(57)【要約】【課題】電極間の距離を任意に可変として、非常に薄い薄膜の移動度および高い移動度の測定を可能にする。【解決手段】一方の電極４２の近傍に光を照射して、測定対象薄膜３６に励起子を発生させ、電荷分離した後、片方の電荷のみを薄膜の平面方向に漂流させて他方の電極４４に到達させ、その時に誘起される過渡電流を測定して、電荷の平均速度から移動度を求める。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜に形成した複数の電極間の電荷移動度を測定するに際して、
一方の電極の近傍に光を照射して薄膜に励起子を発生させ、
電荷分離した後、片方の電荷のみを薄膜の平面方向に漂流させて他方の電極に到達させ、
その時に誘起される過渡電流を測定して、電荷の平均速度から移動度を求めることを特徴とする薄膜の電荷移動測定方法。
【請求項２】
薄膜に形成した複数の電極間の電荷移動度を測定するための薄膜の電荷移動測定装置において、
一方の電極の近傍に光を照射して薄膜に励起子を発生させるための光照射手段と、
電荷分離した後、片方の電荷のみを薄膜の平面方向に漂流させて他方の電極に到達させるための電界印加手段と、
その時に誘起される過渡電流を測定して、電荷の平均速度から移動度を求めるための電流測定手段と、
を備えたことを特徴とする薄膜の電荷移動測定装置。
【請求項３】
前記光照射手段が、共焦点型顕微鏡システムを利用したものであることを特徴とする請求項２に記載の薄膜の電荷移動測定装置。
【請求項４】
前記光照射手段が、ファイバプローブを利用したものであることを特徴とする請求項２に記載の薄膜の電荷移動測定装置。
【請求項５】
無機半導体ウェハ上に酸化膜を形成した後、電極をパターン蒸着し、その上に測定対象薄膜を蒸着することを特徴とする請求項１に記載の電荷移動測定用試料の作製方法。
【請求項６】
無機半導体ウェハ上に酸化膜を形成した後、測定対象薄膜を蒸着し、その上に電極をパターン蒸着することを特徴とする請求項１に記載の電荷移動測定用試料の作製方法。
【請求項７】
絶縁体基板上に、直接、測定対象薄膜を蒸着し、その上に電極をパターン蒸着することを特徴とする請求項１に記載の電荷移動測定用試料の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜に形成した複数の電極間の電荷移動度を測定するための薄膜の電荷移動測定方法及び装置に係り、特に、移動度が高い有機半導体薄膜の電荷移動度を測定する際に用いるのに好適な、薄膜の電荷移動測定方法、装置及び電荷移動測定用試料の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機材料は、大面積の発光素子（ＯＬＥＤ）、低コストの透明太陽電池、柔軟性の高い薄膜トランジスタ等、無機半導体では実現できない新しい概念の電子材料として注目されている。これらの電子デバイスの変換効率や応答速度は、電荷等のキャリアの移動度によって決まり、その移動度は、材料の分子構造や凝集構造に大きく依存する。そこで、従来は、非特許文献１や２に示されるように、時間走行（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）法と呼ばれる方法を用いて、キャリア移動度を測定している。
【０００３】
即ち、従来のＴＯＦ法では、図１に示すように、測定したい半導体薄膜試料１０の両面に電極１２、１４を接触させ、少なくとも一方の電極１２を透明電極とし、そちらの方から該透明電極１２を通して、試料１０の半導体薄膜が吸収する波長の光を入射させる。そして、両電極１２、１４間に、試料の破壊を引起こさない程度に、例えばパルス電源２０より電圧を印加して、薄膜内に１０５Ｖ／ｃｍ程度の電界をかけ、光吸収した試料中に発生する励起子を電荷分離して、電界の方向により正あるいは負の電荷のみを光入射と反対側にある対向電極１４まで漂流させ、その時間ｔを、例えば抵抗２２と波形メモリ２４を用いて計測する。
【０００４】
この漂流時間ｔと試料の膜厚Ｄから、電荷移動解析用のパーソナルコンピュータ（パソコンと称する）２６により、漂流する電荷の平均速度ｖが次式
ｖ＝Ｄ／ｔ            …（１）
で算出され、移動度μの定義式
μ＝ｖ／Ｅ            …（２）
の関係から移動度μが算出される。ここで、Ｅは印加電界である。
【０００５】
従って、この方法では、光吸収により電荷分離が生じる領域（光吸収層と称する）Ａが、光入射する透明電極１２の直下で、膜厚Ｄに対して十分に薄いシート状の層であることが重要な条件となる。
