WO2012111093A1 - キャリア寿命の測定方法および測定装置 - Google Patents

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    • G01R31/2656—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation

Definitions

  • the present invention relates to a measurement method and a measurement apparatus capable of measuring the carrier lifetime in a material by obtaining light (luminescence) emitted when the material is excited.
  • luminescence light As a means for obtaining luminescence light, light from a laser, an electroluminescence method in which carriers (electrons or holes) are electrically injected into a material, and light emission from a process in which the injected electrons and holes are recombined is observed There is a photoluminescence method of exciting electrons by
  • the injected electrons and excited electrons emit light and disappear when they combine with holes with a certain probability and time.
  • the average time until this disappearance is called carrier lifetime.
  • the characteristics of the luminescence light depend on the type and concentration of crystal defects and impurities in the crystal, and the state of the material can be examined by the luminescence light.
  • the electrical energy generated in the semiconductor means excited electrons (carriers) excited by light.
  • the information obtained by the electroluminescence method or the photoluminescence method is related to the excited electrons, which is closely related to the operation mechanism of the solar cell.
  • the carrier lifetime is greatly affected by the type and concentration of defects and impurities in the crystal.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor inspection method and inspection apparatus. Although the method described in this document achieves high-speed operation, it does not evaluate the carrier life but merely compares the intensity distribution of the luminescence light in a bias state. Since this method performs luminescence evaluation while applying a bias to the electrode on the wafer, it requires wiring and becomes contact evaluation, so inspection can not be performed without contact, and the wafer being manufactured is contaminated. There is a concern that
  • Patent Document 2 there is a method of obtaining the carrier lifetime of a material by a time correlation single photon counting method or a streak camera method.
  • the time correlation single photon counting method is a method of directly measuring a waveform that attenuates for single photons, but it takes a long time to create a histogram and it is difficult to measure multiple points on a wafer. Also, the streak camera method is very expensive.
  • the carrier life can not be measured, and the type and concentration of defects calculated from the carrier life can be evaluated. It is not the current situation.
  • the measuring apparatus is very expensive, and it takes time to perform measurement, which increases the cost of measurement, and performs measurement of a large number of points such as map measurement and the like. could not get.
  • the present invention devises a method of observing light emitted from a material without contacting the material, and a method and apparatus for measuring the carrier life that can obtain information on the life of the energy carrier at low cost and at high speed. It is intended to be provided.
  • Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for measuring carrier life that can determine the distribution of carrier life in a material such as a semiconductor.
  • a method of measuring carrier lifetime is a method of applying excitation to a material and detecting light emitted from the material: Excite the material so that the excitation time is repeated at intervals Separating the light emitted from the material at the excitation time and the attenuated light emitted subsequently to the end of the excitation time within a measurement time of a length that includes multiple excitation times, A plurality of separated attenuated light beams are accumulated and detected within the measurement time, and the life of the carrier is measured based on the intensity of the accumulated detected light beams.
  • the method of measuring the carrier lifetime of the present invention separates the attenuated light from the light emitted at the excitation time by acquiring the light emitted from the material simultaneously with or after the end of the excitation time. Alternatively, by acquiring light emitted from the material from the middle of the excitation time, the light emitted at the excitation time is separated from a part of the light and the attenuated light.
  • the method of measuring the carrier lifetime of the present invention is to pass excitation generated from an excitation source to a modulator on the excitation side to give excitation to a material so that the excitation time is repeated at intervals.
  • excitation is generated intermittently from the excitation source to give excitation to the material such that the excitation time is repeated at intervals.
  • light emitted from a material is allowed to pass through the modulator on the light receiving side to separate attenuated light from light emitted at the excitation time, and a light receiving device having an exposure time corresponding to the measurement time , To accumulate and detect a plurality of attenuated lights.
  • a light receiving device capable of intermittently receiving light emitted from the material, the attenuation light is separated from the light emitted during the excitation time, and a plurality of attenuation lights are accumulated and detected within the measurement time.
  • the light receiving device is an array of a plurality of light receiving elements, and each light receiving element accumulates and detects a plurality of attenuated lights.
  • each light receiving element accumulates and detects a plurality of attenuated lights.
  • attenuated light emitted from an area of a certain area of material is simultaneously obtained by each light receiving element, and the position and carrier life in the area
  • the acquisition line is moved to obtain a certain area of the material. It is possible to obtain information about the position in the region and the carrier lifetime.
  • excitation of a plurality of frequencies is given to a material, detection light storing attenuation light emitted from the material in excitation of each frequency is acquired, and the detection is performed according to increase of modulation frequency. It is possible to quantify and measure the carrier lifetime from the frequency at which the light intensity increases nonlinearly. Furthermore, it is possible to quantify and measure the lifetime component of the carrier by removing the component of the light emission intensity from the ratio of the intensities of the detection light obtained by excitation of different frequencies.
  • the intensity of the detection light obtained by accumulating the attenuating light and the light emitted from the material are continuously detected. From the ratio to the intensity of the detected light, it is possible to remove the component of the emission intensity and quantify and measure the lifetime component of the carrier.
  • the excitation applied to the material is modulated with different waveforms to obtain the detection light accumulated attenuation light emitted from the material in the excitation of each modulation waveform, and the ratio of the intensities of the detection light obtained by modulation of the different waveforms
  • the light emitted from the material is modulated with waveforms of phases different from each other, the attenuating light is accumulated and detected detection light is acquired, and the ratio of the intensity of the detection light obtained by modulation of different phases is emitted. It is also possible to remove strong components and quantify and measure the lifetime components of the carrier.
  • the duty ratio of the interval for giving excitation to the material to the excitation time and the duty ratio of the separation time for separating the attenuation light from the light emitted at the excitation time and the separation time interval are different, and the duty is different. It is possible to remove the component of the light emission intensity and quantify and measure the lifetime component of the carrier from the ratio of the intensity of the detection light obtained by accumulating the attenuation light at the ratio.
  • the excitation given to the material is excitation light.
  • the excitation applied to the material is the excitation power.
  • the device for measuring carrier lifetime is a device for applying excitation to a material and detecting light emitted from the material:
  • An excitation device that provides the material with excitation that is repeated at intervals of excitation time;
  • the light emitted from the material at the excitation time and the attenuated light emitted subsequently to the end of the excitation time are separated within a measurement time of a length including a plurality of excitation times, and a plurality of separated lights are separated within the measurement time.
  • a detector for accumulating and detecting the attenuating light is a device for applying excitation to a material and detecting light emitted from the material:
  • An excitation device that provides the material with excitation that is repeated at intervals of excitation time;
  • the light emitted from the material at the excitation time and the attenuated light emitted subsequently to the end of the excitation time are separated within a measurement time of a length including a plurality of excitation times, and a plurality of separated lights are
  • the excitation device has an excitation source and an excitation-side modulation device that modulates the excitation emitted from the excitation source so that the excitation time is repeated at intervals.
  • the excitation device has an excitation source that emits excitation so that the excitation time is repeated at intervals.
  • the excitation source is a light emission source, or the excitation source is a generation source of excitation power.
  • the detecting device separates the light emitted from the material into the light emitted during the excitation time and the attenuating light, and a plurality of the devices within the exposure time corresponding to the measurement time.
  • a light receiving device for accumulating and detecting the attenuated light is there.
  • the detection device separates the attenuated light from the light emitted at the excitation time by acquiring the light emitted from the material simultaneously with or after the end of the excitation time. is there.
  • the detection device separates the light emitted at the excitation time and the part of the light and the attenuated light by acquiring the light emitted from the material from the middle of the excitation time.
  • the light receiving device may be one in which a plurality of light receiving elements are arrayed, and each light receiving element may be configured to accumulate and detect a plurality of attenuated lights.
  • the light receiving device has a plurality of light receiving elements arranged in a two-dimensional array, and the respective light receiving elements acquire attenuation light emitted from a region of a certain area of the material, and the light receiving device It is possible to obtain information on the internal position and carrier life.
  • the light receiving device has a plurality of light receiving elements arranged in a row, and has a transfer device for relatively moving the light receiving device and the material in a direction intersecting the row, Attenuating light emitted from the material is simultaneously obtained by the light-receiving element of the light source, and the acquisition line is moved to obtain information on the position and carrier life in the area of a certain area.
  • a wavelength filter is provided between the material and the detection device, or a polarization filter is provided between the material and the detection device. is there.
  • the carrier lifetime measuring device of the present invention is provided with an excitation device that changes the frequency of excitation given to the material,
  • a discrimination unit is provided which removes the component of the light emission intensity and quantifies and measures the life component of the carrier from the ratio of the intensity of the detection light acquired by the detection device when excited at different frequencies. it can.
  • an excitation device is provided to repeatedly give excitations given to the material at intervals of the excitation time, The intensity of the detection light acquired by the detection device when excitation is applied to the material so that the excitation time is repeated at intervals, and the detection light obtained by continuously detecting the light emitted from the material by the detection device From the ratio to the intensity, it can be configured as a discriminator configured to remove the component of the light emission intensity and quantify and measure the lifetime component of the carrier.
  • a detection device which modulates the excitation applied to the material with different waveforms and stores and detects the attenuated light emitted from the material at the excitation of each modulated waveform, It can be configured as provided with a determination unit that removes the component of the light emission intensity from the ratio of detection intensities obtained by modulation of different waveforms and quantifies and measures the life component of the carrier.
  • a detection device which modulates the light emitted from the material with waveforms of phases different from one another to accumulate and detect the attenuated light, It can be configured as provided with a determination unit that removes the component of the light emission intensity from the ratio of detection intensities obtained by modulation of different phases and quantifies and measures the lifetime component of the carrier.
  • the excitation device which makes the duty ratio of the interval which gives excitation to the material and the excitation time differ, the duty ratio of the separation time when separating the light emitted from the excitation time and the attenuation light and the interval of this separation time is different.
  • a detection device to A discrimination unit which removes the component of the light emission intensity and quantifies and measures the life component of the carrier from the ratio of the intensity of the detection light obtained by accumulating the attenuation light at different duty ratios. It can be configured.
  • the present invention can obtain information on the lifetime of the carrier in the material by observing the light emitted from the material without contacting the material.
  • the present invention is also capable of determining the distribution of carrier lifetimes within a given area of material.
  • Diagram showing the intensity of light emitted from the material during the excitation period Diagram showing the decay curve of the emission due to the carrier lifetime in the material, A diagram showing the change in intensity of light emitted from a material when the material is excited with a rectangular wave, An explanatory view of a measuring method and measuring apparatus for applying a modulated excitation to a material and modulating and detecting light emitted from the material with a phase opposite to that of the excitation, A diagram showing the modulation of the excitation applied to the material, the modulation of the light emitted from the material and the intensity change of the separated attenuated light when using the measuring device shown in FIG.
  • Diagram showing the relationship between the ratio of detection light obtained at different frequencies and the carrier life
  • a diagram showing the characteristics of the material used in the simulation, in which the light emission intensity and the carrier lifetime fluctuate at each position of the X coordinate, Indicates the modulation of excitation applied to the material, the modulation of light emitted from the material, and the change in intensity of the separated attenuated light when switching the modulation frequency of excitation applied to the material and the modulation frequency of light emitted from the material Diagram, The variation characteristics in the X coordinate of the intensity of detection light obtained by modulation of each frequency shown in FIG.
