の測定と同時に測定する電流測定部と、
前記分光器の取りだす特定波長を制御する制御装置と、
を具備し、前記光量測定部と前記電流測定部の測定結果から前記試料の価電子帯上端エネルギー(EVBM)と伝導帯下端エネルギー(ECBM)を算出できることを特徴とするバンドラインナップ装置。
A light source that emits continuous light including at least one of an infrared wavelength, a visible wavelength, and an ultraviolet wavelength;
A spectrometer that extracts light of a specific wavelength from the continuous light;
A light irradiation unit that irradiates the sample with light of the specific wavelength as irradiation light ;
A light quantity measurement unit comprising at least one of a reflected light measurement unit that measures light reflected from the surface of the sample caused by the irradiation light, and a transmitted light measurement unit that measures light transmitted through the sample;
A collector electrode provided between the light irradiation unit and the sample;
A current measuring unit that measures the current flowing between the sample and the collector electrode caused by the irradiation light simultaneously with the measurement of light by the light amount measuring unit ;
A control device for controlling a specific wavelength extracted by the spectrometer;
And a band lineup apparatus capable of calculating a valence band upper end energy (E VBM ) and a conduction band lower end energy (E CBM ) of the sample from the measurement results of the light quantity measurement unit and the current measurement unit.
さらに、前記試料を照射する光の光軸に対し、垂直方向又は平行方向の少なくとも一方を含んで移動する移動機構を有し、
前記制御装置は前記移動機構を制御して、前記光照射部が照射する前記試料の表面の位置を制御することを特徴とする請求項1に記載のバンドラインナップ装置。
Furthermore, it has a moving mechanism that moves including at least one of the vertical direction and the parallel direction with respect to the optical axis of the light irradiating the sample,
The band lineup apparatus according to claim 1, wherein the control device controls the position of the surface of the sample irradiated by the light irradiation unit by controlling the moving mechanism.
さらに、前記試料を設置する試料ホルダーと、
前記試料と前記光照射部との間に設けられる前記コレクター電極と、
前記試料ホルダーと前記コレクター電極の少なくとも一方に直流電圧を印加する直流電圧源とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載のバンドラインナップ装置。
Furthermore, a sample holder for installing the sample,
The collector electrode provided between the sample and the light irradiation unit;
The band lineup apparatus according to claim 1, further comprising a DC voltage source that applies a DC voltage to at least one of the sample holder and the collector electrode.
前記コレクター電極は金属製であり、前記コレクター電極と前記試料との間の距離が大気圧下の測定では1.0mm以下であることを特徴とする請求項3に記載のバンドラインナップ装置。   The band lineup apparatus according to claim 3, wherein the collector electrode is made of metal, and a distance between the collector electrode and the sample is 1.0 mm or less in measurement under atmospheric pressure. 前記コレクター電極形状は、前記照射光の光路上で前記照射光のビーム径を邪魔しないリング状、前記照射光のビーム径の一部にかかる短針状、又は照射光のビーム径と同程度のメッシュ状の少なくとも1つであることを特徴とする請求項3又は4に記載のバンドラインナップ装置。   The collector electrode shape is a ring shape that does not interfere with the beam diameter of the irradiation light on the optical path of the irradiation light, a short needle shape that covers a part of the beam diameter of the irradiation light, or a mesh that is approximately the same as the beam diameter of the irradiation light The band lineup apparatus according to claim 3 or 4, wherein the band lineup apparatus is at least one of a shape. 前記光源部がハロゲン光源と重水素光源の両方を有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載のバンドラインナップ装置。   6. The band lineup apparatus according to claim 1, wherein the light source unit includes both a halogen light source and a deuterium light source. 前記光照射部は、前記分光器の取りだす特定波長の光から、前記照射光及び前記反射光を分けるハーフミラーを含む光学系、又は前記照射光及び前記反射光のそれぞれを分岐するファイバーを含む光学系を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載のバンドラインナップ装置。   The light irradiation unit includes an optical system including a half mirror that separates the irradiation light and the reflected light from light of a specific wavelength extracted by the spectroscope, or an optical including a fiber that branches each of the irradiation light and the reflected light. The band lineup apparatus according to claim 1, further comprising a system. 前記光照射部は、さらに、前記分光器の取りだす特定波長の光から参照光を分ける、ハーフミラーを含む前記光学系、又はファイバーを含む前記光学系を有すると共に、
前記光量測定部は、光照射の一部を取り出し参照光として測定する参照部を有することを特徴とする請求項7に記載のバンドラインナップ装置。
The light irradiation unit further includes the optical system including a half mirror, or the optical system including a fiber, which separates reference light from light of a specific wavelength extracted by the spectrometer.
8. The band lineup apparatus according to claim 7, wherein the light quantity measurement unit includes a reference unit that extracts a part of light irradiation and measures it as reference light.
前記光照射部は、照射光用光ファイバーを有すると共に、当該照射光用光ファイバーをグランド電位にすることで、前記コレクター電極に相当する機能を持たせることを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載のバンドラインナップ装置。   9. The light irradiation unit according to claim 1, wherein the light irradiation unit has an optical fiber for irradiation light and has a function corresponding to the collector electrode by setting the optical fiber for irradiation light to a ground potential. The band lineup device according to item 1. 前記試料の価電子帯上端エネルギー(EVBM)と伝導帯下端エネルギー(ECBM)を用いて、イオン化ポテンシャルの値(IP)とバンドギャップの値(Eg)についての下記の式(i)、(ii)から、バンドラインナップ(EVAC、EVBM、ECBM)を演算することを特徴とする請求項1に記載のバンドラインナップ装置。
IP=EVAC−EVBM (i)
Eg=ECBM−EVBM (ii)
Using the valence band top energy (E VBM ) and conduction band bottom energy (E CBM ) of the sample, the following equations (i) and (I) for the ionization potential value (IP) and the band gap value (Eg): The band lineup apparatus according to claim 1, wherein a band lineup (E VAC , E VBM , E CBM ) is calculated from ii).
