(57)【要約】【課題】  キャリアの発生、消滅を評価する手段を有する検出装置を提供すること。【解決手段】  観察対象物に設けられた電極間における電界分布またはキャリア分布を高次高調波に基づいて検出する検出装置において、前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、前記観察対象物における電圧印加時の電圧分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、前記観察対象物にキャリアを発生させるための励起光を照射する励起照射部と、前記励起照射部の第１信号に基づき、前記励起照射部より前記観察対象物に前記基本波を第２信号で照射させ、第３信号で高次高調波を前記検出部で検出する制御信号出力部を備え、前記制御信号出力部は、前記第１信号の出力時点と前記第２及び第３の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成した。【選択図】図１
2012038805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象物に設けられた電極間における電界分布またはキャリア分布を高次高調波に基づいて検出する検出装置であって、該検出装置は、
前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、
前記観察対象物における電圧印加時の電圧分布又はキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、
前記観察対象物にキャリアを発生させるための励起光を照射する励起照射部と、
前記励起照射部の第１信号に基づき、前記励起照射部より前記観察対象物に前記基本波を第２信号で照射させ、第３信号で高次高調波を前記検出部で検出する制御信号出力部を備え、
前記制御信号出力部は、前記第１信号の出力時点と前記第２及び第３の出力時点との間の時間間隔を変更可能に構成されることを特徴とする、検出装置。
【請求項２】
前記照射部には、偏光を光軸（Ｚ軸）方向に整列させるための偏光子（Ｚ軸偏光子）を備え、これにより、前記観察対象物の光軸方向の電圧分布又はキャリアに応じて生成された前記高次高調波を検出する、請求項１に記載の検出装置。
【請求項３】
前記Ｚ軸偏光子は、１若しくは複数の液晶、１若しくは複数のフォトニック結晶で構成された偏光子、１若しくは複数のコニカルブリュスタープリズム構造を用いて構成された偏光子、又はポーラコアを多角形に張り合わせＸ−Ｙ成分を相殺する構造を有するＺ軸偏光子のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項４】
（励起光の導入構成）
前記励起光は、前記検出部側から導入し、前記検出部は、前記高次高調波を通過させ、前記基本波、前記励起光を遮断する１または複数組のフィルタを、前記観察対象物と前記検出部との間に配置することにより、キャリア励起後のキャリアの消滅を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の検出装置。
【請求項５】
前記照射部と前記観察対象物の間には、波形整形部と対物レンズが配置され、該波形整形部で、該対物レンズの口径に適合するビーム径に整形され、前記対物レンズはＺステージとピエゾアクチュエータで構成された複合ステージ上に搭載され、Ｚ軸方向に精密に制御することにより、特定位置に依存したＳＨＧ光出力を検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の検出装置。
【請求項６】
前記波形整形部は、絞り若しくはスリット、減衰フィルタ、凸レンズ及び凹レンズで構成され、該凹レンズは、Ｘステージ上に搭載され、前記照射部の波長変更に伴い、レンズ系で発生する波長に基づく焦点距離の変動を前記Ｘステージを連動させて補正する、請求項５に記載の検出装置。
【請求項７】
前記対物レンズで発生する波長可変による焦点距離の変化を、波長とピエゾアクチュエータを連動させることで補正することを特徴とする請求項５又は６に記載の検出装置。
【請求項８】
前記基本波の出力強度を補正するため、前記波形整形部に可変減衰機能を有する手段を配置し、前記基本波の照射部の出力変動、前記対物レンズの透過率特性、前記照射部から前記対物レンズまでの間の各種フィルタを含め、設定範囲内の基本波の出力強度を均一化したことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の検出装置。
【請求項９】
前記高次高調波の出力を検出するに当たり、前記対物レンズのＡＲコート、前記対物レンズから光電子増倍管までの間に設定された各種フィルタの波長特性に対し、感度の均一化補正が施されていることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項１０】
前記照射部は可変波長レーザで構成され、共振結晶を手動または自動で駆動し、発生する基本波を前記観察対象物に照射し、波長スペクトルを掃引することにより、前記観察対象物を構成する材料固有の高次高調波を同定する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１１】
前記材料固有の高次高調波を特定した後、それぞれの材料に対応する基本波を設定し、この基本波を照射しながら、光軸方向の位置に精密に移動させ、前記観察対象物から発生する高次高調波の位置依存性を測定し、その測定を、異なる材料に適用し、それぞれの特性を正規化し、その特性の交わる点から、前記観察対象物の材料間の界面位置を特定することを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記観察対象物から発生する高次高調波の発生領域を浅くするため、対物レンズの開口数を元の値よりも大きくし、偏光面のＸ，Ｙ軸成分を低減したことを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項１３】
前記観察対象物から発生する高次高調波の発生領域を浅くするため、前記波形整形部の絞り部分にドーナツ型のスリットを取り付け、前記対物レンズのビームウエストの範囲を浅くしたことを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
【請求項１４】
前記観察対象物への照射に用いる前記対物レンズは、収差補正の対象範囲を８００−１２００ｎｍに設計し、ＡＲコートは４００−６００ｎｍを対象に成膜することにより、基本波のぼけを防ぎ、高次高調波の検出感度を向上させたことを特徴とする請求項９に記載の検出装置。
【請求項１５】
前記観察対象物にキャリアを生成する前記励起照射部から励起光を照射、停射した後、前記制御信号出力部との時間を制御しながら逐次観察し、そのデータから減衰時定数を算出することにより、材料のキャリアのライフタイムを測定することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【請求項１６】