【０００６】
例えば１μｍ程度の膜厚の試料の場合は、薄いシート状の光吸収層Ａを作るために、試料の光吸収係数として１０５〜１０６ｃｍ−１が要求され、光吸収が効率的に生じる有機物を選べば、この値は可能な範囲である。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｗ．Ｄ．Ｇｉｌｌ  「Ｄｒｉｆｔ  ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ  ｉｎ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｃｈａｒｇｅ−ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ  ｏｆ  ｔｒｉｎｉｔｒｏｆｌｕｏｒｅｎｏｎｅ  ａｎｄ  ｐｏｌｙ−ｎ−ｖｉｎｙｌ−ｃａｒｂａｚｏｌｅ」  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ４３巻、１２号（１９７２年１２月発行）、５０３３−５０４０頁
【非特許文献２】
金藤敬一「導電性高分子のキャリア移動度」電子情報通信学会論文誌ＣＪ８４−Ｃ巻、１１号（２００１年１１月発行）、１０５０−１０６０頁
【特許文献１】
特開平６−１８６２８０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常、有機ＥＬデバイスで用いられている薄膜の膜厚は０．１μｍ以下であり、この程度の薄膜を測定するためには、１０７ｃｍ−１以上の光吸収係数が要求されることになるが、実際に、このような吸収係数を実現させることは非常に困難である。
【０００９】
又、現状の有機ＥＬ材料を中心に有機半導体としての応用が期待されている材料の移動度は１０−５ｃｍ２／Ｖｓ〜１０−３ｃｍ２／Ｖｓ程度であり、現状装置の測定限界は、時間分解能等の制限により１０−３ｃｍ２／Ｖｓまでである。今後、有機半導体の性能向上が図られる中で、更に高い移動度を持つ実用材料が開発される事が見込まれ、従来の装置を用いて、その様な高い移動度の測定を可能にするためには、膜厚Ｌを数十μｍ以上にする必要があるが、現状の成膜技術では、このような厚膜の高品質機能膜を作製することは非常に困難であるし、実用上時間がかかり過ぎる問題がある。例えば、現状で有機半導体としてトランジスタへの応用が考えられているペンタセンの移動度は１．７ｃｍ２／Ｖｓと非常に高く、更に、半導体デバイスの評価の観点からは、薄膜の厚さ方向でなく、面方向への電荷移動の測定が要求されている。
【００１０】
なお、特許文献１には、測定対象物と電圧発生手段間に信号選別手段を設け、更に、測定対象物と信号処理手段間に雑音除去手段を設けることが記載されているが、測定の具体的な構成に関しては全く記載されていなかった。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、電極間の距離を任意に可変として、高い移動度の測定を可能にすることを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、薄膜に形成した複数の電極間の電荷移動度を測定するに際して、一方の電極の近傍に光を照射して薄膜に励起子を発生させ、電荷分離した後、片方の電荷のみを薄膜の平面方向に漂流させて他方の電極に到達させ、その時に誘起される過渡電流を測定して、電荷の平均速度から移動度を求めるようにして、前記課題を解決したものである。
【００１３】
又、薄膜に形成した複数の電極間の電荷移動度を測定するための薄膜の電荷移動測定装置において、一方の電極の近傍に光を照射して薄膜に励起子を発生させるための光照射手段と、電荷分離した後、片方の電荷のみを薄膜の平面方向に漂流させて他方の電極に到達させるための電界印加手段と、その時に誘起される過渡電流を測定して、電荷の平均速度から移動度を求めるための電流測定手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
又、前記光照射手段が、共焦点型顕微鏡システム、あるいは、ファイバプローブを利用するようにしたものである。
【００１５】
本発明は、又、電荷移動測定用試料を、無機半導体ウェハ上に酸化膜を形成した後、電極をパターン蒸着し、その上に測定対象薄膜を蒸着することにより作製するようにしたものである。
【００１６】
