(57)【要約】【課題】有機半導体材料のキャリア移動度を高精度に評価することができる半導体評価装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体評価装置１００は、薄型平板状の被測定試料１０にレーザ光１７を照射し、被測定試料１０に発生するキャリアを被測定試料１０の表面方向に移動させることにより電流を生成し、その電流の持続時間から被測定試料１０のキャリア移動度を評価する。半導体評価装置１００は、被測定試料１０を設置する被測定試料設置部３０を備えており、被測定試料設置部３０は、２つの透過性ガラス基板を有しており、一方の透過性ガラス基板に被測定試料１０が配置され、他方の透過性ガラス基板に遮光膜である金属膜が形成されている。【選択図】図１
2010016051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄型平板状の被測定試料にレーザ光を照射し、当該レーザ光の照射に起因して発生するキャリアを前記被測定試料の表面方向に移動させることにより電流を生成し、当該生成された電流の持続時間から前記被測定試料のキャリア移動度を評価する半導体評価装置であって、
前記レーザ光が前記被測定試料に照射されるように前記被測定試料を設置する被測定試料設置部を備え、
前記被測定試料設置部は、
第１面及び当該第１面の反対側に形成された第２面を持つ第１の透過性基板と、
前記第１の透過性基板の第２面に接触する第３面及び当該第３面の反対側に形成された第４面を持つ第２の透過性基板と、
前記第１の透過性基板の第２面と前記第２の透過性基板の第３面とが接触するように前記第１の透過性基板及び前記第２の透過性基板を固定可能な固定部材と、を有し、
前記第２の透過性基板の第３面には、前記レーザ光を通過させる開口部を持つ遮光膜が形成されており、
前記第１の透過性基板の第１面上に前記被測定試料を配置し、前記第２の透過性基板の第４面から入射される前記レーザ光のうち前記遮光膜の開口部を通過するレーザ光を前記被測定試料に照射させることを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
前記第１の透過性基板の厚さと前記第２の透過性基板の厚さとの合計値は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項３】
前記遮光膜は、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル及び銅のいずれか１つを含む金属膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体評価装置。
【請求項４】
前記被測定試料設置部はさらに、前記被測定試料上に形成された２つの対向する電極を有し、
前記被測定試料に照射されるレーザ光を出射する光照射手段と、
前記光照射手段によるレーザ光の照射に同期して、前記２つの対向する電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記被測定試料の電極の一方に直列接続された負荷抵抗部の両端間の電圧を検出する信号検出手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体評価装置。
【請求項５】
前記負荷抵抗部の抵抗値は、５０〜１０００Ωであることを特徴とする請求項４に記載の半導体評価装置。
【請求項６】
前記信号検出手段は、５００ｐＦ以下の入力容量を持ち、前記負荷抵抗部の両端間の電圧を増幅する前置増幅器を有することを特徴とする請求項４または５に記載の半導体評価装置。
【請求項７】
前記前置増幅器は、自身に固有の直流電圧成分及び利得を持ち、入力電圧から直流電圧成分を減算し、当該減算結果に利得を乗算した電圧を出力することを特徴とする請求項６に記載の半導体評価装置。
【請求項８】
前記前置増幅器は、前記被測定試料から２５ｃｍ以内の距離に位置することを特徴とする請求項６または７に記載の半導体評価装置。
【請求項９】
前記被測定試料及び前記負荷抵抗部を収納する収納容器をさらに備えることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の半導体評価装置。
【請求項１０】
前記収納容器はさらに、前記前置増幅器を収納することを特徴とする請求項９に記載の半導体評価装置。
【請求項１１】
前記収納容器は、自身の内部を真空状態とする排気装置、及び、自身の内部を窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気とするガス導入装置のうちのいずれかを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体評価装置。
【請求項１２】
前記光照射手段から前記被測定試料までのレーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の進行を遮断可能な光遮断部と、
前記信号検出手段の検出結果を処理することにより、前記被測定試料のキャリア移動度を評価する信号処理手段と
をさらに備え、