前記観察対象物の材料固有の基本波を選択し、その基本波を用いることにより、前記観察対象物の材料固有領域のそれぞれのキャリアのライフタイムを測定することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界分布またはキャリア分布を高次高調波の強度に基づいて検出するための検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子工学の分野においては、物体中でのキャリアの動的特性を明らかにすることが非常に重要である。昨今から、キャリアの動的特性を評価する各種の手法（たとえば後述するＴＯＦ法）が開発されている。また、基本波を入力し、その高次高調波からキャリアの移動度を測定する方法も開発されている。
【０００３】
また、近年においては、有機照明、有機太陽電池、有機ＦＥＴ（Field  effect  transistor）等に代表されるような有機材料を活用した有機電子デバイスが特に注目を集めている。有機電子デバイスは、可撓性を有するなど通常の電子デバイスとは異なる特性を有するからである。このような有機電子デバイスにおいても、キャリアの動的特性を評価することはデバイス等の開発を進める上で非常に重要である。なお、キャリアの動的特性とは、キャリアの注入（Injection）、キャリアの蓄積（Accumulation）、キャリアの輸送（Transport）、キャリアの発生（Generation）、消滅（Disappearance）といった諸特性を示す。
【０００４】
ここで、キャリアの動的な特性（特にキャリアの移動度）を評価する手法の１つであるＴＯＦ(Time  of  Flight)法について説明する。
【０００５】
図１８に、ＴＯＦ法を説明するための説明図を示す。図１８に示すように、ＴＯＦ法では電源Ｅ１を用いて、一対の電極２００、２０１に挟持されたサンプル２０３に電圧を印加する。サンプルに印加された時点に合わせて、電極２００側からレーザ光をサンプル２０３に照射する。レーザ光が照射されることにより、サンプル２０３の電極２００付近には電子が生成される。生成された電子は、電界に従って、電極２０１に向かって進む。そして、電極２０１に接続された電流計２０２によって、電極２０１−グランド間の電流量が測定される。なお、電極２００は、レーザ光に対して透明な電極である。このような構成を前提として、ＴＯＦ法では、まず、測定した電流波形から電極間のキャリアの移動時間を求め、求めたキャリアの移動時間と設定済みの電極間距離に基づいてキャリアの移動度を求める。なお、ＴＯＦ法に用いられる装置は、特許文献１に記載されている。
【０００６】
キャリア分布を測定する方法としては、ＳＨＧ（Second-Harmonic  Generation）法がある。これは、図１７に示すように、光第２次高調波の強度に基づいて検出する検出方法を取っている。観察対象物に基本波を照射する照射部と、電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された光第２次高調波を検出する検出部と、それらを駆動する制御部の発振、検出信号の時間間隔を制御して、キャリアの移動度を検出するものである。
【０００７】
その動作を図１７を用いて説明する。図１７は、電界分布又はキャリア分布の観察に用いられる光第２次高調波（高次高調波）の検出装置（以下、単にＳＨＧ強度分布取得装置と呼ぶ）１００の概略的な構成図である。
【０００８】
従来の検出装置は、観察対象物に設けられた電極間における電界分布又はキャリア分布を光第２次高調波の強度に基づいて検出する装置であって、観察対象物に基準波を照射する照射部と、電圧印加時の電界分布又はキャリア分布に応じて生成された光第２次高調波を検出する検出部と、基本波を制御する信号と電圧を制御する信号を備え、それらの間隔を変更可能に構成することで移動度を検出している。
【０００９】
図１７に示すように、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レーザ発振器（光源）１、波長変換器２、ミラーＲＭ、減衰フィルタ３、偏光板４、ローパスフィルタ５、ハーフミラーＨＭ１、対物レンズＯＬを有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、ペンタセンＦＥＴ（観察対象物）５０が載置されるステージ１１を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、ハーフミラーＨＭ２、バンドパスフィルタ１２、偏光板１３、バンドパスフィルタ１４、光電子増倍管（ＰＭＴ）１５を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レンズ１７、撮像装置１８を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、制御信号出力部３０、処理部１６を有する。
【００１０】
ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レーザ発振器１によって励起される波長変換器２からレーザ光（基本波）をペンタセンＦＥＴ５０に照射し、ペンタセンＦＥＴ５０にて生成された光第２次高調波を光電子増倍管１５で検出する。制御信号出力部３０は、ペンタセンＦＥＴ５０のソース電極６にパルス信号Ｓ２を出力する時点と、スイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３を出力する時点とを制御する。これによって、ペンタセンＦＥＴ５０に電圧が実際に印加された時点（第１時点＝電圧印加時点）とペンタセンＦＥＴ５０にレーザが照射される時点（第２時点＝レーザ照射時点）とが変更可能とされる。なお、スイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３を出力する時点後に、レーザ発振器１からレーザ光が出力される。
ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いて、ペンタセンＦＥＴ５０に形成され得るチャネル（キャリアの移動通路）の複数個所ごとに、上述の電圧印加時点−レーザ照射時点間の時間間隔が異なる複数の条件について、光第２次高調波の強度分布を測定する。これによって、ペンタセンＦＥＴ５０のチャネルにおける電界分布又はキャリア分布の推移を観察することができる。
【００１１】
レーザ発振器１は、フラッシュランプ（励起光源）１９、ロッド２０、スイッチ素子（スイッチ部）２１、反射ミラーＭ１、Ｍ２、ＴＨＧ（Third  Harmonic  Generation）結晶２２を有する。レーザ発振器１はいわゆる固体レーザ装置であって、Ｑスイッチ動作し、所定のパルス幅のレーザ光（基本光もしくは基本波）を出力する。レーザ発振器１からは、３５５ｎｍの波長のレーザ光が出力される。レーザ発振器１は、光源であるとともに、照射部として機能する。
【００１２】
フラッシュランプ１９は、ポンピング用の励起光源である。ロッド２０は、Ｎｄ：ＹＡＧ（レーザ媒質）がドープされた母体である。ロッド２０の一方に反射ミラーＭ１が配置され、ロッド２０の他方には反射ミラーＭ２が配置される。ロッド２０、反射ミラーＭ１、Ｍ２により、共振器が構成される。スイッチ素子２１はロッド２０と反射ミラーＭ１との間に配置される。
【００１３】
フラッシュランプ１９は、制御信号出力部３０からハイレベルのパルス信号（制御信号）Ｓ１が入力されたとき励起光を出力する。ロッド２０にドープされたＮｄ：ＹＡＧは、フラッシュランプ１９からポンピングされる励起光により励起状態となる。Ｎｄ：ＹＡＧは、励起状態から基底状態になるときに光を放出する。ロッド２０からの出射光は、反射ミラーＭ１と反射ミラーＭ２との間で共振し、励起状態にあるＮｄ：ＹＡＧは誘導放出される。