  • Diagram 10 and the variation characteristic in the X coordinate of the ratio of detection output obtained by modulation of different frequencies are compared Diagram, A diagram showing the intensity of detection light detected continuously from the material when the material is subjected to continuous excitation, A diagram showing a change in intensity of light emitted from a material and a change in intensity of separated attenuated light when the modulation on the excitation side and the modulation on the light reception side are trapezoidal waveforms.
  • Line diagram A diagram showing the relationship between the carrier lifetime and the ratio of detection light obtained by modulation of a trigonometric function waveform and at different frequencies.
  • a diagram showing the relationship between the ratio of detection light obtained by modulation of different phase differences and the carrier life A diagram showing a change in intensity of light emitted from a material and a change in intensity of separated attenuated light when modulation is performed with waveforms having different duty ratios.
  • the present invention evaluates a material by detecting light (luminescence) emitted from the material such as a semiconductor.
  • various levels such as a conduction band or a non-emitting center, an impurity level, a defect induced level, and the like based on the energy of electrons exist.
  • carrier lifetime occurs in the process of recombining with holes and disappearing with a certain probability.
  • the energy of the excited electrons is converted to light, and it is converted to lattice vibration and transmitted to the material as heat.
  • the light emission characteristics at this time reflect the electronic structure unique to the crystal and various defects.
  • the carrier life becomes short. Therefore, it is important to measure the carrier lifetime in order to know the defect status and purity of the material.
  • Crystals for solar cells need to have fewer defects.
  • defect density is high, excited electrons (electrical energy) generated by irradiation of sunlight are captured by defect levels and converted to heat or re-emitted, and can not be extracted as electrical energy.
  • power generation occurs when carriers generated in the light receiving section of the solar cell reach the electrodes, but power generation can not be performed if the electrodes do not exist within the diffusion distance derived from the carrier life. Therefore, if the carrier lifetime is long, the electrode arrangement density can be reduced and the light receiving area can be increased.
  • the solar cell characteristics are successively determined in the process of manufacturing or processing the light receiving part (power generation part) itself and the inspection process in each process. I can know. For example, it is necessary to form a pn junction to be a light receiving part with high quality, but for a manufacturing process that can not be reprocessed, such as ion implantation / annealing or growth of conductive crystals, the carrier life is By measuring, the quality as a solar cell can be evaluated before the whole process is completed.
  • the measuring method and measuring apparatus of the present invention measure luminescent light (emission of light from a material) in a noncontact manner to determine the carrier lifetime of the material at high speed and at low cost. Therefore, it is characterized in that the light emission during excitation and the light emission after excitation are measured separately or separately. Furthermore, it is characterized in that the light emission repeatedly separated is accumulated and recorded.
  • the carrier lifetime is evaluated by photoluminescence.
  • Photoluminescence is a concept of a process in which excited electrons excited by light emit light when they recombine with holes.
  • the excitation and light emission in the present invention are not limited to photoluminescence, and can be implemented by electroluminescence or the like.
  • FIG. 1 shows luminescence light when excitation light is applied continuously to a wafer such as silicon (Si) for a predetermined time, and the horizontal axis is time, and the vertical axis is the light emission size.
  • the magnitude of the luminescence light by excitation of the continuous light is A CW P.
  • a CW is the excitation intensity
  • P is the light emission probability (frequency).
  • the hatched area in FIG. 1 corresponds to a value A CW PT m obtained by integrating the light emission magnitude with the measurement time, with the time T m as the measurement time.
  • FIG. 2 shows the relationship between light emission and carrier lifetime when excitation light is given to a semiconductor material such as silicon, the horizontal axis is time, and the vertical axis is the light emission size.
  • the probability distribution of the emission becomes an exponential decay curve.
  • the excitation light is a delta function of the amplitude A ⁇
  • the decay curve of the light emission probability is expressed by APe ⁇ t / ⁇ (e is a natural number).
  • the above ⁇ is a parameter of carrier lifetime. That is, the time ⁇ required for the initial light emission to decrease to 1 / e can be evaluated as a carrier lifetime parameter.
  • FIG. 3 shows the relationship between the magnitude of light emission from a material and time when a steep pulse of excitation light is given to the material.
  • the change in the magnitude of light emission is indicated by a thick solid line.
  • the magnitude of the light emission shows a characteristic that rises in a curve as time passes, and after the fall of the excitation light, the intensity of light emission decays in a curve like time Show the characteristics.
  • the area of the hatched region in FIG. 3 is a integrated integration value of the emission magnitude at time time width T P of the excitation light pulse, the amplitude and A P, the integral value of the light emission and PT P A P become.
  • the light emission at this time is a state in which the light emission probability (frequency) P and the carrier life are mixed without being distinguishable from each other, and the integral value is not the one in which only the information of the carrier life is extracted.
  • the decay curve of the light emission after the fall of the pulse of the excitation light has the convolution characteristic of APe ⁇ t / ⁇ shown in FIG. 2 and includes the parameter ⁇ of the carrier lifetime.
  • the present invention is intended to evaluate the carrier life by separately acquiring the attenuated light which attenuates following the falling of the excitation pulse in FIG.
  • the decay time of the light emission after the fall of the pulse is extremely short, it is necessary to have a light receiving device that responds extremely fast in order to acquire only the separated attenuated light.
  • the attenuating light is weak, in order to obtain the attenuating light, it is necessary to repeatedly acquire the attenuating light many times using a light receiving device that responds at high speed, and the light receiving is extremely advanced. Technology is required.
  • FIG. 4 illustrates a measurement method and a measurement apparatus of a basic embodiment of the present invention capable of providing excitation to a material, separating attenuation light from light emitted from the material, and acquiring a plurality of separated attenuation lights. Is shown.
  • the measuring device 1 shown in FIG. 4 has an excitation device 10 and a detection device 20.
  • the excitation device 10 has an excitation source 11 and a modulation device 12 on the excitation side.
  • the detection device 20 has a modulation device 21 on the light reception side, a filter 22 and a light reception device 23.
  • the excitation source 11 is a continuous oscillation type semiconductor laser, and the modulation device 12 on the excitation side and the modulation device 21 on the light reception side are acousto-optic elements.
  • the light receiving device 23 is an integral type light receiving device that accumulates and detects light in a predetermined exposure time, and is, for example, a light receiving device having a large number of CCD elements.
  • the filter 22 is a wavelength filter or a polarization filter.
  • FIG. 5A shows the waveform of the excitation light 14 after the continuous light 13 emitted continuously from the excitation source 11 is modulated by the modulation device 12 on the example side.
  • the acousto-optical element used as the modulation device 12 controls the lattice constant at the ultrasonic frequency to switch the refractive index for the passing continuous light 13 at high speed. Therefore, as shown in FIG. 5A, the magnitude of the excitation light 14 that has passed through the modulation device 12 can be modulated so that the rise and fall are substantially close to rectangular waves.
  • the duty ratio between the irradiation (excitation) of the excitation light 14 and the period shown in FIG. 5A is 50%.
  • FIG. 5 (b) shows the intensity change of the luminescence light 24 emitted from the semiconductor material 30 when the excitation light 14 is given to the semiconductor material 30 such as silicon.
  • the size of the luminescence light 24 increases in a curved manner according to time following the sharp rise of the excitation light 14 and follows the steep fall of the excitation light 14. Attenuate.
  • FIG. 5C shows a modulation waveform by the modulation device 21 on the light receiving side.
  • the modulation waveform rises in synchronization with the falling of the excitation light 14 shown in FIG. 5A and is set to fall in synchronization with the rising of the excitation light 14.
  • the modulation device 12 on the excitation side and the modulation device 21 on the light reception side are configured by the same acousto-optic element, and the modulation device 12 on the excitation side and the modulation device 21 on the light reception side operate with control signals of the same frequency and opposite phase to each other Do.
  • FIG. 5D shows the separated light 25 after the luminescence light 24 emitted from the semiconductor material 30 is modulated by the modulation device 21 on the light receiving side.
  • the luminescence light 24 shown in FIG. 5B the light during the excitation time when the excitation light 14 is irradiated is not acquired by the modulation of the modulation device 21 on the light reception side, and the end of the excitation light 14 (excitation time End) is extracted.
  • the modulation at the time of light reception shown in FIG. Luminescent light 24 may be obtained simultaneously with or after the end).
  • FIG. 5 (b) shows the intensity change of the luminescence light 24 emitted from one of the regions of the semiconductor material 30, and the split light 25 of FIG. 5 (d) is a region of that one. Attenuation light 26 is separated from luminescence light 24 emitted from the light source.
  • the area of one point is one pixel detected by the light receiving device 23, and is positioned as an area where the CCD element, which is one light receiving element, can receive light.
  • the separated light 25 shown in FIG. 5D passes through the filter 22 so that the light component including the attenuated light 26 is extracted and received by the light receiving device 23.
  • the CCD element provided in the light receiving device 23 has an exposure time for accumulating light after the start of light reception until the detection output is shifted to the memory.
  • the modulation period shown in (c) is set sufficiently short. This exposure time is a measurement time for accumulating (integrating) and detecting the plurality of separated lights 25 shown in FIG.
  • the attenuated light 26 emitted following the end of the excitation light 14 includes the carrier lifetime parameter ⁇ , and the detection light in which a plurality of attenuated lights 26 are stored is It contains information on carrier life.
  • the exposure time of the light receiving device 23 is set by setting the modulation waveform shown in FIGS. 5A and 5C to a relatively high frequency.
  • a large number of attenuated lights 26 can be accumulated (integrated) and detected, and as a result, the intensity of the detected light can be taken out as an output of a sufficiently high level compared with the detection noise of the light receiving device 23 and other noises. .
  • FIG. 6 shows the relationship between the modulation frequency of the modulation device 12 on the excitation side and the modulation device 21 on the light reception side and the intensity of the detection light accumulated and received by the attenuation light 26 in the CCD element of the light reception device 23.
  • the logarithmic axis of the horizontal axis is the modulation frequency
  • the vertical axis is the intensity of the detection light.
  • the carrier life is stepwise: 50 nsec, 70 nsec, 100 nsec, 150 nsec, 200 nsec, 300 nsec, and 500 nsec. It is the result of simulating the intensity change of detection light supposing the material which changes to.
  • the modulation frequency when the modulation frequency is low and the modulation period is sufficiently longer than the time ⁇ which is a parameter of the carrier lifetime, the light amount of the attenuation light 26 accumulated during the exposure time is small and the attenuation light The intensity of the detected light having accumulated 26 becomes almost zero.
  • the modulation frequency is increased, the number of attenuation light beams 26 accumulated during the exposure time increases in proportion to the increase, so the intensity of the detection light having accumulated the attenuation light beams 26 increases almost linearly.
  • the intensity of the detection light nonlinearly increases as the modulation frequency increases. Furthermore, when the modulation frequency becomes high, the light amount of the attenuated light 26 accumulated in the acquisition time T1 is saturated, and as shown in FIG. 6, the intensity of the detection light is saturated.
  • the level at which the intensity of the detection light is 50% of the saturation value is indicated by the horizontal line of the broken line.
  • the intensity of the detected light measured for the material of each carrier life changes almost linearly with the logarithmic increase of the modulation frequency It is located in the area where
  • the modulation of the excitation light shown in FIG. 5 (a) and the modulation of the light reception shown in FIG. 5 (c) are performed using any single modulation frequency (measurement frequency)
  • the modulation frequency (measurement frequency) at this time it is preferable to use a region where the intensity of the detection light rises approximately linearly with the logarithmic increase of the horizontal axis in FIG.