前記信号処理手段は、前記光遮断部による前記レーザ光の透過時における前記信号検出手段の検出結果を複数回積算して透過時平均値を算出し、前記光遮断部による前記レーザ光の遮断時における前記信号検出手段の検出結果を複数回積算して遮断時平均値を算出し、前記透過時平均値と前記遮断時平均値との差分値から、前記被測定試料のキャリア移動度を評価することを特徴とする請求項４〜１１のいずれか１項に記載の半導体評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料等のキャリア移動度を評価する半導体評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体材料は、ユビキタス情報端末用途のフレキシブル薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）や発光ダイオードに利用されることから、その材料開発が盛んに行われている。有機半導体材料のキャリア移動度はデバイスの性能を直接決める特性であり、その評価はこれら材料開発にあたっての重要な指標とされている。これまでキャリア移動度は飛行時間計測法（Ｔｉｍｅ‐ｏｆ‐ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）から見積もられてきた。
【０００３】
図４に、従来のＴＯＦ法によるキャリア移動度の測定の様子を示す。この測定方法は膜厚方向のＴＯＦ法である。図４に示すように、被測定試料５１として有機半導体材料膜を、透明導電膜基板５２と、ＩＴＯガラス基板５３で挟み込み、電圧源５４を用いてこの両基板間に、被測定試料５１の膜の厚み方向に直流電圧を印加する。透明導電膜基板５２側からＵＶ光５６をパルスとして照射すると、透明導電膜基板５２側の被測定試料５１の表面にキャリア（電子とホール）が発生し、厚み方向の電界のクーロン力により電子あるいはホールのいずれかが、ＩＴＯガラス基板５３側の電極に移動する。キャリア移動に伴い両基板間に変位電流が流れ、信号検出手段５５を用いてその変位電流信号を検出することで、その変位電流の持続時間Ｔｆを測定する。そして、その持続時間Ｔｆと被測定試料５１の厚さから、被測定試料５１である有機半導体材料のキャリア移動度を評価することができる。
【０００４】
例えば、キャリアの移動度をμ、電界強度をＥ、キャリアの飛行距離、すなわち、膜厚をＬ、キャリアの速度をｖとすると、ｖ＝Ｌ／Ｔｆの関係から、μはμ＝ｖ／Ｅから求めることができる。
【０００５】
ところで、従来の測定方法では、変位電流の持続時間Ｔｆ、つまり、キャリア移動時間が測定に都合のよい長さになるように、被測定試料５１の厚さを調整して測定が行なわれてきた。しかしながら、近年注目されているペンタセンやルブレン等の高移動度有機半導体材料において均一で膜厚の大きい試料を用意することは一般には難しい。つまり、膜厚を厚くするには高純度の試料が大量に必要であり、また、その厚みを均一に制御することも容易ではない。そのため、キャリア移動時間を長くすることは難しく、従来のＴＯＦ法ではキャリア移動度を高精度に測定できない問題点がある。
【０００６】
例えば、被測定試料５１のキャリア移動度が１×１０−２ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上になってくると、１ｍｍ以上の厚い膜厚の被測定試料５１が必要になってくる。通常、有機半導体材料で十分にキャリアを走行させるには１０００Ｖ／ｃｍ以上の電界強度が必要となるが、上記膜厚より小さくなると、変位電流の持続時間がサブマイクロ秒になり、信号検出手段５５におけるＳ／Ｎ比の確保が難しく、信号記録が困難になってしまう。なぜなら、変位電流信号の検出信号の継続時間が雑音の継続時間と同程度、あるいは、それ以下となってしまうからである。
【０００７】
さらに、有機半導体は薄膜トランジスタなど膜の面内方向にキャリアを走行させて使われるため、有機半導体の膜厚方向のキャリア移動度ではなく、面内方向でのキャリア移動度の評価が求められている。また、多くの有機半導体は結晶質をとり、結晶構造が３次元的に異方性をもっており、薄膜トランジスタの増幅性能を向上させるには、面内方向の移動度の異方性をＴＯＦ法で評価する必要である。そのためには、従来技術である膜厚方向のＴＯＦ法では対応は困難であった。
【０００８】
例えば、非特許文献１には、被測定試料の厚さの調整が不要となるように、また、有機半導体膜の面内方向の移動度を測定する技術が開示されている。図５に、この測定に用いられる被測定試料の様子を示す。図５に示すように、透過性ガラス基板６２上の遮光膜６３にはスリットが形成されており、そのスリットを介してパルス光６８が透過性ガラス基板６２側から被測定試料６１に入射される。その入射光は透過性ガラス基板６２及びシリコン酸化膜６４を透過し、被測定試料６１に照射される。被測定試料６１の横方向の両端には２つの電極６５が形成されており、この２つの電極６５間に電源６６から電圧が印加される。パルス光６８の入射に起因して発生するキャリアが２つの電極６５間を移動し、その移動に伴う変位電流による抵抗６７の両端間の電圧変動を検出することにより、その変位電流の持続時間を測定するものである。
【０００９】
非特許文献１に開示された測定方法では、キャリアの移動方向を被測定試料の横方向としているので、厚さの薄い被測定試料を用いた場合でも、測定されるキャリア移動時間を長くすることができる。このため、厚膜化が困難な有機半導体材料においても、そのキャリア移動度の測定が可能である。