スイッチ素子２１は、電気光学結晶であって、電圧印加時に、レーザ光（１０６４ｎｍ）に対する透明度が高くなる。つまり、スイッチ素子２１は、電圧印加時にレーザ光に対して透明となり、電圧無印加時にレーザ光に対して不透明となる。ここでは、制御信号出力部３０からのパルス信号（制御信号）Ｓ３がハイレベルの間、スイッチ素子２１はレーザ光に対する透明度が高くなる。スイッチ素子２１を制御することによって、レーザ発振器１は所定のパルス幅のレーザ光（基本光又は基本波）を出力する。
【００１４】
波長変換器２は、光学結晶を用いて、レーザ発振器１から出射されたレーザ光の波長を変換する。すなわち、３５５ｎｍから１１２０ｎｍに変換される。
波長変換器２と減衰フィルタ３との間の反射ミラーＲＭは、波長変換器２から出力されたレーザ光を減衰フィルタ３に向けて進行させる。
減衰フィルタ３はレーザ光の強度を調整するための部材である。観察対象物であるペンタセンＦＥＴ５０は、有機デバイスである。したがって、ペンタセン層８自体が照射されるレーザ光によって物理的に破壊されないようにレーザ光の強度を減衰させている。
【００１５】
偏光板４は所定の振動方向のレーザ光のみを通過させる。すなわち、ペンタセンＦＥＴ５０に照射されるレーザ光の偏光成分の品質を高めている。ローパスフィルタ５は、所定波長以上（所定周波数以下）の光のみを通過させる。すなわち、ここでは、波長１１２０ｎｍの光を通過させ、波長７１０ｎｍ以下の光を遮断する。ローパスフィルタ５と対物レンズＯＬとの間のハーフミラーＨＭ１はローパスフィルタ５を通過したレーザ光の５０％を対物レンズＯＬに向けて進行させる。対物レンズＯＬは、レーザ発振器１からのレーザ光をペンタセンＦＥＴ５０の所定箇所に集光する。同時にペンタセンＦＥＴ５０から放出された光第２次高調波の５０％を通過させる。
【００１６】
ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１を通過した光の５０％をバンドパスフィルタ１２に出力する。ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１を通過した光の５０％の光を撮像装置１８に出力する。
バンドパスフィルタ１２は波長８００ｎｍ以上の光を遮断する。バンドパスフィルタ１２はペンタセンＦＥＴ５０で反射されたレーザ光をカットし、反射されたレーザ光（波長：１１２０ｎｍ）が光電子増倍管１５に入力されないようにする。
【００１７】
偏光板１３は、所定の振動方向の光第２次高調波のみを通過させる。すなわち、光電子増倍管１５に入力される光第２次高調波の偏光品質を高めている。バンドパスフィルタ１４は、光第２次高調波（波長：５６０ｎｍ）付近の帯域の光のみを通過させるフィルタである。
光電子増倍管１５は、入射された光第２次高調波を光電変換する。この電気信号により、電界分布を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００６−１３５１２５号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来の発明の課題は、有機デバイスの動的特性の一部である、注入、蓄積、移動を捉えることを目的としていた。したがって、発生、消滅については着目していなかった。このため、ペンタセンＦＥＴのような横構造デバイスに適用できる装置は提案されていたが、縦構造に対する解析手段は報告されておらず、また、その分解能の向上手段に対しては検討されていなかった。
【００２０】
従来の装置は、キャリアの発生、消滅を対象としていなかったため、キャリアは電圧印加により注入され、その後、電界分布として蓄積を捉え、時間関数として、移動を捉えていた。したがって、励起機構を有さず、かつ、励起と同期したキャリアの時間変化を捉える機構を有していなかった。
【００２１】
また、発生、消滅を課題として考えた場合、分子構造の異なる材料での消滅過程は、当然、材料に依存することが考えられるが、その課題を解決するための検出手段がなかった。また、この課題を解決するため、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ出力の高次高調波出力が波長に依存するという課題に対応するための均一出力化の手段を有していなかった。
【００２２】
有機デバイスが着目されている応用は、ディスプレイ、照明等への利用で考えられているフォトルミネッセンス及び太陽電池等への利用に考えられている光起電力、並びに、有機半導体としてのＦＥＴ等である。これらのいずれのデバイスにおいても、縦構造に対する知見を得ることが重要である。本来、前者の２つは、縦構造デバイスであり、後者のＦＥＴにおいても、チャネルは横構造であるが、そのチャネルを制御するＭＩＳ構造は縦構造である。したがって、有機デバイスの動的特性である、注入、蓄積、移動、発生、消滅を捉えるには、縦構造の知見を高次高調波から得ることが重要となる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、前記観点に立ち、前記観察対象物に基本波を照射する照射部と、前記観察対象物における電圧印加時の電圧分布またはキャリア分布に応じて生成された前記高次高調波を検出する検出部と、前記観察対象物にキャリアを生成するための励起照射部とを有し、基本波を照射する照射部と対物レンズの間には、光軸偏光成分を透過させるＺ軸偏光子を配置し、前記励起照射部の第１信号に基づき前記励起照射部より前記観察対象物に前記基本波を第２信号で照射させ、第３信号で高次高調波を前記検出部で検出する制御信号出力部３０を備え、前記制御信号出力部３０は、前記第１信号と前記第２、第３の信号出力時点との間の時間間隔を変更させることにより、キャリアの発生、消滅を評価する手段を提供するものである。
【００２４】
Ｚ軸偏光子を導入する理由を次に示す。
位置Ｚでの高次高調波の発生は、
【数１】
2012038805.tif 000003
で与えられる。ここで、Ｅ(ω)は光のＺ成分の電界、E(0)はキャリアの発生する電界となる。
有機膜全体からの高次高調波出力は、
【数２】
2012038805.tif 000004
で与えられる。すなわち、光軸方向に電界を有する基本光を照射して、発生する高次高調波出力を測定する検出装置が要求されることになる。
この点が、従来の発明である上記特許文献２に記載の検出装置と異なるところで、それには、光軸方向に偏光する偏光子（Ｚ軸偏光子）を導入することが必要不可欠となる。
【００２５】
Ｚ軸偏光子の形成方法には、３つの方法がある。その構成を図２に示す。Ｚ軸偏光子を実現するには、基本的に偏光機能を有する材料を円形に構成し、Ｘ、Ｙ軸成分の偏光を相殺することにより、Ｚ軸成分の偏光のみを発生させようとするものである。その手段はいくつかあるので、それらの構成を次に示す。
図２(a)は、フォトニック結晶を利用して偏光子を形成したもので、縦方向の成膜プロセスにより偏光異方性を実現している。Ｚ軸偏光を実現するには、パターニングを円形に設定すればよく、容易に実現することができる。ただし、その欠点は図３に示すように消光比の波長依存性が高いことである。このため、解析対象となる波長領域８００−１２００ｎｍをカバーするには、消光比の特性を−２０ｄＢに設定したとしても少なくとも４枚のフィルタを交換して対応する機構が必要となる。
【００２６】
