JPH02216435A - 時間分解分光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、種々の物質、特に半導体の発光命令について
分光計測を行うための方法に関する。

〔従来の技術〕

Ｉｎ５（１０””秒）以下の時間幅を有する光パルスを
用いた高速の発光過程の計測測定は、種々のデバイス材
料の品質の評価について知見を得る上で非常に有用であ
り、近年急速に普及しつつある。このような測定におい
ては、通常ｉｎｓ以下の時間幅とともに高速の微弱光検
出系を用いる必要がある０代表的な例としては、光パル
スとして、モード周期レーザやパルス電流励起半導体レ
ーザから発生するｐｓ（１０”秒）領域の時間幅を有す
るレーザパルスを用い、高速微弱光検出系としてストリ
ークカメラまたは単一光子計数系を用いるものがある。

このような高速の発光計測システムおよび発光計測の具
体的方法については、例えば、フォークエト（Ｆｏｕｑ
ｅｔ　）　、バーンハム（Ｂｕｒｎｈａｍ　）によるア
イトリプルイー　ジャーナル・オブ・カランタム・エレ
クトロニクス（ＩＥＥＥ、　Ｊ、ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ　）誌の１９８６年ＱＥ−２２巻、９
号の１７９９頁〜１８１０頁にわたって掲載された論文
の中に詳しい記述がある。この論文の中ではモード同期
したクリプトンイオンレーザと音響光学シャッターの組
み合わせによって８２０ｋＨｚで繰る返される約２５０
ｐｓの光パルスを用いてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井
戸の試料を励起し、この試料からの発光を高速の光子計
数装置を用いて時間分解測定を行っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した測定方法の大きな問題点は、１μｍ以上の波長
で十分に高速かつ十分な感度を有する光検出素子がない
ために測定する発光の波長領域が３００〜９０Ｏｒ＋ｍ
程度に限定されることである。

本発明の目的は、上述した従来の計測方法の欠点を除去
し、１μｍ以上の長波長の発光についても時間分解測定
が可能な発光計測方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前述の問題点を解決するために本発明が提供する時間分
解分光方法は、発光物質に２つの光パルスをこの光パル
ス間に時間遅延を設けて同一場所に照射し、該発光物質
からの発光を時間積分して検出した信号を前記時間遅延
を変化させつつ測定することを特徴としている。

〔作用〕

本発明では、発光物質からの発光強度が励起光強度に対
して非線形性を有することを利用する。

このような特性は多くの物質について見られるものであ
るが、特にドーピングをしない半導体の場合に著しい。

例えば室温で発光が高速で減衰する多くの場合は、非発
光再結合によって半導体内の光励起キャリアが消滅する
割合が非常に大きい。

この時光励起キャリア密度に比べてドーピング濃度が十
分に小さければ、発光強度は励起光強度の２乗に比例す
る特性を持つ。また、励起光を短い光パルスとした場合
に、時間積分した発光強度についても同様のことが言え
る。

この特性を利用すると、例えば２つに分割した光パルス
を、相互に時間遅延を持たせた後再度重ね合わせて半導
体試料に照射した際の発光を時間積分して観測した場合
、その強度は時間遅延がゼロの時に最大となり、時間遅
延が大きくなるに従って減少する。光パルスの時間幅が
発光寿命に比べて十分短かければ、発光寿命は時間遅延
による強度変化の特性から直接的に求められる。この際
、重要なことは観測するのは時間積分した発光強度であ
るので高速の光検出器を要しない点である。それ故高速
でなくとも感度の高い光検出器を用いれば赤外域の長波
長でも実質的に高速度で発光の時間変化を測定できる０
発光強度が励起光強度の２乗に比例する場合、光パルス
を各々１／２の強度に２分割して試料表面上でビームを
重ね合わせて発光を観測すると、時間積分した発光強度
Ｉ（τ）は、時間遅延でと Ｉ　（τ）戊（１＋ｅｘＰ　（−ｌ　ｒτｌ　）　）の
ような関係になることが計算される。ここにγは発光の
寿命の逆数を表わす。それ散発光強度のτに対する依存
性の測定結果からただちに発光寿命を求めることができ
る。試料が半導体の場合には、１／γが励起キャリアの
寿命を示す。