【非特許文献１】Atsushi Kuwahara, et al., “Carrier mobility of organic thin films using lateral electrode structure with optical slits”, Applied Physics Letters 89, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に開示された評価方法では、パルス光６８を被測定試料６１に照射する際に、照射部位を電極６５近傍にあわせるため、被測定試料６１、電極６５、遮光膜６３の位置関係を調整して形成する必要がある。これら測定用の治具を構成するためには、リソグラフィや顕微鏡での組み立て操作が必要であり、また、透過性ガラス基板６２、遮光膜６３等を積層させて形成しているために、作製歩留まりが悪いという問題が生じていた。
【００１１】
さらに、非特許文献１の評価方法では、被測定試料６１を交換して測定するには、透過性ガラス基板６２、遮光膜６３、シリコン酸化膜６４、電極６５から構成される積層構造を再作製しなければならない。また、遮光膜６３はレーザ光によって損傷を受けやすく、このため、損傷を受けたときにはこれら全部品を再構成しなければならず、このような測定にかかわる手間と部品消耗のコストが大きくなる問題が生じていた。
【００１２】
上記問題点に鑑み、本発明の目的は、非常に簡便に消耗コストを抑えると共に、半導体材料のキャリア移動度を高精度に評価することができる半導体評価装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明にかかる半導体評価装置は、薄型平板状の被測定試料にレーザ光を照射し、当該レーザ光の照射に起因して発生するキャリアを前記被測定試料の表面方向に移動させることにより電流を生成し、当該生成された電流の持続時間から前記被測定試料のキャリア移動度を評価する半導体評価装置であって、前記レーザ光が前記被測定試料に照射されるように前記被測定試料を設置する被測定試料設置部を備え、前記被測定試料設置部は、第１面及び当該第１面の反対側に形成された第２面を持つ第１の透過性基板と、前記第１の透過性基板の第２面に接触する第３面及び当該第３面の反対側に形成された第４面を持つ第２の透過性基板と、前記第１の透過性基板の第２面と前記第２の透過性基板の第３面とが接触するように前記第１の透過性基板及び前記第２の透過性基板を固定可能な固定部材と、を有し、前記第２の透過性基板の第３面には、前記レーザ光を通過させる開口部を持つ遮光膜が形成されており、前記第１の透過性基板の第１面上に前記被測定試料を配置し、前記第２の透過性基板の第４面から入射される前記レーザ光のうち前記遮光膜の開口部を通過するレーザ光を前記被測定試料に照射させることを特徴とする。
【００１４】
上記の半導体評価装置では、薄型平板状の被測定試料に発生するキャリアを被測定試料の横方向に移動させることにより電流を生成し、その電流の持続時間から被測定試料のキャリア移動度を評価する。このため、被測定試料の厚さの調整は不要であり、薄型の被測定試料を用いた場合でも、キャリア移動度を高精度に評価することができる。
【００１５】
そして、透過性基板を着脱が可能な２層の積層とし、第１の透過性基板に被測定試料を設置し、第２の透過性基板にレーザ光の照射部位を限定させるための遮光膜を形成し、固定部材により２つの透過性基板が接触するように固定する。この第１及び第２の透過性基板が固定部材により固定可能とすることで、被測定試料の交換の際は、第１の透過性基板だけを交換し、一方、遮光膜が損傷したときには第２の透過性基板だけを交換すればよい。このため、部品消耗を抑えることができる半導体評価装置を実現することができる。
【００１６】
また、固定部材により第１の透過性基板と第２の透過性基板とを固定可能とすることにより、被測定試料のレーザ光の照射部位と遮光膜の開口部との位置調整が、第１の透過性基板に被測定試料を取り付けた後であっても調整することができるため、被測定試料設置部の構成が容易になる。
【００１７】
さらに、第２の透過性基板の第３面に遮光膜を形成し、その形成後に第１の透過性基板を接着することになる。このため、レーザ光が照射されたときのスパッタ効果による遮光膜の散乱が機械的に押し付けられることになり、その結果、遮光膜の損傷が抑制されることになる。
【００１８】
前記第１の透過性基板の厚さと前記第２の透過性基板の厚さとの合計値は、１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
通常、透過性基板の耐久性の観点から、被測定試料の厚さに合わせて透過性基板の厚さも厚くなるが、上記の半導体評価装置では、被測定試料の薄型化に合わせて、透過性基板の厚さも薄くすることが可能となる。本発明者らは、透過性基板の厚さについて鋭意検討を行った結果、透過性基板の厚さを１ｍｍ以下とすれば、レーザ光を透過させても、被測定試料に入射されるレーザ光の強度により、被測定試料内におけるキャリアの発生が十分に行われることがわかった。
【００２０】
すなわち、上記の半導体評価装置では、第１の透過性基板の厚さと第２の透過性基板の厚さとの合計値を１ｍｍ以下とすることにより、透過性基板を透過して被測定試料に達するレーザ光の強度の低下が抑制されるので、被測定試料内のキャリアの発生が十分に行われ、キャリア移動に伴う電流の検出精度を向上させることができる。