図２（ｂ）に示した方法は、液晶を用いる方法である。液晶の偏光特性は、その分子構造に依存している。すなわち、液晶分子の整列方向を揃えることにより、偏光特性を実現している。したがって、消光比自身の特性は、フォトニック結晶に劣るものの、波長依存性は弱く、したがって、１つのフィルタで全ての波長に対応できる特徴を有しており、本発明に適している。
【００２７】
図２（ｃ）はコニカルブリュスタープリズムを利用したＺ軸偏光子で、コニカル角を６８．４度に設定し、これに、多層膜を形成することで機能を実現している。ただし、この場合、コニカルプリズムの位置あわせが困難であり、また、フォトニック結晶と同様、消光比の波長依存性が大きく、実用化には向いていない。
その他の方法として、ポーラコアを寄木細工のように張り合わせて円形に構成する方法も考えられる。この方法も消光比の波長依存性は低いと考えられるため、有効な方法である。いずれにしても、前記のいずれかの方法で、Ｚ軸偏光子を構成し、本発明の目的を実現することが可能である。
【００２８】
電荷の注入、蓄積、移動を観察するには、電圧の印加と基本光の時間間隔、および、その横方向の照射位置をパラメータとして有機ＦＥＴを用いて測定すれば、測定が可能であったが、発生、消滅を測定するには、接合面に垂直な電界を基本波で与えること、キャリアを発生させるための励起光を与えること、および、励起光が消滅するまでの時間測定を行うことが必要である。
すなわち、基本波（基本光）を与えるための照射部を有すること、その照射部から、対物レンズの間に、Ｚ軸に偏光面を整列させるためのＺ軸偏光子を設けること、高次高調波を検出する検出部と対物レンズの間に、励起光を導入するための機構を設けることである。また、この励起光は、時間測定を容易にさせるため、速い動作速度を有する光源が必要であり、また、検出波長領域外で設定しないと、光電子増倍管の飽和を招き、高次高調波が検出できない虞があるため、検出波長範囲を除き、有機太陽電池、有機ＥＬ、有機半導体の吸収可能範囲の波長の設定が望まれる。一例として、４０５ｎｍの青色レーザや６８５ｎｍの赤色レーザが適している。これらの励起光を用いると、検出波長範囲は４２０−６００ｎｍが確保され、基本波として８４０−１２００ｎｍに対応することができる。
【００２９】
有機デバイスの多くは、絶縁体に近い性質を有しており、導電性を上げるため、その厚さは１μｍ以下に設計されているものがほとんどである。このため、Ｚ軸方向の位置精度は、±５ｎｍ程度の精度が要求される。これを実現するアクチュエータは、現在、ピエゾアクチュエータであるが、このピエゾアクチュエータの場合、その可動範囲はせいぜい１００μｍであり、重い対物レンズを駆動させるとなると、２０μｍ程度となる。この程度の可動範囲では操作性に影響するため、Ｚステージにピエゾアクチュエータを搭載する２段構造を採用し、操作性と分解能を確保している。
これにより、Ｚステージが粗調を担い、微調はピエゾアクチュエータが担うことで、可動範囲±２０ｍｍ、分解能±５ｎｍを実現している。
【００３０】
接合部での界面の情報を得るには、Ｐ型材料、ならびにＮ型材料における、キャリアの発生、消滅の情報を得ることが重要であるが、それには、高次高調波が材料固有の特性を有していることを利用することが有効である。
それには、検出装置にこの固有波長を検出する機能を設けておくことが有効である。その機能は、照射部から発生する基本波の波長を掃引し、発生する高次高調波の強度を測定し、そのピーク値での波長を同定することである。ただし、この操作には、３つの課題がある。レンズに用いられているガラスの屈折率が波長依存性を有していることである。このため、２つのレンズ群、波形整形部ならびに対物レンズに対し、焦点補正を行う必要がある。もう１つは、基本波を発生させているレーザの出力が波長依存性を有していること、ならびに、使用する対物レンズのＡＲコートの波長依存性に基づくものである。
前者については、つぎのような対策を行っている。すなわち、図４に示すように、波形整形部５２は、虹彩絞り２５、減衰フィルタ３、回転制御板２６、凸レンズ３７、凹レンズ３８、Ｘ−ステージ３１で構成されている。虹彩絞り２５で、基本波のビームを整形し、凸レンズ３７と凹レンズ３８を用いて対物レンズＯＬに入射するビームの径を制御している。したがって、基本波を変化させると、この凸レンズ３７、凹レンズ３８の焦点が変化することになる。この補正を次のように行っている。
Ｚ軸偏光子の光軸調整を目的として、撮像装置１８が用意されている。この構成は図４に示すように、スライド型反射ミラーＲＭ’、減衰フィルタ３、偏光板４、撮像装置１８である。波形整形部５２からのビームは、できる限りコリメート光が出射されるように調整すれば良い。したがって、波長変換器２に取り付けられたアクチュエータ２３を制御部２４で駆動して基本波を変更するときに、Ｘ−ステージ３１上に搭載されている凹レンズ３８の位置を移動し、ビーム波形を観察し、ビーム波形が最もシャープになるときの波長とＸ−ステージ３１の位置を記憶しておき、アクチュエータ２３の位置とＸ−ステージ３１の位置を連動させて動かすことにより、この課題を解決している。
【００３１】
対物レンズの焦点補正については、使用するレンズの視野範囲が０．２２ｍｍであるため、試料位置にこれより小さな受光径を有する検出器を設置し、この検出器の出力が最大になる波長とピエゾアクチュエータ２９の位置を求め、この結果を記憶させておき、アクチュエータ２３と連動させることでこの課題を解決している。
【００３２】
高次高調波の補正には２つの要素がある。１つは入射する基本波の強度を均一化すること、他は、出射する高次高調波の出力を補正することである。これらは、発生機構から考え、同時に行うことができないので、２つに分けて行うことにする。
１つは、入射側を均一にすることである。波長変換器２からの出力は、図５に示すように、８００−１２００ｎｍの波長範囲では、約２倍変動する。これに、減衰フィルタの波長特性、対物レンズのＡＲコートの波長特性が加わることになる。この補正は、試料位置に検出器を置き、そこでの測定値に基づいて、回転制御板２６を駆動し、８００−１２００ｎｍの範囲でできる限り均一になるように、減衰フィルタ３を選択して均一化を実現する。
【００３３】
受光側の特性は、対物レンズＯＬのＡＲコートの特性、ならびにバンドパスフィルタ１４、１４’の特性に起因している。これらの特性は、波長依存性の測定を行い、その結果と波長との関係を記憶させることにより、補正することになる。
【００３４】
有機デバイスの縦構造の寸法は、前述したように、１μｍ以下と非常に薄いものである。したがって、その境界面を同定するのは、計測器を用いて行うのは不可能である。本発明の系においては、ピエゾアクチュエータのみがその精度を確保している。したがって、このピエゾアクチュエータと高次高調波の出力、ならびに、材料の固有波長特性を利用して同定する方法が唯一可能な方法である。
固有波長は、前記の方法で同定が可能である。したがって、Ｚステージ３９を固定した状態でピエゾアクチュエータ２９を駆動させると、各材料の高次高調波は、図６に示すように材料の位置に応じて発生する。したがって、それぞれのピーク値を１として正規化し、位置と強度の関係を求めると、正規化した強度の交点が、界面に相当する位置となる。
【００３５】
光軸（Ｚ軸）方向の分解能を向上させる要因が３つある。ひとつは、ＳＨＧが電界強度の２乗に比例して出力することである。従って、レンズで形成された光強度に対し、２乗特性でＳＨＧ出力が発生するので、光軸方向に対して分解能が向上する。