  • the intensity of detection light from each measurement point is acquired In the same material, the intensity of detection light is high in places where the carrier life is long, and the intensity of detection light is low in places where the carrier life is short, and the intensity of detection light from the material corresponds to the intensity of the light It becomes possible to grasp as data.
  • the diagram shown in FIG. 7 is one in which the proportional relationship between the nominal carrier life and the modulation frequency in FIGS. 5 (a) and 5 (c) is obtained based on the simulation shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the nominal carrier lifetime
  • the vertical axis represents 1 / modulation frequency, that is, the modulation period.
  • the straight line in the solid line in FIG. 7 corresponds to the line connecting the intersections of the characteristic curve (solid line) of the material of each carrier life shown in FIG. 6 and the broken line. That is, the solid line in the diagram of FIG. 7 shows the relationship between the modulation period when the intensity of the detection light is 50% of the saturation value and the nominal carrier life of the material.
  • the modulation period (modulation frequency) when the intensity of the detection light becomes 50% of the saturation value changes in proportion to the carrier life, and the proportional constant K is 0.13.
  • the proportional relationship shown in FIG. 7 is not necessarily limited to the carrier lifetime in the range of 50 nsec to 500 nsec.
  • the modulation frequency as a guideline for the carrier life described above does not necessarily have to be 50% of the saturation value, and in the region where the intensity of the detection light linearly changes with respect to the modulation frequency, the intensity of the detection light
  • the carrier lifetime may be determined from the frequency when the value of the signal reaches 60% or 40% of the saturation value, for example.
  • the change in the intensity of the detection light obtained when the material is excited includes both the intensity component attributed to the light emission intensity (emission probability) A CW P of the material and the intensity component of the carrier life.
  • a CW P of the material the intensity component of the carrier life.
  • FIGS. 5 and 6 by sweeping the modulation frequency, it is possible to quantitatively and accurately determine the carrier lifetime.
  • the detection light having accumulated (integrated) the attenuated light 26 is measured using two fixed modulation frequencies thereafter, and different modulations are performed.
  • the ratio of the intensities of the two detection lights obtained at the frequency it is possible to offset the emission intensity (emission probability) and extract the intensity component of the carrier life as an absolute measurement value.
  • This measurement method makes it possible to quantitatively determine the carrier lifetime at high speed without constantly sweeping the modulation frequency.
  • this measurement method will be described.
  • FIGS. 9 to 11 show simulation results of a measurement method in which information on carrier lifetime is independently extracted from each of the material locations, assuming that the light emission intensity (emission probability) and carrier lifetime vary depending on the location of the material. It shows.
  • the horizontal axis in FIG. 9 indicates the coordinate position in the X direction of the material. This material gradually decreases as the light emission intensity (emission probability) goes to the right of the X coordinate, and the carrier life increases and decreases in a wavelike manner as the X coordinate changes.
  • FIG. 10A shows the modulation characteristics of the modulator 12 on the excitation side and the modulator 21 on the light reception side in opposite phase with each other in a region of one point on the X coordinate of the material shown in FIG. And the waveform when the modulation frequency is 1 MHz is shown.
  • the kind of waveform in FIG. 10A is the same as that in FIG. 5, where (a) is the modulation waveform on the excitation side, (b) is the intensity waveform of the luminescence light emitted from the material, and (c) is the modulation waveform on the light reception side. , (D) are separated waveforms in which the attenuated light is separated.
  • the intensity of the detection light can be obtained by integrating the separated light separated in (d) of FIG. 10A for the measurement time corresponding to the exposure time of the CCD element.
  • the intensity of detection light when the modulation frequency is 1 MHz is obtained at a plurality of points on the X coordinate, and a change curve 31 connecting the points is indicated by a two-dot chain line.
  • FIG. 10 (B) shows waveforms when the modulation characteristics of the modulator 12 on the excitation side and the modulator 21 on the light reception side are opposite in phase and the modulation frequency is 10 MHz
  • FIG. 10 (A) Similarly, (a) is the modulation waveform on the excitation side, (b) is the intensity waveform of the luminescence light emitted from the material, (c) is the modulation waveform on the light receiving side, and (d) is the separated waveform from which the attenuating light is separated. It is.
  • the intensity of the detection light at the modulation frequency of 10 MHz is obtained by integrating the attenuated light separated in (d) of FIG. 10B at the same measurement time as at 1 MHz.
  • the intensity of detection light when the modulation frequency is 10 MHz is determined at a plurality of points on the X coordinate, and a line 32 connecting the intensities is indicated by a solid line.
  • the ratio of the change curve 31 connecting the intensities of the detection light when the modulation frequency is 1 MHz to the line 32 connecting the intensities of the detection light when the modulation frequency is 10 MHz is determined, and this ratio is connected
  • the line is shown by the solid curve 33 (1 MHz / 10 MHz). It can be understood that the fluctuation characteristic of the curve 33 is very similar to the fluctuation curve of the carrier life shown in FIG. 9, and that the ratio is based on the information obtained by extracting the carrier life alone.
  • the ratio of detection light obtained at two modulation frequencies and the nominal carrier life are approximately linearly proportional. Therefore, it can be understood that the carrier life can be grasped as a quantitative value proportional to the increase or decrease by determining the ratio of the intensities of detection light obtained at different modulation frequencies. This means that even if the light emission intensity (emission probability) A CW P of the material is different and the saturation value of the intensity of the detection light shown in FIG. Means that it can be extracted by
  • FIG. 12 shows an example in which continuous excitation light is given to the material without modulating the excitation light as shown in (a). At this time, as shown in (b), continuous luminescence light is obtained from the material, and as shown in (c), the light emission from the material is not modulated. Therefore, as shown in (d) Continuous luminescence light is detected.
  • the carrier lifetime information can be taken alone also by finding the ratio between the intensity of the detection light obtained by modulating the excitation light and the luminescence light and the intensity of the detection light obtained by the continuous excitation light. Can.
  • the modulation characteristics of light by the modulator 12 on the excitation side and the modulator 21 on the light reception side follow a rectangular wave that rises sharply and falls sharply, and with the modulation device 12 on the excitation side
  • the modulation characteristics may not be accurate rectangular wave characteristics due to the influence of the ability of the modulation device or noise, etc., and between the modulation operation of the modulation device 12 on the excitation side and the modulation operation of the modulation device 21 on the light reception side. Time lag may occur.
  • the measurement method and the measurement apparatus according to the present invention can exhibit the characteristics even if the modulation characteristic is not a rectangular wave with accuracy and the modulation on the excitation side and the modulation on the light reception side are temporally shifted. It is possible to retrieve information on carrier life alone.
  • the modulation characteristic by the modulator 12 on the excitation side shown in (a) is a trapezoidal waveform. Therefore, the luminescent light 24 having the characteristics shown in (b) is emitted from the material.
  • the modulation characteristic of the light receiving side modulation device 21 shown in (c) is also a trapezoidal waveform.
  • the modulation of the trapezoidal waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation of the trapezoidal waveform on the light receiving side shown in (c) are in antiphase with each other and are synchronized with each other at the same frequency.
  • the separated light 25 shown in (d) is detected by the light receiving device 23.
  • the modulation characteristic on the light receiving side shown in (c) is a trapezoidal waveform, in the light component 26a obtained by the separated light 25 shown in (d), not only the attenuated light emitted following the excitation time but also the excitation light Some of the components of the light emitted are also included.
  • the intensity of detection light obtained by the modulation waveform shown in FIG. 13 was determined by simulation.
  • the intensity of detection light is obtained by integrating separated light 25 obtained at each location of the X coordinate in measurement time corresponding to the exposure time of the CCD element.
  • the change curve 31a is indicated by a two-dot chain line in FIG.
  • the modulation frequency shown in FIGS. 13 (a) and 13 (c) is 10 MHz
  • the intensity of the detection light is obtained by integrating the separated light 25 obtained from each of the X coordinates in the measurement time.
  • the line 32a connecting the strengths is indicated by a solid line.
  • a curve 33a is obtained by determining the ratio between the intensity of detection light obtained when the modulation frequency is 1 MHz and the intensity of detection light obtained when the modulation frequency is 10 MHz.
  • This curve 33a closely approximates the characteristics of the increase and decrease of the carrier life shown in FIG. That is, also by obtaining the ratio of the intensities of the detection light obtained at different modulation frequencies based on the modulation characteristics shown in FIG. 13, it is possible to obtain information in which the carrier lifetime is independently extracted.
  • FIG. 15 shows the ratio of the intensity of the detection light determined at the modulation frequency of 1 MHz to the intensity of the detection light determined at the modulation frequency of 10 MHz in the modulation characteristics shown in FIG. It is shown in relation to carrier life.
  • FIG. 15 shows the same evaluation as that of FIG. As shown in FIG. 15, the ratio changes almost linearly with respect to the nominal carrier life, and based on the modulation characteristics shown in FIG. 13, the ratio of the intensity of detection light obtained at different modulation frequencies is determined. It can be seen that this ratio corresponds in proportion to the length of the carrier life.
  • the modulation characteristic on the excitation side shown in (a) has a waveform approximating a triangular function, and the material emits luminescence light 24 having the characteristic shown in (b).
  • the modulation characteristic on the light receiving side shown in (c) is also a waveform approximated to a trigonometric function.
  • the modulation of the trigonometric function waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation of the trigonometric function waveform on the light receiving side shown in (c) are synchronized so as to be in antiphase with each other at the same frequency.
  • the intensity change of the separated light 25 obtained by modulating the luminescent light 24 emitted from the material is shown.
  • the luminescence light 24 having the characteristics shown in (b) receives modulation of the trigonometric function waveform shown in (c)
  • the light component 26b included in the separated light 25 shown in (d) is attenuated after the excitation time Only the light component is included, and a part of the light component emitted at the excitation time is also included.
  • FIG. 17 shows the change curve 31b of the intensity of the detection light obtained at the modulation frequency of 1 MHz with the trigonometric function waveform shown in FIG. 16 and the fluctuation of the intensity of the detection light obtained with the modulation frequency of 10 MHz with the trigonometric function waveform.
  • a line 32b is shown, and a curve 33b is shown in which the ratio between the change curve 31b and the line 32b is obtained.
  • This curve 33 b is similar to the fluctuation curve of the carrier life of the material shown in FIG. 9, and it is understood that the information on the carrier life is extracted.
  • a characteristic equivalent to that of the curve 33b can also be obtained from the ratio of the change curve 31b shown in FIG. 17 to the line 34 showing a change of 1 ⁇ 4 of the intensity of luminescence light obtained by continuous excitation light.
  • FIG. 18 corresponds to FIG. 15, and the intensity of detection light obtained at a modulation frequency of 1 MHz in the trigonometric function waveform shown in FIG. 16 and the intensity of detection light obtained at a modulation frequency of 10 MHz in the trigonometric function waveform And the relationship between the ratio and the nominal carrier life. It is possible to obtain information proportional to the component of the carrier life by obtaining the ratio of the intensity of the detection light obtained at different frequencies even when modulated by the trigonometric function waveform from FIG.
  • the measurement method of removing the component of the emission intensity and quantifying the carrier lifetime component is the ratio of the intensity of the detection light at different modulation frequencies as described above, and 1/4 of the intensity of the detection light by the continuous light. In addition to using the value of, it is also possible to use the following measurement method.