【００２１】
したがって、ペンタセンやルブレン等の高移動度有機半導体材料において均一で膜厚の大きい試料を用意することが困難な場合でも、そのキャリア移動度を高精度に評価することが可能となる。
【００２２】
前記遮光膜は、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル及び銅のいずれか１つを含む金属膜であることが好ましい。
【００２３】
この場合、被測定試料は透過性基板に遮光膜を形成した積層構造上に配置されるので、被測定試料の耐久性を向上させることができる。また、遮光膜をアルミニウム、チタン、鉄、ニッケル及び銅のいずれか１つを含む金属膜から構成することにより、被測定試料の耐久性をより向上させることができる。
【００２４】
前記被測定試料設置部はさらに、前記被測定試料上に形成された２つの対向する電極を有し、前記被測定試料に照射されるレーザ光を出射する光照射手段と、前記光照射手段によるレーザ光の照射に同期して、前記２つの対向する電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記被測定試料の電極の一方に直列接続された負荷抵抗部の両端間の電圧を検出する信号検出手段と、をさらに備えるが好ましい。
【００２５】
この場合、被測定試料にレーザ光が照射される時期に同期して、被測定試料に設けられた２つの対向する電極間に電圧が印加されるので、被測定試料内のキャリア移動に合わせて、信号検出手段が被測定試料の電極の一方に直列接続された負荷抵抗部の両端間の電圧を検出することができる。このため、信号検出手段の電圧検出の精度を高めることができる。
【００２６】
前記負荷抵抗部の抵抗値は、５０〜１０００Ωであることが好ましく、前記信号検出手段は、５００ｐＦ以下の入力容量を持ち、前記負荷抵抗部の両端間の電圧を増幅する前置増幅器を有することが好ましい。
【００２７】
この場合、有機半導体材料のように極めて絶縁性の高い被測定試料の場合でも、キャリア移動により発生する電流による電圧変位を精度良く検出することができる。
【００２８】
前記前置増幅器は、自身に固有の直流電圧成分及び利得を持ち、入力電圧から直流電圧成分を減算し、当該減算結果に利得を乗算した電圧を出力することが好ましい。
【００２９】
この場合、前置増幅器の直流電圧成分及び利得を用いて入力電圧が増幅されるので、前置増幅器により増幅を効率的に行うことができる。
【００３０】
前記前置増幅器は、前記被測定試料から２５ｃｍ以内の距離に位置することが好ましい。
【００３１】
この場合、被測定試料と前置増幅器とを結ぶ電線から発生する電磁波に起因するノイズの影響を前置増幅器が受けてしまうことを抑制することができる。このノイズは、１０〜１００ＭＨｚ程度の電磁波であり、波長は最大１ｍ程度となる。通常、電線の長さがその波長の１／４以下、すなわち、２５ｃｍ以下であれば、電線がアンテナとして機能することがなくなる。
【００３２】
前記被測定試料及び前記負荷抵抗部を収納する収納容器をさらに備えることが好ましい。
【００３３】
前記収納容器はさらに、前記前置増幅器を収納することが好ましい。
【００３４】
前記収納容器は、自身の内部を真空状態とする排気装置、及び、自身の内部を窒素雰囲気または不活性ガス雰囲気とするガス導入装置のうちのいずれかを有することが好ましい。
【００３５】
大気中でこの評価を行うと、大気中の湿度の影響で、被測定試料の周りで放電が起き易くなり、放電が起きると被測定試料の消耗や測定データにノイズが混入するという好ましくない問題が生じる。また、不活性ガスを用いる効果は、有機半導体試料との化学反応を抑えて、試料の劣化をおさえるのに効果がある。
【００３６】
前記光照射手段から前記被測定試料までのレーザ光の光路上に配置され、前記レーザ光の進行を遮断可能な光遮断部と、前記信号検出手段の検出結果を処理することにより、前記被測定試料のキャリア移動度を評価する信号処理手段とをさらに備え、前記信号処理手段は、前記光遮断部による前記レーザ光の透過時における前記信号検出手段の検出結果を複数回積算して透過時平均値を算出し、前記光遮断部による前記レーザ光の遮断時における前記信号検出手段の検出結果を複数回積算して遮断時平均値を算出し、前記透過時平均値と前記遮断時平均値との差分値から、前記被測定試料のキャリア移動度を評価することが好ましい。
【００３７】
この場合、信号検出手段のＳ／Ｎ比が向上し、且つ、信号処理手段が積算平均で信号を処理することにより、装置自体の振動の影響を受けにくくなり、除振装置を必要とせず、装置が小型化できる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の半導体評価装置は、以上のように、前記レーザ光が前記被測定試料に照射されるように前記被測定試料を設置する被測定試料設置部を備え、前記被測定試料設置部は、第１面及び当該第１面の反対側に形成された第２面を持つ第１の透過性基板と、前記第１の透過性基板の第２面に接触する第３面及び当該第３面の反対側に形成された第４面を持つ第２の透過性基板と、前記第１の透過性基板の第２面と前記第２の透過性基板の第３面とが接触するように前記第１の透過性基板及び前記第２の透過性基板を固定可能な固定部材と、を有し、前記第２の透過性基板の第３面には、前記レーザ光を通過させる開口部を持つ遮光膜が形成されており、前記第１の透過性基板の第１面上に前記被測定試料を配置し、前記第２の透過性基板の第４面から入射される前記レーザ光のうち前記遮光膜の開口部を通過するレーザ光を前記被測定試料に照射させる。