〔実施例〕

この発明の実施例について図面を参照しながら詳細な説
明を行う。

第１図は、本発明を適用した時間分解分光の一実施例の
模式的構成を示している。入射光パルス１１をビームス
プリッタ１２により半分の強度ずつ２分割し、２分割さ
れた光パルスはミラー１３およびミラー１４で垂直に反
射され、さらに再びビームスプリッタ１２によってそれ
ぞれの半分の強度が下方に反、射されて光路的に重ね合
わせられて励起光パルス１５となる。この際ミラー１３
またはミラー１４のいずれかを光パルスの入射方向に沿
って前後に動かすことにより重ね合わせられた２つの励
起光パルス１５間に時間遅延１６を持たせることができ
る。励起光パルス１５はダイクロイックミラー１７を通
り抜けた後レンズ１８によって試料１９に集光照射され
る。試料１つがらの発光はレンズ１８によってコツメー
トされダイクロイックミラー１７によって反射されて信
号光２０となり、これが光検出器２１によっ″Ｃ電気信
号に変換され、その後電気信号は時間平均して電圧また
は電流として測定される。

本実施例では、入射光パルス１１として、パルス電流で
駆動したＡＪ２ＧａＡｓダイオードレーザからのパルス
幅約Ｌｏｏｐｓ、波長的８３０ｎｍの光パルスをレンズ
でコリメートして用いた。また、試料１９としては、波
長１．５〜１．６μｍの赤外光を測定する目的で、ｒｎ
Ｐ上にエピタキシャル成長したＩ　ｎＧａＡｓ薄膜を用
いた。さらに光検出器２１としては、応答速度がＬｏｐ
ｓ程度のＧｅ光検出器を用いた。

第２図は、第１図の構成による測定結果の例であり、発
光強度非線形層間曲線３１はＩ　ｎＧａＡｓ薄膜からの
発光強度の時間遅延依存性を示している。この測定結果
から、試料の発光寿命は約１．２ｎｓであることが分っ
た。

本実施例では、波長１．５〜１．６μｍの発光を測定す
る目的で光パルスの光源、被測定試料および光検出器の
選択を行ったが、本発明はこの組み合せに限定されるも
のではなく、様々な発光材料の発光波長に応じて、励起
光パルス波長およびその光源、さらに光検出器と選べば
良いことは明らかである。

また、材料の持つ励起光強度に対する発光強度の非線形
性についても、２乗依存性である必要はなく、線形から
はずれているあらゆる場合′について本発明は適用可能
である。また、一般的に、時間遅延を持った２つの励起
光パルスが同一光源からの光パルスを２分したものであ
る必要はなく、波長１強度ともに異なっていても良い、
これらの種々の条件のもとての測定の際に重要なのは、
時間遅延に対する発光強度の変化を解析的に予測し、こ
の予測に基づいて測定データから発光寿命を求める必要
があることである。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明を用いれば高速の光検出器
を必要とせずに、発光物質の発光寿命を高速に測定する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した時間分解分光測定の一実施
例の模式的構成を示す図である。また、第２図は、第１
図の構成によって測定された、ＩｎＧａＡｓｆｉｌｌＫ
からの発光の強度の時間遅延に対する依存性を示す図で
ある。 １１・・・入射光パルス、１２・・・ビームスプリッタ
、１３・・・ミラー、１４・・・ミラー、１５・・・励
起光パルス、１６・・・時間遅延、１７・・・グイクロ
イックミラー　１８・・・レンズ、１９・・・試料、２
０・・・信号光、２１・・・光検出器、３１・・・発光
強度非線形相関曲線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　発光物質に２つの光パルスをこの光パルス間に時間遅
   延を設けて同一場所に照射し、該発光物質からの発光を
   時間積分して検出した信号を前記時間遅延を変化させつ
   つ測定することを特徴とする時間分解分光方法。