(57)【要約】【課題】  耐熱性の低いサンプルであっても損傷を与えることなく、量子ドットと量子ドット近傍の半導体材料等のエネルギ準位の差を測定することのできるエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法を提供することを課題とする。【解決手段】  光源１の照射光を分光器３で掃引し、サンプル１００のピーク静電容量値を与える照射光の波長λ１を求める。次に、このλ１の照射光を照射した状態で、光源２の照射光を分光器４で掃引しながらサンプル１００に照射し、電流値がピークとなる波長λ２を求める。サンプル１００に含まれる量子ドットのエネルギ準位と、量子ドットに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位との差は、波長λ２の照射光の照射エネルギＥ２としても求まるため、エネルギ準位の正確な測定が可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギギャップを有する測定対象物質を含むサンプルに第１照射光又は第２照射光を照射する照射手段と、
前記サンプルに通流する電流値を検出する電流検出手段と、
前記サンプルの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
前記第１照射光と第２照射光の波長を掃引する掃引手段と、
前記掃引手段で波長を掃引しながら前記第１照射光を前記サンプルに照射し、前記静電容量検出手段によってピーク静電容量値が検出される波長において、前記掃引手段で波長を掃引しながら前記第２照射光を前記サンプルに照射し、前記電流検出手段によってピーク電流値が検出されるときの波長における照射エネルギを測定する測定手段と
を含む、エネルギ準位測定装置。
【請求項２】
前記測定手段は、前記サンプルに含まれる量子ドットのエネルギ準位と、前記量子ドットに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位の差として前記照射エネルギを測定する、請求項１に記載のエネルギ準位測定装置。
【請求項３】
前記照射手段は、光源と、前記光源の放出光を分光する分光器と、前記分光器の透過光の倍波長波を遮断するバンドパスフィルタとを含む、請求項１又は２に記載のエネルギ準位測定装置。
【請求項４】
エネルギギャップを有する測定対象物質を含むサンプルのエネルギ準位を測定する方法であって、
波長を掃引しながら前記サンプルに第１照射光を照射し、前記サンプルの静電容量値がピークになる波長を検出する工程と、
前記静電容量値がピークになる波長の第１照射光を前記サンプルに照射しつつ、波長を掃引しながら第２照射光を前記サンプルに照射し、前記サンプルに通流する電流値がピークになるときの波長を検出する工程と、
前記電流値がピークになる波長における前記第２照射光の照射エネルギを測定する工程と
を含む、エネルギ準位の測定方法。
【請求項５】
前記照射エネルギを測定する工程は、前記サンプルに含まれる量子ドットのエネルギ準位と、前記量子ドットに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位の差として前記照射エネルギを算出する工程である、請求項４に記載のエネルギ準位の測定方法。
準位の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギギャップを有するサンプルに内在するエネルギ準位を測定するエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体等のデバイスがナノメートルレベルになると、電子の量子閉じ込めの効果によって従前とは異なる動作特性が得られるため、量子ドットを用いたデバイスが着目されている。このような量子ドットを用いたデバイスの動作を正確に制御するためには、量子ドット内のエネルギ準位等を正確に測定する必要がある。
【０００３】
半導体等のエネルギ準位を測定するには種々の測定手法があるが、その中でも、量子ドット内に形成されるエネルギ準位（離散準位）と、量子ドットに近接又は隣接する絶縁層等の伝導帯とのエネルギ準位の差を測定するにはＤＬＴＳ（Deep  Level  Transient  