もう１つが、Ｚ軸偏光子を用いたことに起因するものである。図８に開口数（ＮＡ）と偏光のＺ軸成分との関係を示す。図８は、ＮＡが小さいと偏光のＺ軸成分が小さくなることを示している。この理由は、ビームが集光しないと、十分なＸ，Ｙ軸成分の相殺が起こらないことを意味している。この考えを基本波の空間的な強度分布に対し適用すると、集光点では偏光成分が強くなるが、集光点から外れるにつれて偏光成分が弱くなり、ＳＨＧ光への変換が抑えられる。以上の関係を図７に示している。
【００３６】
Ｚ軸方向の分解能を向上させるには、見かけ上のＮＡを大きくすることである。それには、ビームの中心をスリット等で覆うことにより実現できる。すなわち、波形整形部の虹彩絞り２５のかわりに、図９に示すような、ドーナツ状のスリットを入れることである。
【００３７】
前記観察対象物の照射に用いる対物レンズは、基本波に対する収差を抑えた設計がされていることが、Ｚ軸方向の分解能を向上させる上で必要となる。また、ＳＨＧ光の検出感度を向上させるには、ＡＲコートの設計領域を４００−６００ｎｍの範囲にする必要がある。ＡＲコートを４００−１２００ｎｍの範囲までカバーすることは、光学上不可能であるので、４００−６００ｎｍの領域を優先させることになる。この場合、８００−１２００ｎｍの範囲の透過特性が犠牲となるが、基本波照射部のレーザの出力は高く、減衰フィルタで落としているレベルであるため、ＡＲコートによる透過率の低下を十分カバーすることができる。
【００３８】
本装置によるライフタイムの測定は、次のようなものである。前記観察対象物にキャリアを生成するための励起光を照射して、キャリアを発生させる。すると、このキャリアにより発生した電界により、有機材料が歪み、非線形成分が発生する。この非線形成分は、励起光を遮断したあとも、キャリアが消滅しない限り保持されているので、基本波を観察対象物に照射し、そこから発生するＳＨＧ光を検出することにより測定することができる。したがって、時間軸に対しこの操作を行うことにより、キャリアの消滅過程を測定することができ、そこから、ライフタイムを測定することができる。
【００３９】
前記観察対象物は、たとえば、太陽電池の場合、たとえばＰ型材料のペンタセンとＮ型材料のＣ６０で構成されることになる。これらはヘテロ接合を構成するため、ホールの消滅過程と電子の消滅過程は異なると考えられる。ＳＨＧ光による検出手段は、基本波を選択することにより、材料固有の電界を捉えているため、前記、キャリア毎の消滅過程を捉えることができる。すなわち、固有波長毎のライフタイムを測定することにより、電子、ホールそれぞれのライフタイムの測定が可能である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、有機デバイスの動的特性である注入、蓄積、移動、発生、消滅についてライフタイムで捉えることができ、かつ、材料の違いを利用した消滅過程の違いも捉えることができる。このことは、界面に対する改良、改善の手段を見直す手法を、材料、構造、プロセスの多方面から検討するための手段を与えるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る検出装置の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明におけるＺ軸偏光子の３つの形成方法を示す図である。                (a)  フォトニック結晶によるもの                                            (b)  液晶によるもの                                                        (c)  コニカルブリュスタープリズムを用いたもの
【図３】フォトニック結晶によるＺ軸偏光子の消光比特性を示す図である。
【図４】本発明による波形整形部の構成の一例を示す図である。
【図５】本発明における波長変換器の出力特性を示す図である。
【図６】本発明における界面位置の特定方法を説明するための図である。
【図７】本発明におけるＺ軸分解能の解説図である。
【図８】本発明におけるＮＡと偏光のＺ軸成分との関係を示す図である。
【図９】本発明におけるスリットパターンを示す図である。
【図１０】本発明における波形整形部の構成例を示す図である。
【図１１】本発明におけるＺ軸偏光部を説明するための図である。                    (a)  Ｚ軸偏光部の構成を示す図                                              (b)  偏光板がない場合のビーム断面を示す図                                  (c)  偏光板通過後のビーム断面を示す図
【図１２】本発明における検出部の構成例を示す図である。
【図１３】本発明におけるフィルタの仕様例を示す図である。
【図１４】本発明における処理部の動作タイミングを示す図である。
【図１５】本発明における波長掃引を示す図である。
【図１６】固有波長におけるＳＨＧ光２乗特性を説明するための図である。
【図１７】従来の検出装置の構成を示す図である。
【図１８】従来のＴＯＦ法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１に示すように、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レーザ発振器（光源）１、波長変換器２、波形整形部５２、反射ミラーＲＭ、減衰フィルタ３、偏光板４、Ｚ軸偏光部５３、ローパスフィルタ５、スライド型反射ミラーＲＭ’、対物レンズＯＬ、励起光源（励起照射部）３６を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、有機太陽電池（観察対象物）が載置されるステージを有する（図示せず）。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、スライド型反射ミラーＲＭ’、バンドパスフィルタ１４、１４’、光電子増倍管１５を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、レンズ１７、撮像装置１８を有する。また、ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、制御信号出力部３０を有する。
【００４３】
ＳＨＧ強度分布取得装置１００は、励起光により有機太陽電池に蓄積されたキャリアに基づいて誘起された電界に対し、レーザ発振器１によって励起され波長変換器２で波長変換されたレーザ光（基本波）を有機太陽電池に照射し、有機太陽電池にて生成された光第２次高調波を光電子増倍管１５で検出する。処理部１６は、励起光源３６のＯＮ／ＯＦＦ制御をパルス信号Ｓ１で行った後、スイッチ素子２１にパルス信号Ｓ３を出力する時点、パルス信号Ｓ４で光電子増倍管１５のゲートを制御する時間、パルス信号Ｓ５で積分器３４を制御し、データをサンプリングする時間を制御する。これによって、励起光源３６の遮断後の、励起光源３６により誘起されたキャリアの有機太陽電池内での経時変化を前記、パルス信号Ｓ１とパルス信号Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５のペアの時間間隔を可変することにより捉えることができる。
ＳＨＧ強度分布取得装置１００を用いて、有機太陽電池の光軸方向の位置を精密に変更することにより、有機太陽電池のキャリアの蓄積に基づく電界に対応するＳＨＧ出力強度とその減衰時間の関係を導くことができる。
【００４４】