【００３９】
それゆえ、非常に簡便に消耗コストを抑えると共に、半導体材料のキャリア移動度を高精度に評価することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一部分には同一符号を付し、図面で同一の符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。
【００４１】
図１に、本発明の実施の形態にかかる半導体評価装置の概略構成図を示す。図１に示すように、本実施の形態にかかる半導体評価装置１００は、被測定試料１０を設置する被測定試料設置部３０と、被測定試料１０に照射されるパルス光を出射する光照射手段１１と、被測定試料１０に直流電圧を印加する電圧印加手段１２と、被測定試料１０を流れる電流信号を検出する信号検出手段１３と、信号検出手段１３の検出結果を処理する信号処理手段２２と、半導体評価装置１００内の各部を制御する制御手段２１と、を備えている。
【００４２】
また、図２に、被測定試料設置部３０の概略断面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）の被測定試料１０の周囲を説明するための図である。図２に示す被測定試料設置部３０においては、透過性ガラス基板（第１の透過性基板）３１ａの表面（第１面）上に被測定試料１０が配置されている。また、透過性ガラス基板３１ｂ（第２の透過性基板）の表面（第３面）上に金属膜（遮光膜）３３が蒸着されている。
【００４３】
そして、図２（ｂ）に示すように、透過性ガラス基板３１ａの裏面（第２面）と透過性ガラス基板３１ｂの表面とが接触するように、透過性ガラス基板３１ａと透過性ガラス基板３１ｂとは固定部材３９により固定されている。固定部材３９は、透過性ガラス基板３１ａ及び透過性ガラス基板３１ｂから着脱可能である。固定部材３９としては、例えば、金属クランプを用いればよい。
【００４４】
したがって、固定部材３９を透過性ガラス基板３１ａ及び透過性ガラス基板３１ｂから外すことにより、透過性ガラス基板３１ａと透過性ガラス基板３１ｂとは互いに分離する。すなわち、透過性ガラス基板３１ａ上への被測定試料１０の配置工程と透過性ガラス基板３１ｂ上への金属膜３３の蒸着工程とは、互いに独立して実行可能である。
【００４５】
金属膜３３の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、銅等が挙げられる。要は、透過性ガラス基板３１ｂの裏面（第４面）から入射されるレーザ光１７が遮光される材質であればよい。
【００４６】
金属膜３３の一部には、開口部３４が設けられている。開口部３４の形状としては、例えば、スリット、微細穴等が挙げられる。金属膜３３に向かって入射されたレーザ光１７のうち、開口部３４を通過するレーザ光のみが透過性ガラス基板３１ａを通して被測定試料１０に照射される。
【００４７】
被測定試料１０は、薄型平板状の形状を有しており、透過性ガラス基板３１ａの表面と直接接触するように配置されている。被測定試料１０は、自身のキャリアの移動度が評価されるべき測定試料である。被測定試料１０としては、例えば、ペンタセン、ルブレン等の厚膜化が困難な有機半導体材料である。もちろん、被測定試料１０として、従来のＴＯＦ法を用いて評価可能であるシリコン、ゲルマニウム等の無機半導体材料を用いてもよい。
【００４８】
被測定試料１０の両端の各々には電極３２が形成されており、これら電極３２を用いて被測定試料１０の両端間に電圧が印加される。より具体的には、これら電極３２のうち、一方の電極３２は端子Ａに直接接続され、他方の電極３２は所定の抵抗値を持つ負荷抵抗部３５を介して端子Ｂに接続されている。端子Ａ及び端子Ｂは電圧印加手段１２と接続されており、電圧印加手段１２から電圧が入力される。なお、この２つの電極３２間の距離は被測定試料１０に発生するキャリアの飛行距離Ｌに相当する。
【００４９】
被測定試料設置部３０は端子Ａ及び端子Ｂに加えて、負荷抵抗部３５の両端の各々と接続する端子Ｃ及び端子Ｄを有している。端子Ｃ及び端子Ｄは信号検出手段１３と接続されており、負荷抵抗部３５の両端間の電圧を信号検出手段１３に出力する。
【００５０】
被測定試料設置部３０はさらに、被測定試料１０、負荷抵抗部３５等を収納する収納容器３６を有している。収納容器３６は、その内部を真空状態に保持できるように構成されており、例えば、被測定試料１０の設置後に、収納容器３６に設けられている真空ポンプ等の排気装置３８によりその内部が排気される。
【００５１】
また、収納容器３６は、その内部を真空状態に維持することに代えて、窒素や、アルゴン等の不活性ガスの雰囲気にできるように構成されていてもよい。この場合であれば、排気装置３８に代えて、収納容器３６の内部に窒素、あるいは、アルゴン等の不活性ガスを充填することができるガス導入装置を設ければよい。
【００５２】
また、収納容器３６の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、銅等の金属で構成される。
【００５３】
また、収納容器３６は、光照射手段１１から出射されるレーザ光１７を内部に導入するために、レーザ光１７が透過可能な窓３７を有している。