Spectroscopy）が使用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２８２６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このＤＬＴＳでは、エネルギ準位を測定する際にサンプルの温度を掃引する必要があるが、このサンプル温度の掃引を利用して測定するため測定時間が長くなり、また、サンプル中の電子を熱励起するため耐熱性の低いサンプルの測定には適用できないという課題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、耐熱性の低いサンプルであっても損傷を与えることなく、量子ドットと量子ドットに近接又は隣接する絶縁層等とのエネルギ準位の差を測定することのできるエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面のエネルギ準位測定装置は、エネルギギャップを有する測定対象物質を含むサンプルに第１照射光又は第２照射光を照射する照射手段と、前記サンプルに通流する電流値を検出する電流検出手段と、前記サンプルの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記第１照射光と第２照射光の波長を掃引する掃引手段と、前記掃引手段で波長を掃引しながら前記第１照射光を前記サンプルに照射し、前記静電容量検出手段によってピーク静電容量が検出される波長において、前記掃引手段で波長を掃引しながら前記第２照射光を前記サンプルに照射し、前記電流検出手段によってピーク電流値が検出されるときの波長における照射エネルギを測定する測定手段とを含む。
【０００７】
また、前記測定手段は、前記サンプルに含まれる量子ドットのエネルギ準位と、前記量子ドットに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位の差として前記照射エネルギを測定してもよい。
【０００８】
また、前記照射手段は、光源と、前記光源の放出光を分光する分光器と、前記分光器の透過光の倍波長波を遮断するバンドパスフィルタとを含んでもよい。
【０００９】
本発明の一局面のエネルギ準位の測定方法は、エネルギギャップを有する測定対象物質を含むサンプルのエネルギ準位を測定する方法であって、波長を掃引しながら前記サンプルに第１照射光を照射し、前記サンプルの静電容量値がピークになる波長を検出する工程と、前記静電容量値がピークになる波長の第１照射光を前記サンプルに照射しつつ、波長を掃引しながら第２照射光を前記サンプルに照射し、前記サンプルに通流する電流値がピークになるときの波長を検出する工程と、前記電流値がピークになる波長における前記第２照射光の照射エネルギを測定する工程とを含む。
【００１０】
また、前記照射エネルギを測定する工程は、前記サンプルに含まれる量子ドットのエネルギ準位と、前記量子ドットに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位の差として前記照射エネルギを算出する工程であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、耐熱性の低いサンプルであっても損傷を与えることなく、量子ドットと量子ドットに近接又は隣接する絶縁層等とのエネルギ準位の差を測定することのできるエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法を提供できるという特有の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法を適用した実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態のエネルギ準位測定装置の構成を示す図である。このエネルギ準位測定装置の測定対象となるサンプル１００は、量子ドットに近接する半導体層を有する素子であればよく、例えば、量子ドットとなる半導体層の両側に絶縁層を介して第１半導体層及び第２半導体層が接続され、さらに第１半導体層及び第２半導体層に電極が接続された素子を用いることができる。
【００１４】
本実施の形態のエネルギ準位測定装置は、サンプル１００に光を照射するための光源１及び２、光源１及び２から照射される光を分光する分光器３及び４、サンプル１００の電極に接続するための可動式針であるプローブ５及び６、プローブ５及び６に測定用の電力を供給するための定電圧電源７、サンプル１００に通流する電流を測定するための電流計８、サンプル１００の静電容量を測定するための静電容量計９、測定系を電流計８又は静電容量計９のいずれかに切り替えるための切替器１０Ａ、１０Ｂ、及び、測定の際に必要な演算処理を実行する演算装置１１を含む。
【００１５】
光源１及び２は、紫外領域から赤外領域にわたって強力な連続スペクトルの光を照射できるものであればよく、例えば、照射波長が２００ｎｍ〜２０００ｎｍのキセノン（Ｘｅ）ランプを用いることができる。
【００１６】