  • the simulation shown in FIG. 19 shows that it is possible to extract information on the carrier life alone by assuming the material having the characteristics shown in FIG. 9 and finding the ratio of the intensity of detection light obtained when the modulation waveform is made different. ing.
  • FIG. 19 (A) is the same as the waveform of FIG. 10 (A), the modulation waveform on the excitation side shown in (a) is a rectangular wave, and the modulation waveform on the light receiving side shown in (c) is also a rectangular wave .
  • the modulation waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation waveform on the light reception side shown in (c) are synchronized such that their phases are opposite to each other at the same frequency of 1 MHz.
  • It is the intensity of the detection light that the separated light obtained in (d) is integrated at a measurement time corresponding to the exposure time of the CCD.
  • the distribution on the X coordinate of the intensity of the detection light obtained by the modulation of the rectangular wave is shown by a change curve 31c of a two-dot chain line.
  • FIG. 19 (B) is the same waveform as FIG. 16, and is a curve in which the modulation waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation waveform on the light receiving side shown in (c) approximate to a trigonometric function.
  • the modulation waveform of (a) and the modulation waveform of (c) have the same frequency, and are in antiphase with the phase shifted by 180 degrees.
  • the rectangular waves shown in (a) and (c) of FIG. 19A and the trigonometric function waveforms shown in (a) and (c) of FIG. 19B have the same frequency of 1 MHz.
  • FIG. 20 the distribution on the X coordinate of the intensity of the detection light obtained by the modulation of the trigonometric function waveform is shown by a change curve 32c of a solid line.
  • FIG. 20 shows a curve 33c obtained by determining the ratio between the change curve 31c of the intensity of the detection light obtained by the modulation of the rectangular wave and the change curve 32c of the intensity of the detection light obtained by the modulation of the trigonometric function waveform. It is done.
  • the curve 33c approximates the fluctuation curve of the carrier life shown in FIG. 9, and it can be seen that the information on the carrier life is reflected.
  • FIG. 21 shows the relationship between the ratio of (intensity of detection light by modulation of rectangular wave) / (intensity of detection light by modulation of trigonometric function waveform) and the nominal carrier life. From FIG. 21, the magnitude of the ratio of the intensity of the detection light obtained by the modulation of the rectangular wave and the intensity of the detection light obtained by the modulation of the trigonometric function waveform substantially follows the change of the size of the carrier life Can understand.
  • the simulation shown in FIG. 22 assumes materials of the characteristics shown in FIG. 9, and the intensities of two types of detection light obtained by making the phase difference between the modulation waveform on the excitation side and the modulation waveform on the light reception side different.
  • the determination of the ratio indicates that information on carrier lifetime can be extracted alone.
  • the waveforms shown in FIG. 22 (A) are the same as in FIGS. 10 (A) and 19 (A), and the modulation waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation waveform on the light receiving side shown in (c) are It is a rectangular wave with a phase difference of 180 degrees at the same frequency of 1 MHz.
  • the intensity of the detection light is obtained by integrating the separated light obtained in (d) at a measurement time corresponding to the exposure time of the CCD.
  • the distribution of the intensity of the detection light on the X coordinate is It is shown by a change curve 31d of a two-dot chain line.
  • the modulation waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation waveform on the light reception side shown in (c) are rectangular waves, and the phase difference between the excitation side and the light reception side is 0 degrees.
  • the duty ratios of the rectangular wave shown in (a) and (c) of FIG. 22 (A) and the rectangular wave shown in (a) and (c) of FIG. 22 (B) are both 50% and the frequency is 1 MHz.
  • a line 32d indicating the distribution on the X coordinate of the intensity of the detection light obtained by the modulation of FIG. 22 (B) is indicated by a solid line.
  • FIG. 24 shows a relationship between a ratio of (intensity of detection light by modulation of FIG. 22A) / (intensity of detection light by modulation of FIG. 22B) and a nominal carrier life. It is possible to obtain information proportional to the component of the carrier life by obtaining the ratio of the intensities of the two types of detection light modulated by rectangular waves of different phase differences from FIG.
  • the simulation shown in FIGS. 25 to 27 relates to the carrier life by assuming the material having the characteristics shown in FIG. 9 and determining the ratio of the intensities of two types of detection light obtained by making the duty ratio of the modulation waveform different. It indicates that information can be extracted independently.
  • the waveforms shown in FIG. 25 (A) are the same as those in FIGS. 10 (A), 19 (A) and 21 (A), and the modulation waveform on the excitation side shown in (a) and the light reception shown in (c)
  • the modulation waveform on the side is a rectangular wave whose phase is opposite to each other at the same frequency of 1 MHz.
  • the modulation waveform on the excitation side shown in (a) and the modulation waveform on the light receiving side shown in (c) are rectangular waves in reverse phase at a frequency of 1 MHz.
  • FIG. 25 (A) shows that the duty ratio of the modulation waveform is 50:50
  • FIG. 25 (B) shows that the duty ratio is 90:10.
  • a change curve 31f showing the distribution on the X coordinate of the intensity of the detection light obtained by the modulation of FIG. 25A is shown by a two-dot chain line, and obtained by the modulation of FIG.
  • a change curve 32f showing the distribution of the intensity of the detected light on the X coordinate is shown by a solid line.
  • a curve 33f is shown in which the ratio between the change curve 31f and the change curve 32f is obtained. This curve 33 f is similar to the fluctuation curve of the carrier life shown in FIG. 9, and it can be seen that the information of the carrier life is reflected.
  • FIG. 27 shows the relationship between the ratio of (intensity of detection light by modulation of FIG. 25A) / (intensity of detection light by modulation of FIG. 25B) and the nominal carrier life. It can be understood from FIGS. 26 and 27 that the information on the carrier life can be extracted from the ratio of the intensities of the detection light measured with different duty ratios.
  • the ratio of the intensities of two types of detection light obtained by modulation of different frequencies is determined.
  • the ratio of the intensity of detection light obtained by intermittent excitation to the intensity of detection light obtained by continuous excitation is determined.
  • the modulation on the excitation side or the modulation on the light reception side is performed with a waveform other than a rectangular wave.
  • the ratio of the intensities of the two types of detection light obtained by modulation whose waveforms are different from each other is determined.
  • the ratio of the intensities of the two types of detection light obtained by making the phase difference between the modulation on the excitation side and the modulation on the light reception side different from each other is determined.
  • the ratio of the intensities of the two types of detection light obtained by modulation of different duty ratios is determined.
  • the above conditions can be combined with one another.
  • the intensity of the detection light obtained by the modulation of a rectangular wave of, for example, 1 MHz shown in FIG. 28A and the waveform approximated to the trigonometric function shown in FIG. It is also possible to independently extract information on the carrier lifetime by determining the ratio of the intensities of detection light obtained by 10 MHz modulation.
  • the modulation on the excitation side shown in (a) and the modulation on the light receiving side shown in (c) both have a 50% duty ratio and opposite-phase rectangular waves In this way, the attenuated light following the end of the excitation time, which excites the material, is separated from the light during excitation.
  • the modulation on the excitation side shown in (a) and the modulation on the light reception side shown in (c) are both based on a rectangular wave with a duty ratio of 40%. Of the light modulation and the light modulation on the light receiving side are 144 degrees out of phase.
  • This configuration also allows the attenuated light to be separated from the light being excited in synchronization with the end of the excitation time when the material is excited.
  • the modulation on the excitation side and the modulation on the light reception side are not limited to the phase difference of 180 ° and the duty ratio of 50%, and any modulation waveform that can separate the attenuation characteristics may be used.
  • FIG. 30 shows a measuring device 40 suitable for implementing the measuring method described above.
  • the excitation device 10 has an excitation source 11 and a modulation device 12 on the excitation side.
  • the excitation source 11 is a continuous emission semiconductor laser
  • the modulation device 12 is an acousto-optic element.
  • the continuous light 13 emitted from the excitation source 11 is modulated by the modulation device 12 to become excitation light 14.
  • a lens 41 is provided in front of the modulation device 12, and the modulated excitation light 14 is optically modulated to be applied to a predetermined area of the surface of the material 30.
  • the lens 41 is a collimating lens, a convex lens or a concave lens having a large focal ratio, or a combination thereof, and is configured such that the difference in the amount of light given to the area of the predetermined area of the material 30 is minimized.
  • the detection device 20 includes a modulation device 21 and a light reception device 23 on the light reception side.
  • the modulation device 21 is an acousto-optic element.
  • a condenser lens 42 is provided between the material 30 and the modulator 21.
  • the luminescence light 24 emitted from a predetermined region of the material 30 is condensed by the condenser lens 42 and supplied to the modulator 21, and the separated light 25 separated by the modulator 21 is received by the light receiver 23.
  • the light receiving device 23 is a light receiving element array in which a plurality of CCD elements are arranged, and in front of it, a camera lens 43 for condensing the separated light 25 on the light receiving element array is provided.
  • the detection device 20 is equipped with the filter 22 shown in FIG. 4 as necessary.
  • the luminescence light 24 emitted from the area of the predetermined area of the material 30 is converted into individual CCDs.
  • the element can simultaneously receive light.
  • the intensity of the detection light obtained by each CCD element can provide information on the carrier life of each point in the area of a fixed area. Also, by calculating the ratio as shown by the curve 33 in FIG. 11 with respect to the intensity of the detection light detected by each CCD element, information on the carrier life is extracted for each point in a wide area. It is possible.
  • the direction in which the table on which the material 30 is installed is orthogonal to the line
  • the transfer device 45 for moving the light intermittently or continuously, it is possible to sequentially obtain luminescence light from a wide area of the material 30 by the CCD element of the light receiving device 23. This is the same even if the table on which the material 30 is installed is fixed and the measuring device 40 moves.
  • the measurement apparatus 40 shown in FIG. 30 has a modulation control unit 46.
  • the modulation control unit 46 controls the modulation device 12 on the excitation side and the modulation device 21 on the light reception side, and modulation of excitation light and modulation of luminescence light are performed as shown in each drawing.
  • the measuring device 40 is provided with a determination unit 47 that also functions as a main control unit, and controls the excitation source 11 and the modulation devices 12 and 21. At the same time, detection light obtained by accumulating the individual CCD elements of the light receiving device 23 during the exposure time is stored in the memory, converted into a digital value, and supplied to the determination unit 47. In the discrimination section 47, calculation of the ratio as shown by the curve 33 in FIG. 11 is performed, and it is possible to obtain information of carrier life of each point of the measurement area of the material 30 with each CCD element as a pixel unit.
  • the information on the carrier life of each point of the material 30 calculated by the determination unit 47 can be used as comparison information in the area of a predetermined area.
  • the carrier life of each point can be displayed as numerical information on the display device, or can be displayed as an illustration image having gradation corresponding to the carrier information.
  • each CCD is a pixel unit of gradation.
  • the measuring apparatus 40A shown in FIG. 31 is provided with a beam splitter 51 for separating the luminescent light 24 emitted from the material 30, and a component of the luminescent light 24 directed to the condensing lens 42 and a component directed to the second camera lens 52. Separated into Then, the light passing through the second camera lens 52 is given to the second light receiving device 53 without passing through the modulation device. In this measuring device 40A, detection light obtained by modulating the luminescence light 24 and detection light without modulation can be obtained by one measurement.
  • the light separated by the beam splitter 51 may be modulated by the second modulator and detected by the light receiver 53. Thereby, detection light of different modulation can be obtained by one measurement.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
  • excitation light 14 modulated to various duty ratios can be obtained without providing the modulation device 12.