レーザ発振器１は、フラッシュランプ（励起光源）１９、ロッド２０、スイッチ素子（スイッチ部）２１、反射ミラーＭ１，Ｍ２，ＴＨＧ（Third  Harmonic  Generation）結晶２２を有する。レーザ発振器１はいわゆる固体レーザ装置であって、Ｑスイッチ動作し、所定のパルス幅のレーザ光（基本光もしくは基本波）を出力する。レーザ発振器１からは、３５５ｎｍの波長のレーザ光が出力される。レーザ発振器１は、光源であるとともに、照射部として機能する。
【００４５】
フラッシュランプ１９は、ポンピング用の励起光源である。ロッド２０は、Ｎｄ：ＹＡＧ（レーザ媒質）がドープされた母体である。ロッド２０の一方に反射ミラーＭ１が配置され、ロッド２０の他方には反射ミラーＭ２が配置される。ロッド２０、反射ミラーＭ１,Ｍ２により、共振器が構成される。スイッチ素子２１はロッド１２０と反射ミラーＭ１との間に配置される。
【００４６】
フラッシュランプ１９は、制御信号出力部３０からハイレベルのパルス信号（制御信号）Ｓ２が入力されたとき励起光を出力する。ロッド２０にドープされたＮｄ：ＹＡＧは、フラッシュランプ１９からポンピングされた励起光により励起光となる。Ｎｄ：ＹＡＧは、励起状態から基底状態になるとき光を放出する。ロッド２０からの出射光は、反射ミラーＭ１と反射ミラーＭ２との間で共振し、励起状態にあるＮｄ：ＹＡＧは誘導放出される。
スイッチ素子２１は、電気光学結晶であって、電圧印加後に、レーザ光（１０６４ｎｍ）に対する透明度が高くなる。つまり、スイッチ素子２１は、電圧印加時にレーザ光に対する透明度が高くなり。電圧無印加時に対して不透明となる。ここでは、制御信号出力部３０からのパルス信号（制御信号）Ｓ３がハイレベルの間、スイッチ素子２１はレーザ光に対する透明度が高くなる。スイッチ素子２１を制御することによって、レーザ発振器１は所定のパルス幅のレーザ光（基本光又は基本波）を出力する。
【００４７】
波長変換器２は、光学結晶を用いて、レーザ発振器１から出射されたレーザ光の波長を変換する。すなわち、レーザ光の波長は３５５ｎｍから８００−１１２０ｎｍに変換される。
減衰フィルタ３はレーザ光の強度を調整するための部材である。観察対象物である有機太陽電池は有機材料である。したがって、有機太陽電池自体が照射されたレーザ光によって物理的に破壊されないようにレーザ光の強度を減衰させている。
【００４８】
図１０に波形整形部５２の構成を示す。波長変換部２の光は直径５ｍｍ程度の平行ビーム形状をしている。したがって、虹彩絞り２５により、５ｍｍの径に光を絞り、減衰フィルタ３、回転制御板２６に取り付けられている減衰フィルタ３を通して、凸レンズ３７でビーム径を絞り、凹レンズ３８で平行ビームとして、対物レンズＯＬの口径にあわせて、送出している。
基本波の掃引範囲は８００ｎｍ−１２００ｎｍであるため、レンズ３７，３８の焦点が変動する。これを補正するため、凹レンズ３８をＸ−ステージ３１に搭載し、その位置を基本波の波長と連動して駆動させることにより、焦点位置補正を行っている。
【００４９】
図１１は、Ｚ軸偏光子２７とその調整系から成るＺ軸偏光部５３を示す。Ｚ軸偏光はその原理から、Ｘ，Ｙ偏光を相殺して抽出するものであるため、ビーム位置とＺ軸偏光子の位置を一致させる必要がある。この操作を図１１（ａ）で示す構成で行っている。Ｚ軸偏光子２７を通過した光はスライド式反射ミラーＲＭ’で、減衰フィルタ３、偏光板４を通して、撮像装置１８に導かれる。偏光板４を通さない光は図１１（ｂ）に示す円形のビームとなっているが、偏光板４を通すと、図１１（ｃ）に示すようなバタフライ形となる。この形が対称になるようにＸＹステージ２８を動かし、調整する。
図１１に示す調整系は、前述の波形整形の焦点補正にも用いる。この場合、図１１（ｂ）が得られるので、このビームが一番シャープになる位置をＸ−ステージ３１を駆動して調整し、この位置を記憶しておき、基本波の波長とＸ−ステージ３１の記憶位置を連動させて焦点補正を行う。前記の補正を行った後は、スライド型反射ミラーＲＭ’を動かし、ビームを通過させる。
【００５０】
図１２に検出部の構成例を示す。８００−１２００ｎｍの基本波はローパスフィルタ５、ダイクロックミラー３５を通り、蛇腹を通って、対物レンズＯＬに入る。蛇腹は、対物レンズＯＬの可動範囲を確保し、かつ、検出部を不動とするためである。
ＳＨＧ光はダイクロックミラー３５で反射し、２種類のバンドパスフィルタ１４、１４’を通って、光電子増倍管（フォトマル）１５へ導かれる。４０５ｎｍの励起光はコリメータレンズ１７を通り、バンドパスフィルタ１４’で反射され、ダイクロックミラー３５で反射され、対物レンズＯＬに入射する。
撮像装置１８では、スライド型反射ミラーＲＭ’で反射された光を観察する。白色光は、スライドハーフミラー（図示せず）から光を入射する。
【００５１】
図１３にフィルタの仕様例を示す。ローパスフィルタ５は、４００−６００ｎｍの範囲の透過率は１×１０−６以下が確保され、この光がダイクロックミラー３５で反射されると、１×１０−８以下の透過率となるため、検出部への影響は少ないと考えられる。ダイクロックミラー３５は、７６０−１２００ｎｍの範囲で９５％以上の透過率が確保され、４２０−６６０ｎｍの範囲で９８％以上の反射率が確保されている。励起光は４０５ｎｍの光を利用する設計となっているが、フィルタ構成を変えることで、６８０ｎｍの光源に替えることも可能である。バンドパスフィルタ１４の目的は、４２０−６００ｎｍのＳＨＧ光を透過させ、８００−１２００ｎｍの基本光を遮断するもので、レーザパワーを５００ｍＷと仮定した場合、０．３ｎＷレベルまでブロックする性能を確保している。励起光は４０５ｎｍのレーザ光を用いており、その出力は約３ｍＷに設定している。この場合、光電子増倍管の出力には、０．５ｎＷ以下の出力が現れる。このような構成によるＳＨＧ光の透過率は４２０ｎｍ−６００ｎｍの範囲で、４２０ｎｍ−４２５ｎｍの７５％を除き、８０％以上が確保される。
【００５２】
対物レンズＯＬの精密位置制御は、Ｚステージ３９とピエゾステージ（ピエゾアクチュエータの一実施形態）２９の組み合わせで行っている。Ｚステージは、神津精機株式会社製自動ＺステージＺＡ０７Ａ-Ｘ１-Ｒを用いており、その精度は最小分解能０．２５μｍで、±１０ｍｍの可動範囲を有している。ピエゾステージは対物レンズ専用のものを用い、可動範囲は２０μｍ、分解能±５ｎｍである。この組み合わせにより、目的とする分解能が確保されている。
【００５３】
波形整形は、図１０に示す構成で行っている。波長変換部２からの光を虹彩絞り２５に入れる。この虹彩絞り２５は、１−１０ｍｍまで寸法を変えることができ、手動で５ｍｍに設定している。その後、減衰フィルタ３で出力を落とし、回転制御板２６に取り付けられた減衰フィルタ３を回転させて、対物レンズＯＬから出射される出力の均一化をはかり、絞られたビームを凸レンズ３７と凹レンズ３８を組み合わせて、対物レンズＯＬの開口径３．０ｍｍにあわせている。
凸レンズ３７、凹レンズ３８は、入射光の波長が８００−１２００ｎｍの範囲で変化すると、その焦点が変化するため、コリメート光とはならなくなる。これを補正するため、凹レンズ３８をＸ−ステージ３１上に搭載し、前記（段落００４９）の方法により補正位置を検出し、この補正位置と、波長変換器２に取り付けられたアクチュエータ２３を連動させて、焦点距離補正を行っている。
【００５４】