【００５４】
光照射手段１１は、図１に示すように、可視光または紫外光であるレーザ光１７を出射可能なレーザ光源を有している。そのレーザ光源は、レーザ光１７をパルス状に出射可能である。レーザ光１７の波長としては、被測定試料１０が吸収しやすい波長を選択するのが好ましい。ここでは、光照射手段１１は、３３７ｎｍの波長を持つ窒素パルスレーザ光源を有するものとして説明する。
【００５５】
光照射手段１１から出射されたレーザ光１７は、第１の放物面鏡１５及び第２の放物面鏡１６の各々により反射された後、被測定試料設置部３０に設置された被測定試料１０に向かって直進し、被測定試料１０に照射される。このレーザ光１７の照射により、被測定試料１０の照射位置には、キャリア（電子、ホール）が発生する。
【００５６】
光照射手段１１から被測定試料１０までのレーザ光１７の光路上には、レーザ光１７の進行を遮断可能な光遮断部１４が配置されている。光遮断部１４を動作させることにより、光照射手段１１のレーザ光出射動作を停止することなく、被測定試料１０へのレーザ光１７の照射を中断することができる。また、光遮断部１４は、光を検出する光検出部を有しており、光検出部の検出結果に基づき、レーザ光１７が自身を通過しているか否かを検出する。
【００５７】
電圧印加手段１２は、被測定試料設置部３０の端子Ａ及び端子Ｂに接続され、端子Ａ及び端子Ｂを介して、被測定試料１０の両端の電極３２間に直流電圧を印加することができる電圧源を有している。電圧源は、好ましくは５ｋＶ以下、より好ましくは２．５ｋＶ以下の電圧を印加する。この電圧印加により、被測定試料１０の２つの電極３２に間に電界が生じる。この電界の方向に従って被測定試料１０に発生したキャリアが移動する。
【００５８】
信号検出手段１３は、被測定試料設置部３０の端子Ｃ及び端子Ｄに接続され、端子Ｃ及び端子Ｄを介して、負荷抵抗部３５の両端間の電圧を検出することができるデジタルオシロスコープを有している。上述したように、レーザ光１７の照射により被測定試料１０に発生したキャリアは、電圧印加手段１２による電圧印加により生じた電界の方向に従って移動する。この移動が持続する期間においては、キャリアの移動に起因して、負荷抵抗部３５の両端間の電圧が変位する。デジタルオシロスコープは、この負荷抵抗部３５の両端間の電圧変位を検出する。
【００５９】
また、信号検出手段１３はさらに、負荷抵抗部３５の両端間の電圧が入力されると、その入力電圧を増幅して出力するプリアンプ（前置増幅器）を有するようにしてもよい。より具体的には、被測定試料設置部３０の端子Ｃ及び端子Ｄと、デジタルオシロスコープとの間にプリアンプが接続されるようにすればよい。この場合、負荷抵抗部３５の両端間の電圧をプリアンプにより増幅し、その増幅された電圧がデジタルオシロスコープに入力される。このため、デジタルオシロスコープは負荷抵抗部３５の両端間の電圧を増幅して検出することができるので、より細かい電圧精度で負荷抵抗部３５の両端間の電圧を検出することができる。
【００６０】
また、プリアンプは、自身に固有の直流電圧成分（ＤＣオフセット成分）と利得（ゲイン）を持っており、入力電圧から直流電圧成分（ＤＣオフセット成分）を減算し、その減算された入力電圧に利得（ゲイン）を乗算した結果を出力する。このため、プリアンプのダイナミックレンジが増大する。デジタルオシロスコープは、この出力電圧を検出することにより、負荷抵抗部３５の両端間の電圧を、より細かい電圧精度で検出することができる。
【００６１】
信号処理手段２２は、信号検出手段１３から出力される検出結果を取得する。より具体的には、信号処理手段２２は、この検出結果を処理することにより、被測定試料１０に発生したキャリアが被測定試料１０の２つの電極３２間を飛行するキャリア移動時間Ｔｆを算出する。そして、その算出結果により、被測定試料１０に発生したキャリアの移動度を評価する。
【００６２】
制御手段２１は、被測定試料１０に発生するキャリアの移動度を評価する際における上記の各部間の動作タイミングの制御、及び、上記の各部から出力され、各部に入力される信号の記録、処理等を実行する。より具体低的には、制御手段２１は、光照射手段１１、電圧印加手段１２、信号検出手段１３の各々を制御する。
【００６３】
制御手段２１及び信号処理手段２２は、例えば、コンピュータ２０で実現可能である。コンピュータ２０は、入力手段２３及び出力手段２４を有している。出力手段２４は、信号処理手段の出力結果を表示する。出力手段２４は、液晶表示パネル等の表示装置を有し、出力結果を利用者が視認できるように表示する。入力手段２３は、テンキー、キーボード等を備え、例えば、出力手段２４の表示形式等が入力される。
【００６４】
次に、本発明の実施の形態にかかる半導体評価装置について、具体例を用いて説明する。
【００６５】
光照射手段１１のレーザ光源として、ＵＳＨＯ製の窒素パルスレーザ光源（波長：３３７ｎｍ）を用いる。光照射手段１１は、制御手段２１からの光照射開始を示す信号が入力されると、レーザ光源を駆動し、レーザ光源からレーザ光１７を出射させる。
【００６６】
レーザ光源から出射されたレーザ光１７は、第１の放物面鏡１５及び第２の放物面鏡１６を経由し、被測定試料設置部３０に設置された被測定試料１０に照射される。レーザ光源から出射されたレーザ光は、光路の途中に設置される光遮断部１４内のフォトディテクター（光検出部）により検出される。光遮断部１４は、その検出結果を制御手段２１に出力する。