  • the light receiving device 23 is used so that each detection element can intermittently receive light and the detection output intermittently received can be stored in the memory, the luminescence light can be obtained without providing the modulation device 21. It is possible to separate the attenuated light, which is a component of the carrier lifetime, and to accumulate the separated attenuated light at a predetermined exposure time.
  • the excitation device 10 does not emit excitation light, but generates intermittent power, and the carrier lifetime is measured by electroluminescence in which carriers in the material 30 are excited by this power and recombined to emit light. It is also possible.
  • materials to be measured by the measuring method and measuring apparatus of the present invention include silicon (Si), indium phosphide (InP), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), silicon germanium alloy (SiGe), germanium
  • Typical semiconductor crystal materials are (Ge), chalcopyrite-type compounds (CuInS2), chalcopyrite-based polycrystalline films (Cu (In, Ga) Se2), fullerene (C60) derivative-based organic semiconductors, etc.
  • Other semiconductor materials may be used.
  • organic materials, polymer materials, and the like as long as they emit light when the internal carriers are excited and activated by the excitation light and the excitation power and the energy level of the carriers such as electrons decreases. It is also good.

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Abstract

【課題】　半導体などの材料内のキャリア寿命を測定することができるキャリア寿命の測定方法および測定装置を提供する。 【解決手段】　発光レーザで発せられる連続光が励起側の変調装置で変調され、その強度が矩形波状に変化する励起光１４が生成されて半導体材料に与えられる。半導体内のキャリアが励起され再結合により発せられるルミネッセンス光２４が、受光側の変調装置で変調され、励起時間に発せられる光から、励起時間の後に発生する減衰光２６が分離される。この減衰光２６は材料内のキャリア寿命の情報を含むものである。減衰光２６はきわめて短い時間に得られる微細な光であるため、ＣＣＤ素子の露光時間内に、複数の減衰光２６を蓄積して検知する。この検知光の強度によってキャリア寿命を知ることが可能になる。

Description

キャリア寿命の測定方法および測定装置
　本発明は、材料に励起を与えたときに発せられる光（ルミネッセンス）を取得して、材料内のキャリア寿命を測定することができる測定方法および測定装置に関する。
　半導体やその他の材料分野において、材料からの発光（ルミネッセンス光）を測定し、分析し、材料中の不純物濃度や結晶欠陥の性質やその分布を評価することによって、材料の分析や改善を行うことが広く行われてきた。
　ルミネッセンス光を得る手段としては、キャリア（電子やホール）を材料に電気的に注入して、注入された電子とホールが再結合する過程の発光を観察するエレクトロルミネッセンス法や、レーザーなどからの光によって電子を励起するフォトルミネッセンス法がある。
　注入された電子や励起された電子はある確率と時間でホールと結合する際に発光して消滅してゆく。この消滅までの平均的な時間をキャリア寿命と呼ぶ。ルミネッセンス光の特性（発光波長、発光強度、キャリア寿命など）は結晶中の結晶欠陥や不純物の種類や濃度に依存しており、ルミネッセンス光により材料の状態を調べることができる。
　一方、近年急速に普及が進んでいるシリコンを用いた太陽電池においては、発電効率などの性能向上、品質の安定化や製造コストの低減、大型化などが求められている。これらの要求に応えるには、高品質で大面積のシリコン結晶を高スループット（製造速度）で製造することが重要となる。
　高品質の太陽電池用の結晶としては欠陥が少ないことが重要である。種々の欠陥により太陽からの光エネルギーが吸収され電気エネルギーに変換されないことになる。つまり、せっかく発生した電気エネルギーも欠陥に捉えられて熱に変換されたり再発光してしまい、電気エネルギーとして取り出せないことになる。半導体の中で発生する電気エネルギーとは、光で励起された励起電子（キャリア）を意味する。これまで説明したように、エレクトロルミネッセンス法やフォトルミネッセンス法によって得られる情報は励起電子に関係しており、太陽電池の動作機構に関連が深いものとなる。特にキャリア寿命は、結晶中の欠陥や不純物の種類や濃度によって大きく影響を受ける。
　以下の特許文献１には半導体の検査方法と検査装置が開示されている。この文献に記載された方法は、高速動作を実現しているものの、キャリア寿命を評価しておらず単にバイアス状態でのルミネッセンス光の強度分布を比較しているのみである。この方法は、ウェハ上の電極にバイアスを印加しながらルミネッセンス評価をしているので、配線を必要とするとともに接触評価になるので非接触で検査を行うことができず、製造中のウェハを汚してしまう懸念がある。
　また、他の従来例として、特許文献２に記載されているように、時間相関単一光子計数法やストリークカメラ法によって材料のキャリア寿命を求める方法がある。時間相関単一光子計数法は、単一光子について減衰する波形を直接測定する方法であるが、ヒストグラム作成に長い時間を必要とするのでウエハの複数点を計測するのは困難である。また、ストリークカメラ法は、非常に高価である。
ＷＯ２００７／１２８０６０Ａ１公報 特開２００８－１７０２５７号公報
　これまで述べたように、従来技術においてルミネッセンスを高速に評価する方法を実現した例があるものの、キャリア寿命は測定できてはおらず、キャリア寿命から算出される欠陥の種類や濃度、などを評価できていないのが現状である。また、従来のキャリア寿命評価を行う方法では、計測装置が非常に高価であり、測定にも時間がかかるため測定コストがかかるほか、マップ測定などのような多数点の測定を行って測定データ分布を得ることができなかった。
　本発明は、材料に接触することなく、材料から発せられる光を観察する方法を工夫することで、エネルギーキャリアの寿命に関する情報を低コスト、高速で得ることができるキャリア寿命の測定方法および測定装置提供することを目的としている。
　また、本発明は、半導体などの材料内のキャリア寿命の分布を求めることが可能なキャリア寿命の測定方法および測定装置を提供することを目的としている。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定方法において、
　励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与え、
　複数の励起時間を含む長さの測定時間内に、材料から励起時間に発せられる光と励起時間の終末に続いて発せられる減衰光とを分離し、
　前記測定時間内に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知し、蓄積された検知光の強度に基づいてキャリアの寿命を測定することを特徴とするものである。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に取得することで、励起時間に発せられる光から減衰光を分離する。または、材料から発せられる光を励起時間の途中から取得することで、励起時間に発せられる光と、前記光の一部および減衰光とを分離する。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、励起源から発せられる励起を励起側の変調装置に通過させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与えるものである。あるいは、励起源から励起を断続的に発生させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与えるものである。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料から発せられる光を受光側の変調装置に通過させて、励起時間に発せられる光から減衰光を分離し、測定時間に相当する露光時間を有する受光装置によって、複数の減衰光を蓄積して検知するものである。または、材料から発せられる光を間欠的に受光できる受光装置を用いて、励起時間に発せられる光から減衰光を分離するとともに、測定時間内に複数の減衰光を蓄積して検知するものである。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、前記受光装置が、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子で複数の減衰光を蓄積して検知するものである。例えば、複数の受光素子が二次元的に配列した受光装置を使用し、材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光をそれぞれの受光素子で同時に取得し、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得ることが可能である。あるいは、複数の受光素子が列を成して配列した受光装置を使用し、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光を同時に取得し、この取得ラインを移動させて、材料の一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得ることが可能である。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料に複数の周波数の励起を与え、それぞれの周波数の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、変調周波数の増加に伴って前記検知光の強度が非線形で増加する周波数から、キャリア寿命を定量化して測定することが可能である。さらに、異なる周波数の励起で得られた前記検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
　または、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに、減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度と、材料から発せられる光を連続して検出して得られる検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
　あるいは、材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、異なる波形の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
　また、材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、減衰光を蓄積して検知した検知光を取得し、異なる位相の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することも可能である。
　さらには、材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比、および励起時間に発せられる光から減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させ、異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定することが可能である。
　本発明のキャリア寿命の測定方法は、材料に与える励起が励起光である。あるいは、材料に与える励起が励起電力である。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定装置において、
　励起時間が間隔を空けて繰り返される励起を材料に与える励起装置と、