分光器３及び４は、光源１及び２から出射される光を２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内で分光できる手段であればよく、例えば、モノクロメーターを用いることができる。また、分光器３及び４は、倍波長波を遮断するための光学フィルタとしてバンドパスフィルタ３Ａ及び４Ａを備える。このバンドパスフィルタ３Ａ及び４Ａとしては、透過波長帯域が３５０〜５００ｎｍ、４２０〜７００ｎｍ、及び７００〜１０００ｎｍのいずれかに切り替え可能なバンドパスフィルタを用いればよい。
【００１７】
プローブ５及び６は、サンプル１００の電極に接触することにより導通を取り、測定系とサンプル１００とで閉回路を形成するために用いられる可動式針である。プローブ５及び６を用いることにより、サンプル１００と測定系とを接着又は溶接等する必要がなくなり、測定を容易に行うことができる。
【００１８】
定電圧電源７は、サンプル１００に通流する電流値を電流計８で測定する場合と、静電容量を静電容量計９で測定する場合に、定電圧を供給できる電源であればよい。
【００１９】
電流計８は、サンプル１００に通流する電流値を測定するために用いられる計測器であり、光励起された電子がサンプル１００内を通流することによって得られる電流の値を計測できるように構成されていればよい。
【００２０】
静電容量計９は、サンプル１００の静電容量を測定するために用いられる計測器であり、サンプル１００の両電極間に電圧を印加することにより、サンプル１００内で電子が捕捉される電位を求めることにより、サンプル１００の静電容量値を計測できるように構成されていればよい。
【００２１】
切替器１０Ａ及び１０Ｂは、サンプル１００の電流値と静電容量値を測定する際に、測定系を電流計８又は静電容量計９のいずれか一方に切り替えるための切替器である。
【００２２】
演算装置１１は、図示しないバスを介して互いに接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを中心として構成されており、分光器３及び４とバンドパスフィルタ３Ａ及び４Ａの透過波長帯域の制御、電流計８及び静電容量計９の測定値を表すデータの記録処理、切替器１０Ａ及び１０Ｂの切替制御処理、及び、サンプル１００の量子ドットのエネルギ準位と、近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位との差を導出するための演算処理を行う。
【００２３】
このようなエネルギ準位測定装置において、サンプル１００の電流値を測定する場合には、演算装置１１は電流計８から出力される電流値を表すデータを照射光の波長と対応付けて内部メモリ（ＲＡＭ）に記録する。また、サンプル１００の静電容量値を測定する場合には、演算装置１１は、静電容量計９から出力される静電容量値を表すデータを照射光の波長と対応付けて内部メモリ（ＲＡＭ）に記録する。
【００２４】
図２は、本実施の形態のエネルギ準位測定装置の測定原理を説明するための概念図である。この図では、説明の便宜上、サンプル１００のバンド構造を示す。また、電流計８及び静電容量計９は直列接続されている形態を示す。なお、演算装置１１は図示を省略する。
【００２５】
サンプル１００は、量子ドットとなる半導体層Ａの両側に絶縁層を介して第１半導体層及び第２半導体層が接続された構造を有する。第１半導体層と第２半導体層は同一の半導体層であり、ともにホスフィン（Ｐ）が注入されたｎ型半導体層であるものとする。このようなサンプル１００のバンド構造は図２に示すようになり、第１及び第２半導体層の伝導帯と価電子帯との間のエネルギギャップはＥｇ（ｅＶ）である。また、量子ドットのエネルギ準位（離散準位）は、第１及び第２半導体層の伝導帯の底よりもＥ１（ｅＶ）だけ高いエネルギ準位を有する。なお、絶縁体の伝導帯は、図２に示す通り、第１及び第２半導体層の伝導帯の底よりも十分高い準位になっている。
【００２６】
ここで、図３を用いて本実施の形態のエネルギ準位測定装置において、サンプル１００に含まれる量子ドットのエネルギ準位と、この量子ドットに近接する第２半導体層のエネルギ準位との差を測定する方法について説明する。
【００２７】
図３は、本実施の形態のエネルギ準位測定装置の演算装置１１が実行する測定処理の手順を示す図である。また、図４は、本実施の形態のエネルギ準位測定装置の測定処理において導出される特性を表す図であり、（ａ）は照射光のエネルギからＥｇを差し引いた値に対する静電容量値の特性、（ｂ）は照射光のエネルギに対する電流値の特性を示す。なお、図４の横軸は、振動数（ν＝ｃ／λ：ｃは光の速度（ｍ／ｓ）、λは波長（ｍ））にプランク定数（ｈ）を乗じた値（エネルギ値（ｅＶ））として表す。
【００２８】
プローブ５及び６をサンプル１００の電極１００Ａ及び１００Ｂに当接させた状態において処理が開始されると、演算装置１１は、プローブ５、６間に印加する電圧値を設定する（ステップＳ１）。ここで印加する電圧の値は、サンプル１００の種類や耐圧特性等を考慮して最適な値に設定すればよい。