【００６７】
制御手段２１は、その検出結果が入力されると、被測定試料１０への電圧印加開始を示す信号を電圧印加手段１２に出力する。電圧印加手段１２は、その信号が入力されると、電圧源を駆動し、被測定試料１０に電圧を印加する。
【００６８】
被測定試料１０としては、薄型平板状の薄膜有機半導体単結晶を用いる。その材料としては、ルブレンを用いる。被測定試料１０の面内方向に直流電界を印加するため、被測定試料１０の両端（両端間の距離は２ｍｍ）に電極３２を形成する。電極３２の材質は銀である。
【００６９】
透過性ガラス基板３１ｂの表面には、開口部３４を形成した金属膜３３が接着されている。開口部３４はスリットであり、メタルマスク越しにアルミニウムを蒸着した金属膜３３に形成される。開口部（スリット）３４の幅は、１５０μｍである。レーザ光１７は、開口部（スリット）３４を通過し、被測定試料１０に照射される。
【００７０】
被測定試料１０にレーザ光１７が照射されると、被測定試料１０の照射位置にキャリアが発生する。このキャリアが被測定試料１０の両端の電極３２間における電界方向に従って移動する。このキャリア移動に起因して発生した電流は負荷抵抗部３５を流れ、結果として、負荷抵抗部３５の両端間の電圧が変位する。
【００７１】
信号検出手段１３は、プリアンプを用いて、この電圧変位を増幅し、デジタルオシロスコープで観察記録する。高移動度有機材料の測定をするためには、プリアンプの伝送帯域を十分に確保することが重要である。プリアンプとしては、カットオフ周波数１００ＭＨｚで、４０ｄＢの増幅度を持つものが好ましい。
【００７２】
図３に、被測定試料１０の評価結果を示す。この結果は、有機半導体の単結晶材料であるルブレンのＴＯＦ波形である。被測定試料１０の電極３２間の距離、つまり、キャリア（電子、ホール）の飛行距離は、１．８５ｍｍである。図３の右側にはキンクが現れているが、発生したホールの飛行時間に対応していると考えられる。この評価結果から求めたホールの移動度は１３ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃである。複数回、同様の評価を行った結果、ホール移動度は１０〜２０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃの範囲で記録されている。
【００７３】
このように、本実施の形態の半導体評価装置は、薄膜あるいは板状の被測定試料１０の２箇所の異なる部位に電極３２を接触させ、その２箇所の電極３２に直流電圧を印加して、電極３２間に電界を発生させる。
【００７４】
そして、一方の電極３２の近傍において、被測定試料１０の表面に可視光あるいは紫外光のレーザ光１７を開口部（スリットあるいは微細孔）３４のある金属膜３３を通して照射し、レーザ光１７の照射により発生するキャリアの移動に伴って、電極３２間に流れる電流の持続時間から、被測定試料１０のキャリア移動度を評価する装置である。
【００７５】
本実施の形態の半導体評価装置１００においては、被測定試料１０を透過性ガラス基板３１ａ上に、遮光膜となる金属膜３３を透過性ガラス基板３１ｂ上に、それぞれ固定する。その透過性ガラス基板３１ａ、３１ｂの厚さの合計値は、１ｍｍ以下、好ましくは２００μｍ以下であることが好ましい。これは、本実施の形態では、被測定試料１０を横向きにし、電極３２を形成しているので、被測定試料１０の厚さが薄くても、キャリアの走行距離を自由に設定できるからである。結果として、透過性ガラス基板３１ａ、３１ｂの厚さが薄くても被測定試料１０の耐久性を維持できる。このため、透過性ガラス基板３１ａに被測定試料１０を貼り付けて、透過性ガラス基板３１ｂに金属膜３３を形成し、それら透過性ガラス基板３１ａ、３１ｂを接触させることで、容易にレーザ光１７を電極３２近傍に照射させることができ、半導体評価装置１００の簡便性が向上する。本発明者らの実験によれば、透過性ガラス基板３１ａ、３１ｂは厚くなるとレーザ光１７の強度が低下し、検出感度が悪くなる。本発明者らの実験結果により、透過性ガラス基板３１ａ、３１ｂの厚さの合計値は、２００μｍ以下の厚さが好ましい。
【００７６】
また、本実施の形態の半導体評価装置１００では、透過性ガラス基板３１ａ、金属膜３３、透過性ガラス基板３１ｂの３層積層構造である。このため、レーザ光照射による金属膜３３の破損を効果的に防ぐことができる。
【００７７】
さらに、本実施の形態の半導体評価装置１００では、負荷抵抗部３５の抵抗値は、５０〜１ｋΩ、好ましくは５０〜３００Ωであることが好ましい。また、負荷抵抗部３５に発生する電圧を検出するプリアンプの入力容量は、５００ｐＦ以下であることが好ましい。これは、被測定試料１０はきわめて絶縁性が高い、すなわち、内部インピーダンスが高く、このため、低い入力抵抗で、且つ、付帯容量をできる限り抑えた形で電圧を検出しなければ、キャリア移動により発生する電流による電圧変位をはっきり検出することができないからである。
【００７８】