　複数の励起時間を含む長さの測定時間内に、材料から励起時間に発せられる光と励起時間の終末に続いて発せられる減衰光とを分離し、前記測定時間内に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知する検知装置と、を有することを特徴とするものである。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記励起装置が、励起源と、励起源から発せられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように変調する励起側の変調装置とを有する。または、前記励起装置が、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように励起を発する励起源を有しているものである。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記励起源が、発光源であり、または、前記励起源が、励起電力の発生源である。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記検知装置が、前記材料から発せられる光を、励起時間に発せられる光と減衰光とに分離する変調装置と、測定時間に相当する露光時間内に複数の減衰光を蓄積して検知する受光装置とを有するものである。または、前記検知装置が、材料から発せられる光を間欠的に受光して、励起時間に発せられる光から減衰光を分離するとともに、複数の減衰光を蓄積して検知する受光装置を有するものである。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記検知装置が、材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に取得することで、励起時間に発せられる光から減衰光を分離するものである。または、前記検知装置が、材料から発せられる光を励起時間の途中から取得することで、励起時間に発せられる光と、前記光の一部および減衰光とを分離するものである。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、前記受光装置は、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子が複数の減衰光を蓄積して検知するものとして構成できる。この場合に、前記受光装置が、二次元的に配列した複数の受光素子を有しており、それぞれの受光素子で材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光が取得されて、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られるものとなる。あるいは、前記受光装置が、列を成して配列する複数の受光素子を有し、前記受光装置と材料とを前記列と交叉する向きに相対的に移動させる移送装置を有しており、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光が同時に取得されるとともに、この取得ラインが移動して、一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られるものとなる。
　また、本発明のキャリア寿命の測定装置は、材料と前記検知装置との間に波長フィルタが設けられているもの、または、材料と前記検知装置との間に偏光フィルタが設けられているものである。
　本発明のキャリア寿命の測定装置は、材料に与える励起の周波数を変化させる励起装置が設けられ、
　異なる周波数で励起したときに前記検知装置で取得される検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられているものとして構成できる。
　または、材料に与えられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返して与える励起装置が設けられ、
　励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに前記検知装置で取得される検知光の強度と、前記検知装置で材料から発せられる光を連続して検出した検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられているものとして構成できる。
　または、材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積して検知する検知装置が設けられ、
　異なる波形の変調で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられているものとして構成できる。
　さらには、材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、減衰光を蓄積して検知する検知装置が設けられ、
　異なる位相の変調で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられているものとして構成できる。
　また、材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比を相違させる励起装置と、励起時間に発せられる光と減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させる検知装置とを有し、
　異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられているものとして構成できる。
　本発明は、材料に接触することなく、材料から発せられる光を観察することで、材料内のキャリアの寿命に関する情報を得ることができる。
　また、本発明は、材料の所定の領域内でキャリア寿命の分布を求めることが可能である。
励起期間中に材料から発せられる光の強度を示す線図、 材料内のキャリア寿命に起因する発光の減衰曲線を示す線図、 材料に矩形波の励起を与えたときに材料から発せられる光の強度変化を示す線図、 変調した励起を材料に与え、材料から発せられる光を励起と逆の位相で変調して検知する測定方法および測定装置の説明図、 図４に示す測定装置を使用したときの、材料に与える励起の変調と、材料から発せられる光の変調と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 材料に与える励起の変調周波数の変化と、分離された減衰光を蓄積した検知出力の強度との関係を示す線図、 分離された減衰光を蓄積した検知出力が、その最大値の５０％になったときの周波数とキャリア寿命との関係を示す線図、 異なる周波数で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 シミュレーションに使用した材料であって、発光強度とキャリア寿命とがＸ座標のぞれぞれの位置で変動している材料の特性を示す線図、 材料に与える励起の変調周波数と材料から発せられる光の変調周波数を切替えたときの、材料に与える励起の変調と、材料から発せられる光の変調と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 図１０に示したそれぞれの周波数の変調で得られた検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる周波数の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 材料に連続する励起を与えたときに材料から発せられる光を、連続して検知した検出光の強度を示す線図、 励起側の変調と受光側の変調を台形波形にしたときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる周波数で且つ台形波形の変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる周波数の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 台形波形の変調で且つ異なる周波数で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 ほぼ三角関数の変化を示す波形の変調を与えたときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる周波数で且つ三角関数の波形の変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる周波数の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 三角関数波形の変調で且つ異なる周波数で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 矩形波で変調を行ったときと、三角関数波形で変調を行ったときの、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる波形で変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる波形の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 異なる波形の変調で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 異なる位相差で変調したときの、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 異なる位相差で変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なる位相差の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 異なる位相差の変調で得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 デューティ比を相違させた波形で変調を行ったときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 デューティ比を相違させた波形で変調を行ったときの検知光の強度のＸ座標での変動特性と、異なるデューティ比の変調で得られた検知出力の比のＸ座標での変動特性とを対比した線図、 デューティ比を相違させた波形で変調して得られた検知光の比と、キャリア寿命との関係を示す線図、 周波数と波形の双方を異ならせて変調を行ったときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 ５０％以外のデューティ比の波形で且つ位相をずらした変調を行ったときに、材料から発せられる光の強度変化と、分離された減衰光の強度変化とを示す線図、 理想的な構成の測定方法および測定装置の第1の実施の形態を示す説明図、 理想的な構成の測定方法および測定装置の第２の実施の形態を示す説明図、
　本発明は、半導体などの材料から発せられる光（ルミネッセンス）を検知することで、その材料を評価する。
　結晶材料中には、電子のエネルギーを基準にした伝導帯や非発光センター、不純物準位、欠陥誘起準位などの種々の準位が存在する。励起電子が非熱平衡状態で準位に存在すると、ある確率でホールと再結合して消滅する過程でキャリア寿命が発生する。このとき励起電子のエネルギーは光に変換されたり、格子振動となり熱として材料に伝わってゆく。このときの発光特性は、結晶特有の電子構造や種々の欠陥を反映するものであり、一般的には、結晶欠陥の密度が高いとキャリア寿命が短くなる。したがって、キャリア寿命を測定することは、材料の欠陥状況や純度を知る上で重要である。
　太陽電池用の結晶は、欠陥が少ないことが必要である。欠陥密度が高いと、太陽光の照射によって発生した励起電子（電気エネルギー）が欠陥準位に捕えられて熱に変換されたり再発光してしまい、電気エネルギーとして取り出せないことになる。また、太陽電池は、その受光部で発生したキャリアが電極へ到達することで発電が起こるが、キャリア寿命から導かれる拡散距離以内に電極が存在していないと発電ができなくなる。したがって、キャリア寿命が長ければ、電極配置密度を少なくでき、受光面積を増大できることになる。
　非接触で高速にウエハ全面のキャリヤ寿命分布が測定できれば、太陽電池の製造工程においても、受光部（発電部）自体を製造したり加工する工程や工程ごとの検査工程などで逐次太陽電池特性を知ることができる。例えば、受光部となるｐｎ接合を高品質で形成する必要があるが、イオン注入・アニールや導電性結晶の成長など再処理が不可能な製造工程に対し、製造直後にキャリア寿命をウェハ全面で測定することによって、全工程が完了する以前に太陽電池としての品質を評価できることになる。このとき、キャリア寿命の評価結果を分布イメージ図で表現することにより、製造中に侵入した不良の原因とその場所を明らかにでき製造損失を少なくできるばかりでなく、歩留まり向上や生産性の改善を行えることになる。
　本発明の測定方法および測定装置は、ルミネッセンス光（材料からの発光）を非接触で測定して、材料のキャリア寿命を高速、低コストで求めるものである。そのために、励起中の発光と、励起後の発光を区別、または分離して計測することを特徴とする。さらに、繰り返して分離した発光を蓄積して記録するのを特徴とするものである。
　以下の実施の形態は、フォトルミネッセンスによりキャリア寿命を評価している。フォトルミネッセンスは、光によって励起した励起電子が、ホールと再結合する際に発光する過程の概念である。ただし、本発明における励起および発光はフォトルミネッセンスに限られるものではなく、エレクトロルミネッセンスなどによっても実施が可能である。
　図１は、シリコン（Ｓｉ）などのウエハに所定時間連続する励起光を与えたときのルミネッセンス光を示しており、横軸が時間で縦軸が発光の大きさである。理想的には、連続する光の励起によるルミネッセンス光の大きさはＡCWＰである。ここで、ＡCWは励起強度であり、Ｐは発光確率（頻度）である。図１においてハッチングを付す面積は、時間Ｔmを測定時間とし、発光の大きさを測定時間で積分した値ＡCWＰＴmに相当している。この積分値には、キャリア寿命に関する情報も含まれているはずであるが、積分値からキャリア寿命の情報を単独で抽出することはできない。
　図２は、シリコンなどの半導体材料に励起光を与えたときの発光とキャリア寿命との関係を示しており、横軸が時間であり、縦軸が発光の大きさである。
　材料内に励起光のフォトンが１個吸収されると、材料の特性で決まる特性時間τが経過した後に、より低いエネルギーのフォトンが確率Ｐで再発光する。材料に対して同じエネルギーをもつ無限の数のフォトンが吸収されて前述のプロセスで順次に再発光すると、発光の確率分布は指数関数的な減衰曲線となる。理想的には、励起光を振幅Ａδのデルタ関数とすると、発光確率の減衰曲線はＡＰｅ-t/τ（ｅは自然数）で表わされる。前記τがキャリア寿命のパラメータである。すなわち、初期の発光の大きさが１／ｅに減少までに要する時間τをキャリア寿命のパラメータとして評価することができる。