【００２９】
次いで、演算装置１１は、光源１を点灯し、分光器３の分光範囲（透過波長領域）とバンドパスフィルタ３Ａの透過帯域を設定する（ステップＳ２）。このとき、演算装置１１は、分光器３を透過する光の波長の倍波長波がバンドパスフィルタ３Ａによって遮断されるように、バンドパスフィルタ３Ａの透過帯域を３５０〜５００ｎｍ、４２０〜７００ｎｍ、及び７００〜１０００ｎｍのいずれかに設定する。
【００３０】
演算装置１１は、ランプ１から出射される光を波長の長い方から徐々に短くなるように分光器３を掃引する（ステップＳ３）。これにより、ランプ１から出射される光の波長が赤外領域（２０００ｎｍ）から紫外領域（２００ｎｍ）に掃引されながらサンプル１００に照射される。なお、分光器３を掃引する際には、バンドパスフィルタ３Ａの透過帯域も同時に掃引される。
【００３１】
演算装置１１は、波長を掃引した際における波長と静電容量値とを対応付けたデータをＲＡＭに記録する（ステップＳ４）。このデータは、図４（ａ）に示すような波長と静電容量値との関係を示す特性を表すデータである。
【００３２】
次いで、演算装置１１は、ＲＡＭに記録されたデータから、ピークとなる静電容量値を検出できるか否かを判定する（ステップＳ５）。これは、図４（ａ）に示すような特性が得られればピーク静電容量値Ｃ１を検出することができるが、例えばノイズ等に埋もれてピーク静電容量値を検出できない場合は、手順をステップＳ１にリターンさせ、印加電圧値を変更して静電容量値の検出処理を繰り返すことになる。
【００３３】
演算装置１１は、ステップＳ５においてピーク静電容量値Ｃ１を検出した場合には、ピークの静電容量値Ｃ１を得る波長λ１を検出し、この値を表すデータを内部メモリ（ＲＡＭ）に記録する（ステップＳ６）。
【００３４】
このときの状態を図２で説明すると、定電圧電源７から負バイアスが印加されているプローブ６側に接続されている第２半導体層の価電子帯内に存在する電子が、絶縁層との境界側に移動し（矢印（１））、さらに、分光器３及びバンドパスフィルタ３Ａを介して光源１から出射される光によって励起されることにより伝導帯に遷移し（矢印（２））、量子ドット内に捕捉されている状態（矢印（３））に相当する。
【００３５】
量子ドットは、サンプル１００の内部において最も電子が捕捉され易い部位であるため、上述のように静電容量値がピークになるときの照射光の波長λ１を求めることにより、伝導帯の底から量子ドットのエネルギ準位までの差（ｈν１−Ｅｇ）を求めることができる。なお、λ１＝ｃ／ν１であるため、ピークの静電容量値を与える照射光のエネルギはＥ１＝ｈν１と求まる。
【００３６】
次に、演算装置１１は、分光器３及びバンドパスフィルタ３Ａの透過波長帯域を制御し、サンプル１００に波長λ１の光が照射されるように設定する（ステップＳ７）。これにより、伝導帯内の電子は矢印（３）で示すように、量子ドットの内部に捕捉された状態となる。
【００３７】
演算装置１１は、光源２を点灯し、分光器４の分光範囲（透過波長領域）を設定する（ステップＳ８）。
【００３８】
演算装置１１は、ランプ２から出射される光を波長の長い方から徐々に短くなるように分光器４を掃引する（ステップＳ９）。これにより、ランプ２から出射される光の波長が赤外領域（２０００ｎｍ）から紫外領域（２００ｎｍ）に掃引されながらサンプル１００に照射される。なお、分光器４を掃引する際には、バンドパスフィルタ４Ａの透過帯域も同時に掃引される。
【００３９】
演算装置１１は、波長を掃引した際における波長と電流値とを対応付けたデータをＲＡＭに記録する（ステップＳ１０）。このデータは、図４（ｂ）に示すような波長と電流値との関係を示す特性を表すデータである。
【００４０】
次いで、演算装置１１は、ＲＡＭに記録されたデータから、ピーク電流値を検出できるか否かを判定する（ステップＳ１１）。これは、図４（ｂ）に示すような特性が得られればピーク値Ｉ１を検出することができるが、例えばノイズ等に埋もれて電流値のピーク値を検出できない場合は、手順をステップＳ１にリターンさせ、印加電圧値を変更して静電容量値の検出処理を繰り返すことになる。
【００４１】
演算装置１１は、ステップＳ１１において電流値のピーク値Ｉ１を検出した場合には、図４（ｂ）に示すように、ピークの電流値Ｉ１を得る波長λ２を算出する（ステップＳ１２）。
【００４２】
次いで、演算装置１１は、ピーク電流値を与える照射光の波長λ２を用いて、そのときの照射エネルギＥ２を算出する。エネルギＥ２（ｅＶ）は、Ｅ２＝ｈν２で表され、ν２＝ｃ／λ２であるため、これによりエネルギＥ２（ｅＶ）を求めることができる。このようにして求めるのは、量子ドットがサンプル１００内で捕捉中心となることから、光源２の照射光によって光励起された電子が流れることによって検出される電流値がピークとなる波長λ２の照射エネルギＥ２が量子ドットのエネルギ準位と、これに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位との差と考えられるためである。