また、本実施の形態の半導体評価装置１００では、信号検出手段１３のプリアンプを絶縁性固体物質で封止し、それを金属で遮蔽し、被測定試料１０から距離２５ｃｍ以内に近接させることが好ましく、距離１０ｃｍ以内に近接させることがより好ましい。この場合、プリアンプのＳ／Ｎ比の改善に効果がある。なぜなら、被測定試料１０とプリアンプとを結ぶ電線が長ければ長いほど、被測定試料１０とプリアンプ間の信号を伝搬する電線から発生する電磁波に起因するノイズの影響をプリアンプが受けやすくなってしまうからである。このノイズは、１０〜１００ＭＨｚ程度の電磁波であり、波長は最大１ｍ程度となる。通常、電線の長さがその波長の１／４以下、すなわち、２５ｃｍ以下であれば、電線がアンテナとして機能することがなくなる。さらに、安全係数を２倍とし、１０ｃｍ以下であれば、より効果的となる。
【００７９】
さらに、本実施の形態の半導体評価装置１００では、レーザ光１７が被測定試料１０に照射されるまでの経路に、光遮断部１４を設けている。レーザ光１７の透過時に信号検出手段１３の検出結果を複数回積算して平均値を算出し、レーザ光１７の遮断時に信号検出手段１３の検出結果を複数回積算して平均値を算出し、前者平均値と後者平均値の差分値から、被測定試料１０のキャリア移動度を評価してもよい。この場合、信号検出手段１３のプリアンプのＳ／Ｎ比が向上し、且つ、信号処理手段２２が積算平均で信号を処理することで機械振動の影響を受けにくくなり、除振装置を必要とせず、装置が小型化できる。
【００８０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８１】
また、本発明は、以下のようにも表現することができる。すなわち、本発明にかかる半導体評価装置は、薄膜あるいは板状の被測定試料の２箇所の異なる部位に電極を接触させ、その２箇所の電極に直流の電圧をかけて電極間に電界を発生させ、一方の電極近傍の該試料表面に可視光あるいは紫外光のパルスをスリットあるいは微細孔のある遮光膜をとおして照射し、パルス照射終了後に２箇所の電極に流れる光電流の持続時間から被測定試料のキャリア移動度を評価する装置において、被測定試料を絶縁性透明基板の片面に固定し、遮光膜を該絶縁性透明基板の試料のついた面と反対の面に固定し、該絶縁性透明基板の厚さは１ｍｍ以下、望ましくは２００μｍ以下とする。
【００８２】
遮光板はガラスと金属膜の２層の積層構造、好ましくはガラスと金属膜とガラスの３層積層構造であり、金属膜の材質はアルミニウム、チタン、鉄、ニッケル、銅のいずれか１種類を含有していることが好ましい。
【００８３】
電極と電圧源の間に５０から１ｋΩの抵抗器、好ましくは５０から３００Ωの抵抗器を直列に接続し、該抵抗器に発生する電圧を入力容量として５００ｐＦ以下の前置増幅器に入力し、その出力信号を記録し、その記録から被測定試料のキャリア移動度を算出することが好ましい。
【００８４】
入力信号から一定値の直流電圧を差し引く機能をもつ前置増幅器を具備したことが好ましい。
【００８５】
前置増幅器を絶縁性固体物質で封止し、それを金属で遮蔽し、被測定試料に距離１０ｃｍ以内に近接させることが好ましい。
【００８６】
抵抗器と被測定試料を同一の金属容器に収めたことが好ましい。
【００８７】
抵抗器と被測定試料と前置増幅器に収めたことが好ましい。
【００８８】
被測定試料の周りを、真空、窒素、或は不活性ガス雰囲気にするために、被測定試料を収める金属製真空容器と、ガス導入装置或は真空排気装置を具備したことが好ましい。
【００８９】
可視光あるいは紫外光の試料に照射されるまでの経路に、光遮断器を設け、光の透過時に光電流信号を複数回積算し平均値を算出し、光の遮断時に光電流信号を複数回積算し平均値を算出し、前者平均値と後者平均値の差分値を元に被測定試料のキャリア移動度を評価することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、半導体のキャリア移動度、キャリア寿命等の特性を評価する半導体評価装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体評価装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、図１の被測定試料設置部の概略構成を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）の被測定試料の周囲を説明するための図である。
【図３】図１の半導体評価装置の評価結果例を示すグラフである。
【図４】従来のＴＯＦ法を説明するための図である。
【図５】従来の他のＴＯＦ法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０    被測定試料
１１    光照射手段
１２    電圧印加手段
１３    信号検出手段
１４    光遮断部
１５、１６    放物面鏡
１７    レーザ光
１８、３６    収納容器
２０    コンピュータ
２１    制御手段
２２    信号処理手段
２３    入力手段
２４    出力手段
３０    被測定試料設置部
３１ａ、３１ｂ    透過性ガラス基板（第１の透過性基板、第２の透過性基板）
３２    電極
３３    金属膜（遮光膜）
３４    開口部
３５    負荷抵抗部
３７    窓
３８    排気装置
３９    固定部材
【図１】
2010016051.tif 000003
【図２】
2010016051.tif 000004
【図３】
2010016051.tif 000005
【図４】
2010016051.tif 000006
【図５】
2010016051.tif 000007