あるいは、電荷移動測定用試料を、無機半導体ウェハ上に酸化膜を形成した後、測定対象薄膜を蒸着し、その上に電極をパターン蒸着することにより作製するようにしたものである。
【００１７】
又、電荷移動測定用試料を、絶縁体基板上に、直接、測定対象薄膜を蒸着し、その上に電極をパターン蒸着することにより作製するようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明の第１実施形態では、図２（Ａ）（断面図）及び（Ｂ）（平面図）に示す如く、測定用試料３０を、例えば数百μｍ厚の無機半導体（例えばシリコンＳｉ）ウェハ３２上に、厚さ１０ｎｍ以下の薄い絶縁体酸化膜（例えばＳｉＯ２膜）３４を形成した後、測定距離Ｌとして１００〜２０μｍ程度で幅１ｍｍ位の金又はアルミニウム製の電極４２、４４をパターン蒸着し、その上に、厚さ１００μｍ程度の透明に近い測定対象薄膜３６を形成してＦＥＴトランジスタ構造とする。
【００２０】
そして、図３に示す如く、微小な光吸収領域Ｂにのみ照射できる、スリット５６を含むマスク投影光学系を、窒素Ｎ２又は色素レーザ５２、光ファイバ５４及びレーザ光集光部５５を含むレーザ照射系５０に挿入し、パルス電源２０により薄膜３６の面方向に対向した電極４２、４４間に電圧を印加させ、従来のＴＯＦ法と同様の電界を発生させる。
【００２１】
図において、５７はレンズ、６０は、試料３０の位置を調整、移動するためのＸＹ−θ試料ステージ、６２は、パルス電源２０及びレーザ５２にトリガを与えるトリガ発生器、６４は電圧計、６６は波形観測用のオシロスコープである。
【００２２】
この際、光照射は、図２に示した如く、片方の電極４２の近傍に照射するようにして、励起子発生、電荷分離した後、正又は負の一方の電荷のみを、図４に示す如く、電界に沿って薄膜３６の平面方向に対向電極４４迄漂流させて、その時に誘起される過渡電流をオシロスコープ６６及びパソコン２６により測定し、電荷の平均速度から移動度を測定する。
【００２３】
前記レーザ５２としては、波長３３７ｎｍの窒素又は色素レーザ以外に、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶ０４等の短パルス固体レーザや、Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅに代表されるフェムト秒レーザ等の利用が考えられる。又、波長可変性を付与するために、非線形光学素子を用いた、ＯＰＯ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）、ＯＰＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ａｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ）、ＯＰＧ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）等の光パラメトリック法や、高次高調波発生法を利用したり、ラマン散乱光の利用や波長範囲の広いレーザ結晶を用いた周波数変更可能なレーザ光の発生法を採用することができる。
【００２４】
前記試料ステージ６０の制御系は、図５に示す如く、オシロスコープ６６やパソコン２６を含む計測器７０と、該計測器７０の出力に応じて試料ステージ６０を制御する制御回路７２を含んで構成されている。
【００２５】
該試料ステージ６０の制御に際しては、図６（フローチャート）及び図７（調整状況を示す平面図）に示す如く、まずステップ１００で、図７（Ａ）に示す如く、試料ステージ６０を、例えば右方へ直線的に動かすことにより、スリット５６を片側（図の左側）に寄せてスタート位置とする。次いで、ステップ１０２で、図７（Ｂ）に示す如く、試料ステージ６０を左方に移動させてスリット５６を右側に移動させ、出力が一定になったことから、完全に電極４２から外れたことを検知する。更に、ステップ１０４で、図７（Ｃ）に示す如く、時計方向と反時計方向に試料ステージ６０を順次回転して、時計方向回転時に出力が減少し始めたところと、反時計方向回転時に出力減少を始めたところの中間にスリット方向を設定する。次いで、ステップ１０６で、図７（Ｄ）に示す如く、スリット５６を、出力が減り始めるまで左に戻し、この状態から、ステップ１０８で、図７（Ｅ）に示す如く、測定距離Ｌになる迄、少し右に出して測定を開始する。このようにして、光誘起電流を観測しながら、位置の設定を自動化させることができる。