【００４３】
すなわち、このときの状態を図２で説明すると、量子ドット内に捕捉されている（矢印（３）の状態の）電子が分光器４及びバンドパスフィルタ４Ａを介して光源２から照射される光によって励起される（矢印（４））。電流値が最も高くなるのは、励起された電子が絶縁層の伝導帯の底に達したときであるため、電流値Ｉがピーク（Ｉ１）になる照射光の波長λ２を求めれば、その波長λ２によって得られる照射エネルギが量子ドットのエネルギ準位と、絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位との差に相当するため、Ｅ２（ｅＶ）として測定することができる。
【００４４】
絶縁層の伝導帯の底に到達した電子は電界により移動し（矢印（５））、さらに、伝導帯の底を移動して電極を伝わってプローブ５に流入する（矢印（６）、（７））。
【００４５】
このように、ピーク電流値を与える照射光のエネルギＥ２（ｅＶ）を求めることにより、量子ドットから光励起して絶縁層の伝導帯の底に達するまでのエネルギ準位の差（量子ドットとエネルギ準位と、絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位との差）を検出することができる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態のエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法によれば、光源１からの光照射下においてサンプル１００のピーク静電容量値を与える波長λ１を求めることによって量子ドットのエネルギ準位を測定し、その上で光源１及び２からの光照射下においてサンプル１００のピーク電流値を与える波長λ２を求める。サンプル１００に含まれる量子ドットのエネルギ準位と、量子ドットに近接又は隣接する絶縁層の伝導帯の底のエネルギ準位との差は、波長λ２の照射光の照射エネルギＥ２として正確に求まるため、従来のように、サンプル温度を掃引する必要がなく、また、ピーク静電容量値を求めることによって量子ドットのエネルギ準位を正確に求めることができるので、量子ドットと量子ドットに近接又は隣接する絶縁層等とのエネルギ準位の差を測定することのできるエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法を提供することができる。
【００４７】
このため、例えば、図２に破線の矢印（８）及び（９）で示すように、光源１から照射される光によって二度励起されたような電子による電流はピーク電流とはならないため、本実施の形態の測定手法によれば、このようなエネルギ準位を誤検出することが抑制される。
【００４８】
以上では、ピーク静電容量とピーク電流値を測定し、これらの測定値を用いてサンプル１００内のエネルギ準位を測定する手法について説明したが、これらのピーク値の求め方は、特性の最大値を求める手法に限定されるものではなく、サンプル１００に印加する電圧値を変更しながら複数回測定した結果からピーク値の平均値を求める手法や、複数の測定結果に対して最小二乗法を用いて最終的なピーク値を求める手法を用いてもよい。
【００４９】
以上、本発明の例示的な実施の形態のエネルギ準位測定装置及びエネルギ準位の測定方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施の形態のエネルギ準位測定装置の構成を示す図である。
【図２】本実施の形態のエネルギ準位測定装置の測定原理を説明するための概念図である。
【図３】本実施の形態のエネルギ準位測定装置の演算装置１１が実行する測定処理の手順を示す図である。
【図４】本実施の形態のエネルギ準位測定装置の測定処理において導出される特性を表す図であり、（ａ）は照射光のエネルギに対する静電容量値の特性、（ｂ）は照射光のエネルギに対する電流値の特性を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１、２  光源
３、４  分光器
３Ａ、４Ａ  バンドパスフィルタ
５、６  プローブ
７  定電圧電源
８  電流計
９  静電容量計
１０Ａ、１０Ｂ  切替器
１１  演算装置
１００  サンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009188233.tif 000005
【図４】
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