対物レンズＯＬの焦点補正は次のように行っている。前記の波形整形部で焦点補正を行い、それを実行した後、コリメート光を対物レンズＯＬに入れ、対物レンズＯＬの下に、受光径（２８μｍφ）の小さな検出器（図示せず）を置き、まず、８００ｎｍの波長で、その出力が最大になる出力を検出する。対物レンズＯＬには１００倍のレンズを用い、その視野範囲は０．２２ｍｍであるため、対物レンズＯＬの焦点位置を十分検出できるものである。その後、ピエゾステージ２９を駆動させ、波長を変えるごとに変化するピーク位置を捉え、その値と波長との関係を表にし、位置補正ができるようにした。
【００５５】
有機デバイスに用いられる材料では、材料固有のＳＨＧ光を発生する。したがって、発生する固有のＳＨＧ光の波長に合わせて基本波を入射すれば、レーザ発振器１の分解能である１ｎｍの精度で、ＳＨＧ光を発生させることができる。このような分解能を有していれば、充分、他の材料との分離が可能である。このため、本装置では、この固有のＳＨＧ光を特定する機能が設けられている。
Ｃ６０における測定結果を図１６に示す。基本波を８００−１２００ｎｍの間掃引して、ＳＨＧ光を測定し、その波長依存性から固有波長を特定することができる。得られた固有波長がＳＨＧ光であるか否かの検証は、次のようにして行うことができる。回転制御板２６を駆動して、固有波長に対し基本波の出力を変化させる。すると、ＳＨＧ光は上記（２）式の特性を有しているため、出力の２乗に比例する。これを確認することにより、ＳＨＧ光であることを確定することができる。
【００５６】
前記のように、各材料の固有波長が特定できると、その波長を利用して、有機デバイスの界面の位置を特定することができる。まず、対物レンズＯＬと撮像装置１８の試料の表面にピントを合わせる。このようにすると、有機デバイスの設計値はあらかじめわかっているため、検出系に切り替えた後、対物レンズＯＬの位置をピエゾステージ２９を用いて下面に設定し、徐々に上面に移動させながら、固有波長のＳＨＧ光を検出することができる。ＰＮ接合の場合には、この動作を２度行い、Ｎ側固有波長とＰ側固有波長の各出力が検出された後、それぞれのピーク出力を１として正規化を行う。その出力結果〔曲線〕が交差する点が、界面位置となる（図６参照）。
このような方法により、ピエゾステージ２９と固有波長を利用して、界面を多く含む情報を取得することができる。
【００５７】
本装置の光軸方向の分解能を向上させるには、焦点深度を浅くする、すなわち、焦点距離を短くし、ＮＡを大きくすることである。しかし、試料の寸法の制約を受けるので、ＮＡをやみくもに大きくすることはできない。試料のカバーガラスを０．５ｍｍ、デバイスの厚さを０．２−０．３ｍｍとした場合、少なくとも０．２ｍｍの空間が必要であるため、焦点深度として１．０ｍｍ程度必要となる。この焦点深度における可能なＮＡは０．９が限度である。
本装置の光軸方向の分解能を決定する要因は３つある。１つは、ＳＨＧ光を検出していることであり、（２）式にあるように、この出力が光強度の２乗に比例していることである。したがって、光強度が０．７になると、ＳＨＧ光は０．５になり分解能が向上する。
もう１つの要素は、（１）式に示しているように、試料に印加される電界強度である。すなわち、Ｚ軸偏光子によって発生する電界強度に依存する。この強度は、図８に示すように、ＮＡに依存している。この計算値は、集光位置での光強度を示しているため、同じＮＡであっても、焦点からずれるとＮＡが低下したのと同じ効果をもたらすものである。したがって、焦点からずれた位置では、光軸方向の電界が弱くなるため、ＳＨＧ光の光強度は低下したことになる。この効果により分解能が向上することになる。
３つめは、見かけ上の焦点深度を浅くする方法である。それは、波長変換器２より出力されるレーザ光の中心部をスリットで覆い、通過するドーナツ形状の光を集光して、焦点を浅くする方法である。これによっても分解能は向上する。
以上の３つの方法を用いて分解能の向上を図っている。
【００５８】
前記方法で、分解能を向上させるには、基本光の集光特性が重要であることがわかる。レンズの集光特性は収差で決まるが、収差は波長依存性を有している。したがって、どの波長範囲でレンズの収差を設計するかが重要である。現在の顕微鏡は、可視光範囲にあわせたもの、あるいは近赤外にあわせたもの等が市販されている。本装置では、基本波については、収差を少なくする必要があり、可視光については、透過率をできるだけ上げる必要がある。ＳＨＧ光の感度を向上させるためである。
理想的には、ＡＲコートは４００−１２００ｎｍの全領域に対し、高い性能を有することが要求されるが、そのようなことは、光学的に不可能である。したがって、ＡＲコートは４００−６００ｎｍに合わせ、収差は８００−１２００ｎｍにあわせて、レンズを設計することが要求される。
【００５９】
ライフタイムを測定するには、次のような手順が必要となる。まず、観察対象物の表面を撮像装置１８で観察し、対物レンズＯＬの位置を観察対象物の表面に設定する。次に、有機材料の存在する位置まで対物レンズＯＬを下げ、基本波を掃引してそれぞれの固有波長を特定する。固有波長を特定した後は、その固有波長を用い、ピエゾステージ２９を位置掃引して界面位置の特定を行う。界面位置が特定された後、設計値から割り出した位置に対物レンズＯＬを移動し、そこで、固有波長を用いて、ＳＨＧ光の時間計測を行うことになる。制御信号は、２つの群に分かれる。励起光を制御する信号Ｓ１とレーザ光を制御する信号Ｓ２，Ｓ３、光電子増倍管、積分器をそれぞれ制御する信号Ｓ４，Ｓ５とである。信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５は連動して制御することになる。
レーザ発振器１はＱスイッチを駆動させた後、トリガ信号を入力すると、そこから一定時間経過後にレーザ発振が起こる。この時間は、装置に固有の値を持っている。信号Ｓ２を投入後、２４５μｓで、蓄積が起こり、そこから、４．３８μｓ後にトリガ信号を送ると、その後、１００ｎｓ後にレーザが発振する。ゲート付光電子増倍管１５は、ゲートトリガをＯＮさせたあと、２１５ｎｓ後に、検出感度が最大となる。レーザ光のパルス幅は数ｎｓであるため、このタイミングにあわせなければ、データを取得することができない。また、積分器３４を駆動させるには、５ｎｓ必要となる。したがって、レーザの駆動から積分までのタイミングは、図１４に示すように、Ｓ２,Ｓ３,Ｓ４,Ｓ５は同期を取りながら、上記関係を保ち、励起光と、ｍ［ｎｓ］刻みでｎ回の計測を行い、その結果から、減衰時定数を計測することで、ライフタイムを計測することができる。
【００６０】
異なる材料固有のＳＨＧ光を計測することにより、電子ならびに正孔のライフタイムを計測することができる。ヘテロ接合を形成しており、材料が異なるため、界面密度も異なってくると思われる。したがって、キャリアの消滅が電子と正孔において異なると考えられ、それらのデータは、有機デバイスのバンド状態を調べる上で、重要な情報を与えると考えられる。
【実施例】
【００６１】
図１に示す検出装置１００を構成した。レーザ発振器１、波長変換器２は、米国コンテニュアム社製ＯＰＯ励起用パルスＹＡＧレーザと光パラメトリック発振器を用い、自動的に波長可変できるように、手動のアクチュエータを取りはずし、自動のアクチュエータ２３と制御部２４を取り付けた。これにより、基本波の波長が自動で可変できるようにした。
波形整形部５２は、虹彩絞り２５を取り付け、回転制御板２６に７種類の減衰フィルタ３を取り付け、８種類の減衰量を制御できるようにし、これと、固定の減衰フィルタ３をあわせて、自動で減衰制御が行えるようにした。その出力に凸レンズ３７と凹レンズ３８を通し、ビーム径を対物レンズＯＬの開口径３ｍｍにあわせた。凹レンズ３８は、Ｘ−ステージ３１上に搭載され、自動でその位置を動かし、焦点位置補正ができるようになっている。