【００２６】
本実施形態においては、照射するレーザ光を収束させ、高い位置精度で試料に照射することで、薄膜中のある制限された領域にのみ光吸収させて電荷を発生させ、面方向に漂流する電荷の速度を測定する。これにより、膜厚が薄い試料においても、光吸収深度を気にすることなく、光吸収領域の幅と対向電極間距離との関係のみで、実験条件が満たされる。又、高移動度材料の測定に際しては、従来のように膜厚Ｄを異常に厚くする必要がなく、電極４２、４４間の距離Ｌを稼ぐだけで対応できるため、試料の作製が現実的となる。
【００２７】
前記試料３０上の電極４２、４４の形成に際しては、実際のＦＥＴと同様に、（１）図８に示す如く、無機半導体ウェハ３２上に薄い絶縁体酸化膜３４を形成した後、電極４２、４４をパターン蒸着し、その上に測定対象薄膜３６を蒸着したり、あるいは、（２）図９に示す如く、絶縁体酸化膜３４上に測定対象薄膜３６を蒸着させ、その上に電極４２、４４を蒸着したり、更には、平滑な平面が得られれば、（３）図９に示す如く、ＳｉＯ２やガラス等の絶縁体基板３８の上に、直接、測定対象薄膜３６と、パターン形成した電極４２、４４を形成することができる。
【００２８】
又、図１１（正面図）及び図１２（視野を示す平面図）に示す第２実施形態の如く、レーザ照射系５０に、ハーフミラー８２を含む共焦点型顕微鏡システム８０を利用することで、光照射位置Ｂを直接観測者の眼８４又はカメラで観測しながら決定できるようにすることができる。
【００２９】
又、図１３に示す第３実施形態のように、先細りの光ファイバ９２に金属（例えばアルミニウム）９４を蒸着させた、近接場光顕微鏡に用いられるファイバプローブ９０を利用して、エバネッセント光９８によるｎｍオーダの極微小領域の光照射を可能にすることもできる。
【００３０】
なお、前記実施形態においては、いずれも、スリット５６あるいはファイバプローブ９０により試料上に光照射する領域を確定して一方の電極４２の近傍に光を照射するようにしていたが、一方の電極の近傍に光を照射する方法は、これに限定されず、図１４に示す如く、ナイフエッジ５８を用いて薄膜に励起子を発生させてもよい。
【００３１】
なお、前記実施形態においては、本発明が、有機半導体薄膜の電荷移動度の測定に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、一般の半導体や絶縁体の電荷移動度の測定にも同様に適用することができる。光源もレーザに限定されない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、光吸収深度を気にすることなく、非常に薄い薄膜の移動度の測定および高い移動度の測定が可能となる。更に、薄膜中の面内方向への電荷移動に関して、試料／絶縁体層間の界面の影響、あるいは、下層からの電界の影響等、薄膜の特性に関する測定としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＴＯＦ法による移動度の測定装置の構成例を示すブロック図
【図２】本発明の測定原理を説明するための断面図及び平面図
【図３】本発明の第１実施形態の全体構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図４】同じく電荷移動による出力発生の様子を示す平面図
【図５】同じく試料ステージの制御系の構成を示すブロック図
【図６】同じく制御方法を示す流れ図
【図７】同じく試料位置の調整状況を示す平面図
【図８】同じく試料の作製方法の一例を説明するための断面図
【図９】同じく他の例を説明するための断面図
【図１０】同じく更に他の例を説明するための断面図
【図１１】共焦点型顕微鏡システムを用いた本発明の第２実施形態の構成を示す断面図
【図１２】同じく視野を示す平面図
【図１３】ファイバプローブを用いた本発明の第３実施形態の要部構成を示す断面図
【図１４】マスクの変形例を示す平面図
【符号の説明】
３０…測定用膜試料
３６…測定対象薄膜
Ｂ…光吸収領域
Ｌ…測定距離
３８…絶縁体基板
４２、４４…電極
５０…レーザ照射系
５２…レーザ
５４…光ファイバ
５６…スリット
５８…ナイフエッジ
６０…試料ステージ
８０…共焦点型顕微鏡システム
９０…ファイバプローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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