　ただし、前記時間τを測定しようとすると、非常に高速で非常によく同期した高感度検出器を使用して、多くのフォトンを測定し平均化することが必要である。さらに、前記時間τはナノ秒領域の非常に短いものであるため、フォトンの平均化のために非常に長い測定時間が必要となる。さらに、極めて弱い光を検出することが必要であるため、通常の検出器のノイズレベルや装置全体のバックグランドレベルでは、実質的に測定が困難である。
　図３は、材料に急峻なパルスの励起光を与えたときの材料からの発光の大きさと時間との関係を示している。
　図３では、発光の大きさの変化が太い実線で示されている。急峻なパルス状の励起光が立ち上がると、発光の大きさが時間に応じて曲線的に立ち上がる特性を示し、励起光の立ち下がりの後に、発光の大きさが時間に応じて曲線的に減衰する特性を示す。発光の大きさを時間で積分した積分値である図３のハッチング領域の面積は、励起光のパルスの時間幅をＴP、振幅をＡPとすると、発光の積分値はＰＴPＡPとなる。このときの発光は、発光確率（頻度）Ｐと、キャリア寿命とが互いに区別できることなく混在している状態であり、前記積分値は、キャリア寿命の情報のみを抽出したものではない。
　ただし、図３において、励起光のパルスの立ち下りの後の発光の減衰曲線は、図２に示したＡＰｅ-t/τの畳み込み特性を有し、キャリア寿命のパラメータτを含むものである。
　本発明は、図３において励起パルスの立下りに続いて減衰する減衰光を分離して取得することでキャリア寿命の評価を行おうとするものである。ただし、パルスの立下りの後の発光の減衰時間はきわめて短いために、分離した減衰光のみを取得するためにはきわめて高速に応答する受光装置が必要となる。しかも、減衰光が微弱であるため、この減衰光を取得するためには、高速に応答する受光装置を用いて、減衰光を何回も繰り返して取得することが必要になり、きわめて高度な受光技術が必要となる。
　図４は、材料に励起を与え、材料から発せられる光から減衰光を分離し、分離された複数の減衰光を取得することができる本発明の基本的な実施の形態の測定方法と測定装置を示している。
　図４に示す測定装置１は、励起装置１０と検知装置２０を有している。励起装置１０は、励起源１１と励起側の変調装置１２を有している。検知装置２０は、受光側の変調装置２１とフィルタ２２と受光装置２３とを有している。励起源１１は、連続発振型の半導体レーザであり、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１は音響光学素子である。受光装置２３は、所定の露光時間において光を蓄積して検知する積分型の受光装置であり、例えば多数のＣＣＤ素子を有する受光装置である。フィルタ２２は波長フィルタまたは偏光フィルタである。
　図５（ａ）は、励起源１１から連続して発光する連続光１３が、例起側の変調装置１２で変調された後の励起光１４の波形を示している。変調装置１２として使用される音響光学素子は、超音波周波数で格子定数を制御して、通過する連続光１３に対する屈折率を高速で切替えるものである。したがって、変調装置１２を通過した励起光１４の大きさを、図５（ａ）に示すように、立ち上がりと立下りをほぼ矩形波に近い特性に変調することができる。図５（ａ）に示す励起光１４の照射（励起）と周期とのデューティ比は５０％である。
　図５（ｂ）は、励起光１４が、シリコンなどの半導体材料３０に与えられるときに、半導体材料３０から発せられるルミネッセンス光２４の強度変化を示している。図３に示したように、ルミネッセンス光２４の大きさは、励起光１４の急峻な立ち上がりに追従して時間に応じて曲線的に増加し、励起光１４の急峻な立下りに続いて曲線的に減衰する。
　図５（ｃ）は、受光側の変調装置２１による変調波形を示している。この変調波形は、図５（ａ）に示す励起光１４の立下りと同期して立ち上がり、励起光１４の立ち上がりと同期して立ち下がるように設定されている。励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１は同じ音響光学素子で構成されており、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１は、同じ周波数で互いに逆位相の制御信号によって動作する。
　図５（ｄ）は、半導体材料３０から発せられるルミネッセンス光２４が受光側の変調装置２１で変調された後の分離光２５を示している。受光側の変調装置２１の変調により、図５（ｂ）に示すルミネッセンス光２４のうち、励起光１４が照射されている励起時間中の光が取得されず、励起光１４の終末（励起時間の終末）に続く減衰光２６のみが取り出される。
　図５（ｄ）に示すように、ルミネッセンス光２４から、減衰光２６のみを分離して取り出すためには、図５（ｃ）に示す受光時の変調により、励起光１４の終末（励起時間の終末）と同時またはその後にルミネッセンス光２４を取得すればよい。
　なお、図５（ｂ）は、半導体材料３０のいずれかの１点の領域から発せられるルミネッセンス光２４の強度変化を示しており、図５（ｄ）の分離光２５は、その１点の領域から発せられたルミネッセンス光２４から減衰光２６を分離したものである。この１点の領域とは、受光装置２３で検知される１つの画素であり、１つの受光素子であるＣＣＤ素子が受光できる領域として位置づけられる。
　図５（ｄ）に示す分離光２５は、フィルタ２２を通過することで減衰光２６を含む光成分が抽出されて、受光装置２３に受光される。受光装置２３に設けられたＣＣＤ素子は、光の受光を開始してから検知出力をメモリに移行させるまで間に光を蓄積する露光時間を有しているが、この露光時間に対し、図５（ａ）（ｃ）に示す変調周期が十分に短く設定されている。この露光時間が図５（ｄ）に示す複数の分離光２５を蓄積（積分）して検知する測定時間となる。
　図２と図３に示したように、励起光１４の終末に続いて発せられる減衰光２６は、キャリア寿命のパラメータτを含むものであり、複数の減衰光２６が蓄積された検知光は、キャリア寿命の情報を含むものとなる。
　励起光１４の終末に続いて発光する減衰光２６は微弱な光であるが、図５（ａ）（ｃ）に示す変調波形を比較的高い周波数に設定することで、受光装置２３の露光時間内に多数の減衰光２６を蓄積（積分）して検知でき、その結果、検知光の強度は、受光装置２３の検知ノイズやその他のノイズに比べて十分に高いレベルの出力として取り出すことができる。
　図６は、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１の変調周波数と、受光装置２３のＣＣＤ素子において減衰光２６を蓄積して受光した検知光の強度との関係を示している。横軸の対数軸が変調周波数で縦軸が検知光の強度である。図６は、露光時間（積分時間）を一定としたときに、キャリア寿命が「５０ｎｓｅｃ」、「７０ｎｓｅｃ」、「１００ｎｓｅｃ」、「１５０ｎｓｅｃ」、「２００ｎｓｅｃ」、「３００ｎｓｅｃ」、「５００ｎｓｅｃ」と段階的に変化する材料を想定して、検知光の強度変化をシミュレーションした結果である。
　図６に示すように、変調周波数が低く、変調周期がキャリア寿命のパラメータである時間τよりも十分に長いときは、露光時間中に蓄積される減衰光２６の光量がわずかであり、減衰光２６を蓄積した検知光の強度がほぼゼロになる。変調周波数を増加していくと、その増加に比例して、露光時間中に蓄積される減衰光２６の数が増えるので、減衰光２６を蓄積した検知光の強度がほぼ直線的に上昇する。
　さらに、変調周波数が高くなり、図５（ｃ）に示すルミネッセンス光２４の取得時間Ｔ１が時間τに接近してくると、変調周波数の増加に伴って検知光の強度が非線形で増加する。さらに、変調周波数が高くなると、取得時間Ｔ１内に蓄積される減衰光２６の光量が飽和し、図６に示すように、検知光の強度が飽和する。
　励起側の変調装置１２による励起変調のデューティ比が５０％で、受光側の変調装置２１による受光変調のデューティ比が５０％のとき、飽和した検知光の強度の理論値は、図１に示すルミネッセンス光の発光強度（発光確率）ＡCWＰの１／４である。
　図６では、検知光の強度が飽和値の５０％となるレベルを破線の横線で示している。飽和値が５０％となるレベル、すなわちそれぞれの実線と破線との交点は、それぞれのキャリア寿命の材料で測定した検知光の強度が、変調周波数の対数的な増加に対してほぼ直線的に変化している領域に位置している。
　図６のシミュレーション結果から、いずれかの単一の変調周波数（測定周波数）を用いて図５（ａ）に示す励起光の変調と図５（ｃ）に示す受光の変調を行って検知光の強度を取得すると、検知光の強度が高ければキャリア寿命が長く、検知光の強度が低ければキャリア寿命が短いと判別することができる。このときの変調周波数（測定周波数）は、図６において、検知光の強度が横軸の対数的な増加に対してほぼ直線的に上昇する領域を使用することが好ましい。
　また、複数の測定点の発光強度（発光確率）ＡCWＰが同じ材料を試料とし、単一の変調周波数（測定周波数）を用いて、それぞれの測定点からの検知光の強度を取得すれば、同じ材料内でキャリア寿命が長い場所の検知光の強度が高く、キャリア寿命が短い場所の検知光の強度が低くなり、材料からの検知光の強度を、キャリア寿命の長短に対応する濃淡のデータとして把握することが可能になる。
　次に、図７に示す線図は、図６に示すシミュレーションに基づいて、公称キャリア寿命と図５（ａ）（ｃ）での変調周波数との比例関係を求めたものである。横軸が公称キャリア寿命で、縦軸が１／変調周波数、すなわち変調周期を示している。図７の図中における実線の直線は、図６に示されるそれぞれのキャリア寿命の材料の特性曲線（実線）と破線との交点を結んだ線に相当している。つまり、図７の図中の実線は、検知光の強度が飽和値の５０％となるときの変調周期と、その材料の公称キャリア寿命との関係を示している。
　図７のシミュレーション結果から、検知光の強度が飽和値の５０％となるときの変調周期（変調周波数）は、キャリア寿命に対して比例的に変化し、その比例定数Ｋが０．１３であることを立証できた。すなわち、検知光の強度が飽和値の５０％となる変調周波数Ｆが解れば、Ｆ＝０．１３／τxからキャリア寿命τxを求めることが可能である。なお、図７に示す比例関係は、必ずしもキャリア寿命が５０ｎｓｅｃから５００ｎｓｅｃの範囲に限られるものではない。
　なお、上述したキャリア寿命の指針となる変調周波数は、必ずしも飽和値の５０％である必要はなく、検知光の強度が変調周波数に対して直線的に変化する領域であれば、検知光の強度が飽和値の例えば６０％や４０％となったときの周波数からキャリア寿命を求めてもよい。
　材料を励起したときに得られる検知光の強度の変化には、その材料の発光強度（発光確率）ＡCWＰに起因する強度成分と、キャリア寿命の強度成分の双方が含まれている。ただし、図５および図６に基づいて説明したように、変調周波数を掃引することによって、キャリア寿命を定量的に精度良く求めることが可能になる。
　さらに、材料の１点に対してキャリア寿命の定量値が求まれば、それ以降は、２つの固定した変調周波数を用いて、減衰光２６を蓄積（積分）した検知光を測定し、異なる変調周波数で得られた２つの検知光の強度の比を求めることで、発光強度（発光確率）を相殺して、キャリア寿命の強度成分を絶対的な測定値として抽出することが可能になる。この測定方法により、変調周波数を常に掃引しなくても、高速にキャリア寿命を定量的に求めることが可能になる。以下、この測定方法について説明する。
　図９ないし図１１は、材料の場所によって発光強度（発光確率）とキャリア寿命が変動する材料を想定して、材料のそれぞれの場所からキャリア寿命の情報を単独で抽出する測定方法のシミュレーション結果を示している。
　図９に示すように、このシミュレーションでは、発光強度（発光確率）とキャリア寿命が場所によって互いに異なった特性で変動している材料を想定する。図９の横軸は、材料におけるＸ方向の座標位置を示している。この材料は、発光強度（発光確率）がＸ座標の右へ行くにしたがって徐々に低下し、キャリア寿命はＸ座標の変化に伴って波打つように増減している。
　図１０（Ａ）は、図９に示した材料のＸ座標上のある１点の領域において、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１のそれぞれの変調特性を、互いに逆の位相で且つ変調周波数を１ＭＨｚとしたときの波形を示している。図１０（Ａ）の波形の種類は図５と同じであり、（ａ）が励起側の変調波形、（ｂ）が材料から発せられるルミネッセンス光の強度波形、（ｃ）が受光側の変調波形、（ｄ）が減衰光が分離された分離波形である。
　図１０（Ａ）の（ｄ）において分離された分離光をＣＣＤ素子の露光時間内に相当する測定時間で積分することで検知光の強度が得られる。図１１では、変調周波数が１ＭＨｚのときの検知光の強度をＸ座標上の複数の点で求め、その点を結んだ変化曲線３１を二点鎖線で示している。
　図１０（Ｂ）は、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１のそれぞれの変調特性を、互いに逆の位相で且つ変調周波数を１０ＭＨｚとしたときの波形であり、図１０（Ａ）と同様に、（ａ）が励起側の変調波形、（ｂ）が材料から発せられるルミネッセンス光の強度波形、（ｃ）が受光側の変調波形、（ｄ）が減衰光が分離された分離波形である。図１０（Ｂ）の（ｄ）において分離された減衰光を１ＭＨｚのときと同じ測定時間で積分したのが変調周波数１０ＭＨｚでの検知光の強度である。図１１では、Ｘ座標上の複数の点で変調周波数が１０ＭＨｚのときの検知光の強度を求め、その強度を結んだ線３２を実線で示している。
　図１１では、変調周波数が１ＭＨｚのときの検知光の強度を結んだ変化曲線３１と、変調周波数が１０ＭＨｚのときの検知光の強度を結んだ線３２との比を求め、この比を結んだ線を実線の曲線３３で示している（１ＭＨｚ／１０ＭＨｚ）。この曲線３３の変動特性は、図９に示したキャリア寿命の変動曲線ときわめて近似しており、前記比がキャリア寿命を単独で抽出した情報に基づくものであることを理解できる。
　図８は、公称キャリア寿命のパラメータτ1が１３０ｎｓｅｃの材料において、キャリア寿命のパラメータがτ1／５から２τ1までばらつきがある材料に関して、前述した図９ないし図１１で説明したシミュレーションにより、変調周波数が１ＭＨｚのときに減衰光２６を蓄積（積分）して得た検知光の強度と、変調周波数が１０ＭＨｚのときに減衰光２６を蓄積（積分）して得た検知光の強度との比を求めた結果である。図８の横軸はキャリア寿命のパラメータτであり、縦軸が、（１ＭＨｚときの検知光の強度）／（１０ＭＨｚのときの検知光の強度）の比である。