【００６２】
波長整形部５２を通過した光は反射ミラーＲＭを通して、Ｚ軸偏光子２７に入れられ、このＺ軸偏光子２７の位置決めは、ＸＹステージ２８を駆動し、スライド型反射ミラーＲＭ’を通して、減衰フィルタ３、偏光板４を通して撮像装置１８に導かれ、図１１（ｃ）に示すようなバタフライ形状が対称になるようにＺ軸偏光子２７の位置を調整した。その後、スライド型反射ミラーＲＭ’を駆動してダイクロックミラー３５を通して、対物レンズＯＬに入り、観察対象物に基本波が照射される。
【００６３】
対物レンズＯＬのＮＡは０．９で、ワーキングディスタンスは１．０ｍｍである。レンズには補正管がつけられ、カバーガラスの屈折率の補正ができるようになっている。
【００６４】
この対物レンズＯＬは、ピエゾステージ２９に搭載され、ピエゾステージ２９で、可動範囲２０μｍ、分解能５ｎｍが確保されている。このピエゾステージ２９はＺステージ３９に搭載され、駆動範囲２０ｍｍ、分解能０，５μｍが確保されている。この可動部と検出部は蛇腹（図示せず）で結合され、外光から遮断されている。
【００６５】
基本波によって発生したＳＨＧ光は、対物レンズＯＬで集光され、ダイクロックミラー３５で反射されて、検出部に導かれる。検出部は、バンドパスフィルタ１４と４５度傾けられたバンドパスフィルタ１４’、スライド型反射ミラーＲＭ’を通って光電子増倍管１５に導かれ、アンプ（図示せず）を通して積分器３４に伝達され、データとして出力される。
【００６６】
固有波長の特定は、次のようにして行った。まず、波長を掃引してＳＨＧ光を捉え、次にその波長で、回転制御板２６を駆動して、基本波の出力を変動させ、ＳＨＧ光が２乗特性にのるか否かを確認し、２乗特性に乗っている場合に、固有波長とした。図１５に固有波長の一例を示す。本データは、Ｃ６０のもので、５００ｎｍのところにある。ペンタセンの場合には４３０ｎｍの位置に存在している。これらの固有波長を利用することにより、特定の領域の有機デバイスの動的特性を取得することができる。
【００６７】
次に、有機太陽電池を例にとり、その界面の特定方法を示す。測定例では、電極基板上に、Ｃ６０、１００ｎｍ、ペンタセン１００ｎｍ、ＩＴＯ付カバーガラス５００μｍのものを用いている。まず、試料を装置にセットし、白色光源３２を照らし、Ｚステージ３９を駆動しながら、撮像装置１８で太陽電池表面を観察し、ピントがあった時点でＺステージ３９を止める。つぎに、カバーガラスの厚さが５００μｍであるため、Ｚステージ３９を下げ、補正管を動かし、そこでのピントが得られるようにする。
次に、ピエゾステージで対物レンズＯＬを２μｍ下げ、そこから５００ｎｍの基本波を出力し、Ｃ６０の出力を測定しながら、３μｍ上昇させる。次にもう一度、３μｍ下げ、今度は４３０ｎｍの基本波を出力し、３μｍ上昇させ、同一の測定を行う。次に、それぞれのデータを正規化し、その交差点から界面の位置を特定する。このような操作で特定されたＣ６０の厚さは１１０ｎｍであった。
【００６８】
ライフタイムの測定手順は次のように行われる。
制御信号出力部３０からは次のような信号が出力される。信号Ｓ１からスタート信号が出力され、励起光が“ＯＮ”となり、その信号が２４９．４７μｓで切断される。信号Ｓ２はＳ１信号の立ち上がりでトリガされ、２４５μｓ後に、ゲート信号の受け入れ可能状態となる。信号Ｓ３は２４９．３８μｓ後にトリガされるので、その後、１００ｎｓ後に基本波が出力される。したがって、励起光が切断されてから、１０ｎｓ後に基本波が出力されたことになる。光電子増倍管１５のゲート信号は、基本波出力前、２１５ｎｓの位置でＳ４が出力される。その手前、１０ｎｓの位置で積分器駆動用信号Ｓ５が出力され、ＳＨＧ光が取り込まれることになる。次のステップでは、Ｓ１に対し、Ｓ２，Ｓ３,Ｓ４,Ｓ５が１０ｎｓ遅延されて検出される。これを逐次行い、出力が励起しない状態と同一となる時間まで行われる。設定した１０ｎｓは、当然変更可能で、１０ｎｓから１０ｍｓ程度まで設定することができる。
【００６９】
上記の構成で、装置を駆動し、ペンタセンならびにＣ６０で構成された太陽電池の測定を行ったところ、ペンタセンのライフタイムとして４×１０−４ｓｅｃ、Ｃ６０のライフタイムとして、１．０×１０−３ｓｅｃの値を得ることができた。これらの値は、これまで測定されていない値であるため、その信頼性については、今後、つめていかなければならないが、いずれにしろ、本検出装置でこのようなパラメータを測定できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、有機半導体の動的特性である注入、蓄積、移動、発生、消滅過程を検出できる装置である。したがって、その応用範囲はエレクトロルミネッセンス、光起電力、キャリア輸送デバイスに応用でき、特に、発生、消滅過程の解析に応用できるため、エレクトロルミネッセンスの寿命の解析、光起電力の光電変換効率の解析、有機半導体の界面移動度に対する知見等、その応用範囲は広範囲にわたると考えられる。
特に、太陽電池の光電効率を向上させるには、構造、材料、プロセスからの検討が必要であるが、これまで、カットアンドトライで研究を進めていたものが、本検出装置で得られる情報が改良に当たっての大きな指標を与えるものと期待される。
【符号の説明】
【００７１】
１      レーザ発振器
２      波長変換器
３      減衰フィルタ
４      偏光板
５      ローパスフィルタ
１１    ステージ
１２    バンドパスフィルタ
１３    偏光板
１４    バンドパスフィルタ
１４’  バンドパスフィルタ
１５    光電子増倍管（ＰＭＴ）
１６    処理部
１７    レンズ
１８    撮像装置
１９    フラッシュランプ
２０    ロッド
２１    スイッチ素子
２２    結晶
２３    アクチュエータ
２４    制御部
２５    虹彩絞り
２６    回転制御板
２７    Ｚ軸偏光子
２８    ＸＹステージ
２９    ピエゾアクチュエータ（ピエゾステージ）
３０    制御信号出力部
３１    Ｘ−ステージ
３２    白色光源
３３    試料
３４    積分器
３５    ダイクロックミラー
３６    励起光源
３７    凸レンズ
３８    凹レンズ
３９    Ｚステージ
４０    処理部
５２    波形整形部
５３    Ｚ軸偏光部
１００    検出装置
ＯＬ  対物レンズ
Ｍ１  反射ミラー
Ｍ２  反射ミラー
ＨＭ１    ハーフミラー
ＨＭ２    ハーフミラー
ＲＭ    反射ミラー
ＲＭ’  スライド型反射ミラー
【図３】
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【図４】
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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１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図１１】
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【図１３】
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