IP = E VAC -E VBM (i)
Eg = E CBM -E VBM (ii)
請求項1に記載のバンドラインナップ装置によるバンドラインナップ測定方法であって、
反射測定又は透過測定の少なくとも一方に必要なバックグラウンド(dark)スペクトルと参照(ref)スペクトルを取得するステップと、
試料又はコレクター電極の少なくとも一方に直流電圧を印加するステップと、
分光器で分離された特定波長の単色光を前記試料に照射するステップと、
当該単色光を前記試料に照射したときに前記コレクター電極と前記試料間に流れる電流値を電流計で計測するステップと、
前記試料の表面で反射した反射光又は前記試料を透過した透過光の少なくとも一方を、前記電流計による前記電流値の計測と同時に光量計で計測するステップと、
前記測定された電流値及び前記反射光又は前記透過光の計測光量を用いて、前記試料のイオン化ポテンシャルの値、バンドギャップの値及びバンドラインナップの少なくとも一つを決定するステップと、
を有することを特徴とするバンドラインナップ測定方法。
A band lineup measuring method using the band lineup apparatus according to claim 1,
Acquiring a background (dark) spectrum and a reference (ref) spectrum required for at least one of reflection measurement and transmission measurement;
Applying a DC voltage to at least one of the sample or the collector electrode;
Irradiating the sample with monochromatic light of a specific wavelength separated by a spectrometer;
Measuring a current value flowing between the collector electrode and the sample when the sample is irradiated with the monochromatic light with an ammeter;
Measuring at least one of the reflected light reflected by the surface of the sample or the transmitted light transmitted through the sample with a light meter simultaneously with the measurement of the current value by the ammeter ;
Determining at least one of a value of an ionization potential of the sample, a value of a band gap , and a band lineup using the measured current value and the measured light amount of the reflected light or the transmitted light;
A band lineup measuring method characterized by comprising:
請求項11に記載のバンドラインナップ装置によるバンドラインナップ測定方法であって、
前記試料に照射するステップは、分光器で分離された特定波長の単色光のうち、ハーフミラーを含む光学系又は分岐ファイバーを用いて、一部を参照光として測定し、当該参照光以外の単色光を前記試料に照射するステップであることを特徴とするバンドラインナップ測定方法。
A band lineup measuring method using the band lineup apparatus according to claim 11,
The step of irradiating the sample includes measuring a part of the monochromatic light having a specific wavelength separated by the spectroscope as a reference light using an optical system or a branching fiber including a half mirror, and producing a monochromatic light other than the reference light. A band lineup measuring method, which is a step of irradiating the sample with light.
請求項11又は12に記載のバンドラインナップ装置によるバンドラインナップ測定方法であって、さらに、
光源部より射出される赤外域から紫外域までの波長のうちから、制御装置からの制御信号により前記分光器を操作して、所望の波長の光だけを単色光に分離するステップと、
測定波長範囲の測定が終了したか否かを判断し、終了していない場合は、前記分光器を操作して単色光の波長を変更し、終了した場合には前記試料又は前記コレクター電極の少なくとも一方の直流電圧印加をオフするステップと、
を有し、前記イオン化ポテンシャル値と前記バンドギャップ値からバンドラインナップの演算をすることを特徴とするバンドラインナップ測定方法。
A band lineup measuring method by the band lineup apparatus according to claim 11 or 12, further comprising:
Of the wavelengths from the infrared region to the ultraviolet region emitted from the light source unit, operating the spectroscope by a control signal from a control device, and separating only light of a desired wavelength into monochromatic light,
It is determined whether or not the measurement wavelength range measurement is completed, and if not completed, the wavelength of the monochromatic light is changed by operating the spectrometer, and if completed, at least the sample or the collector electrode Turning off one DC voltage application;
The a, band lineup measuring method characterized by the operations of the band lineup from the value of the band gap and the value of the ionization potential.
請求項11乃至13の何れか1項に記載のバンドラインナップ装置によるバンドラインナップ測定方法であって、さらに、
前記単色光が照射された前記試料の表面上の位置と共に、前記測定された電流値及び前記反射光又は前記透過光の計測光量値を記憶装置に記録するステップと、
前記単色光を前記試料に照射する位置を変更するステップと、
を有し、前記試料の測定位置の変更行うようにしたことを特徴とするバンドラインナップ測定方法。
A band lineup measuring method using the band lineup apparatus according to any one of claims 11 to 13, further comprising:
Recording the measured current value and the measured light amount value of the reflected light or transmitted light in a storage device together with the position on the surface of the sample irradiated with the monochromatic light;
Changing the position of irradiating the sample with the monochromatic light;
Band lineup measuring method, wherein a has, and so to change the measurement position of the sample.
請求項1乃至10の何れか1項に記載のバンドラインナップ装置において、
さらに前記光照射部に対して前記試料の反射光を測定する側に設けられた蛍光用分光器を有することを特徴とする蛍光測定機能を有するバンドラインナップ測定装置。
The band lineup device according to any one of claims 1 to 10,
A band lineup measuring apparatus having a fluorescence measurement function, further comprising a fluorescence spectrometer provided on the light irradiation unit on a side where the reflected light of the sample is measured.
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