　図８では、２つの変調周波数で得た検知光の比と公称キャリア寿命とが、ほぼ直線的に比例していることがわかる。よって、互いに異なる変調周波数で得た検知光の強度の比を求めることによって、キャリア寿命をその増減と比例する定量的な値として把握できることがわかる。これは、材料の発光強度（発光確率）ＡCWＰが相違し、図６に示す検知光の強度の飽和値が相違していたとしても、前記比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを意味している。
　図１２は、（ａ）に示すように、励起光を変調せずに材料に連続する励起光を与えた例を示している。このとき、（ｂ）に示すように、材料から連続するルミネッセンス光が得られ、（ｃ）に示すように材料からの発光を変調しないため、（ｄ）に示すように、受光装置のＣＣＤ素子で連続するルミネッセンス光が検知される。
　図１１には、ＣＣＤ素子の露光時間に相当する測定時間で図１２（ｄ）に示す連続光を積分して得られた検知光の強度の１／４を求め、Ｘ座標のそれぞれの場所で得られた（強度／４）を結んだ線３４を破線で示している。この線３４は、１０ＭＨｚの変調によって得られた検知光の強度を結んだ線３２ときわめて近似している。したがって、変調周波数が１ＭＨｚのときの検知光の強度を示す変化曲線３１と、連続する励起光を与えたときに得られた検知光の（強度／４）を示す線３４との比を求めると、この比の変動は曲線３３とほぼ一致する。
　したがって、励起光とルミネッセンス光を変調して得られた検知光の強度と、連続する励起光で得られた検知光の強度との比を求めることによっても、キャリア寿命の情報を単独で取り出すことができる。
　上記の実施の形態では、励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１による光の変調特性が、急峻に立ち上がり急峻に立ち下がる矩形波に従うことを前提とし、且つ励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１とが完全に同期して動作することを前提として説明してきた。しかし、変調装置の能力やノイズなどの影響で変調特性が正確な矩形波特性にならないことがあり、また励起側の変調装置１２の変調動作と受光側の変調装置２１の変調動作との間に時間ずれなどが生じる可能性がある。
　しかし、本発明の測定方法と測定装置は、変調特性が正確な矩形波でなくても、また励起側の変調と受光側の変調とに時間的なずれがあっても、その特徴を発揮でき、キャリア寿命に関する情報を単独で取り出すことが可能である。
　図１３に示す例では、（ａ）に示す励起側の変調装置１２による変調特性が台形波形となっている。そのため、材料から（ｂ）に示す特性のルミネッセンス光２４が発せられる。（ｃ）に示す受光側の変調装置２１による変調特性も台形波形である。（ａ）に示す励起側の台形波形の変調と、（ｃ）に示す受光側の台形波形の変調は、互いに逆位相で且つ同じ周波数で互いに同期している。ルミネッセンス光２４が、（ｃ）に示す特性の変調を受ける結果、受光装置２３で（ｄ）に示す分離光２５が検知される。
　（ｃ）に示す受光側の変調特性は台形波形であるため、（ｄ）に示す分離光２５で得られる光成分２６ａには、励起時間に続いて発光する減衰光のみならず、励起時間に発せられる光の成分の一部も含まれている。
　図９に示したのと同じ発光強度（発光確率）とキャリア寿命の変動特性を有する材料を想定し、図１３に示す変調波形により得られる検知光の強度をシミュレーションで求めた。
　図１３（ａ）（ｃ）に示す変調周波数を１ＭＨｚとして、Ｘ座標のそれぞれの場所で得られる分離光２５をＣＣＤ素子の露光時間に相当する測定時間で積分した検知光の強度を求め、図１４に、その変化曲線３１ａを二点鎖線で示している。また、図１３（ａ）（ｃ）に示す変調周波数を１０ＭＨｚとして、Ｘ座標のそれぞれの場所から得られた分離光２５を前記測定時間で積分した検知光の強度を求め、図１４に、その強度を結んだ線３２ａを実線で示している。
　変調周波数が１ＭＨｚのときに得られた検知光の強度と、変調周波数が１０ＭＨｚのときに得られた検知光の強度との比を求めたのが曲線３３ａである。この曲線３３ａは、図９に示すキャリア寿命の増減の特性ときわめて近似している。すなわち、図１３に示す変調特性に基づいて、異なる変調周波数で得られた検知光の強度の比を求めることによっても、キャリア寿命を単独で抽出した情報を得ることができる。
　図１５は、図１３に示す変調特性において１ＭＨｚの変調周波数で求められた検知光の強度と、１０ＭＨｚの変調周波数で求められた検知光の強度との比を求め、強度の比の変化を公称キャリア寿命との関係で示したものである。図１５は図８と同様の評価を行っているものである。図１５に示すように、前記比は公称キャリア寿命に対してほぼ直線的に変化しており、図１３に示す変調特性に基づき、異なる変調周波数で得られた検知光の強度の比を求めると、この比が、キャリア寿命の長短と比例的に対応していることがわかる。
　さらに、図１４には、図１２（Ｂ）と同様にして材料に連続する励起光を与えたときに得られる検知光の強度の１／４を求め、Ｘ座標上の複数の場所で求めた前記強度を結んだ線３４を破線で示している。この線３４と、台形波形で且つ１０ＭＨｚで変調したときの検知光の強度を示す線３２ａがほぼ一致している。したがって、図１３に示す台形波形の変調特性で変調して得られた検知光の強度と、材料を連続して励起したときに得られる検知光との比からも、キャリア寿命の情報を単独で抽出することが可能である。
　図１６に示すシミュレーションでは、（ａ）に示す励起側の変調特性が三角関数に近似した波形となっており、材料からは（ｂ）に示す特性のルミネッセンス光２４が発せられる。（ｃ）に示す受光側の変調特性も三角関数に近似した波形である。（ａ）に示す励起側の三角関数波形の変調と（ｃ）に示す受光側の三角関数波形の変調は、同じ周波数で互いに逆位相となるように同期している。（ｄ）には材料から発せられるルミネッセンス光２４を変調した分離光２５の強度変化が示されている。
　（ｂ）に示す特性のルミネッセンス光２４が、（ｃ）に示す三角関数波形の変調を受けるため、（ｄ）に示す分離光２５に含まれる光成分２６ｂには、励起時間の後に発せられる減衰光の成分のみならす、励起時間に発せられる光の成分の一部も含まれている。
　図１７には、図１６に示す三角関数波形で１ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度の変化曲線３１ｂと、三角関数波形で１０ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度の変動を示す線３２ｂと、変化曲線３１ｂと線３２ｂとの比を求めた曲線３３ｂとが示されている。この曲線３３ｂは、図９に示した材料のキャリア寿命の変動曲線と近似しており、キャリア寿命に関する情報が抽出されていることが解る。
　また、図１７に示す変化曲線３１ｂと、連続する励起光で得られたルミネッセンス光の強度の１／４の変化を示す線３４との比からも、前記曲線３３ｂと同等の特性が得られる。
　図１８は、図１５に相当しており、図１６に示す三角関数波形で１ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度と、三角関数波形で１０ＭＨｚの変調周波数で得られた検知光の強度との比と、公称キャリア寿命との関係を示したものである。図１８から、三角関数波形で変調したときも、異なる周波数で得られた検知光の強度の比を求めことで、キャリア寿命の成分と比例する情報を得ることが可能である。
　次に、発光強度の成分を除去し、キャリア寿命成分を定量化する測定方法は、前述のような異なる変調周波数による検知光の強度の比や、さらに連続光による検知光の強度の１／４の値を用いることの他、以下のような測定方法を用いることも可能である。
　図１９に示すシミュレーションは、図９に示す特性の材料を想定し、変調波形を相違させたときに得られる検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを示している。
　図１９（Ａ）は、図１０（Ａ）の波形と同じであり、（ａ）に示す励起側の変調波形が矩形波であり、（ｃ）に示す受光側の変調波形も矩形波である。（ａ）に示す励起側の変調波形と（ｃ）に示す受光側の変調波形は、同じ１ＭＨｚの周波数で互いに位相が逆となるように同期している。（ｄ）で得られた分離光をＣＣＤの露光時間に相当する測定時間で積分したのが検知光の強度である。図２０には、矩形波の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布が、二点鎖線の変化曲線３１ｃで示されている。
　図１９（Ｂ）は、図１６と同じ波形であり、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形とが三角関数に近似した曲線である。（ａ）の変調波形と（ｃ）の変調波形は同じ周波数であり、位相が１８０度ずれた逆位相となっている。また、図１９（Ａ）の（ａ）（ｃ）に示す矩形波と、図１９（Ｂ）の（ａ）（ｃ）に示す三角関数波形は、互いに同じ周波数であり、１ＭＨｚである。図２０には、三角関数波形の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布が、実線の変化曲線３２ｃで示されている。
　図２０には、矩形波の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３１ｃと、三角関数波形の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３２ｃとの比を求めた曲線３３ｃが示されている。この曲線３３ｃは、図９に示すキャリア寿命の変動曲線に近似しており、キャリア寿命の情報を反映していることがわかる。
　図２１には、（矩形波の変調による検知光の強度）／（三角関数波形の変調による検知光の強度）の比と、公称キャリア寿命との関係が示されている。図２１から、矩形波の変調で得られた検知光の強度と三角関数波形の変調により得られた検知光の強度の比の大小が、キャリア寿命の大きさの変化にほぼ追従していることを理解できる。
　図２２に示すシミュレーションは、図９に示す特性の材料を想定し、励起側の変調波形と受光側の変調波形との間の位相差を相違させて得られた２種類の検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを示している。
　図２２（Ａ）に示す波形は、図１０（Ａ）および図１９（Ａ）と同じであり、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形が、同じ１ＭＨｚの周波数で位相差が１８０度の矩形波である。（ｄ）で得られた分離光をＣＣＤの露光時間に相当する測定時間で積分したのが検知光の強度であり、図２３には、この検知光の強度のＸ座標上での分布が、二点鎖線の変化曲線３１ｄで示されている。
　図２２（Ｂ）は、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形とが矩形波であり、励起側と受光側との位相差が０度である。図２２（Ａ）の（ａ）（ｃ）に示す矩形波と、図２２（Ｂ）の（ａ）（ｃ）に示す矩形波は共にデューティ比が５０％であり、周波数はともに１ＭＨｚである。図２３には、図２２（Ｂ）の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布を示す線３２ｄが実線で示されている。
　図２３では、図２２（Ａ）の波形の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３１ｄと、図２２（Ｂ）の波形の変調で得られた検知光の強度の変化曲線３２ｄとの比を求めた曲線３３ｄが示されている。この曲線３３ｄは、図９に示すキャリア寿命の変動曲線に近似しており、キャリア寿命の情報を反映していることがわかる。
　図２４には、（図２２（Ａ）の変調による検知光の強度）／（図２２（Ｂ）の変調による検知光の強度）の比と、公称キャリア寿命との関係が示されている。図２４から、異なる位相差の矩形波で変調された２種類の検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命の成分と比例する情報を得ることが可能である。
　図２５ないし図２７に示すシミュレーションは、図９に示す特性の材料を想定し、変調波形のデューティ比を相違させて得られた２種類の検知光の強度の比を求めることで、キャリア寿命に関する情報を単独で抽出できることを示している。
　図２５（Ａ）に示す波形は、図１０（Ａ）と図１９（Ａ）および図２１（Ａ）と同じであり、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形が、同じ１ＭＨｚの周波数で互いに位相が逆の矩形波である。図２５（Ｂ）に示す波形は、（ａ）に示す励起側の変調波形と、（ｃ）に示す受光側の変調波形が、１ＭＨｚの周波数で逆位相の矩形波である。ただし、図２５（Ａ）は、変調波形のデューティ比が５０：５０であるのに対し、図２５（Ｂ）は、デューティ比が９０：１０である。
　図２６には、図２５（Ａ）の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布を示す変化曲線３１ｆが二点差線で示され、図２５（Ｂ）の変調で得られた検知光の強度のＸ座標上での分布を示す変化曲線３２ｆが実線で示されている。また、変化曲線３１ｆと変化曲線３２ｆとの比を求めた曲線３３ｆが示されている。この曲線３３ｆは、図９に示すキャリア寿命の変動曲線に近似しており、キャリア寿命の情報を反映していることがわかる。
　図２７には、（図２５（Ａ）の変調による検知光の強度）／（図２５（Ｂ）の変調による検知光の強度）の比と、公称キャリア寿命との関係が示されている。図２６と図２７とから、デューティ比を相違させて測定した検知光の強度の比から、キャリア寿命の情報を抽出できることがわかる。
　上記の各実施の形態では、以下の例について説明した。
（１）異なる周波数の変調で得られた２種類の検知光の強度の比を求める。
（２）間欠的な励起により得られた検知光の強度と、連続する励起により得られた検知光の強度との比を求める。
（３）矩形波以外の波形で励起側の変調または受光側の変調を行う。
（４）互いに波形が相違する変調で得た２種類の検知光の強度の比を求める。
（５）励起側の変調と受光側の変調との位相差を互いに相違させて得た２種類の検知光の強度の比を求める。
（６）異なるデューティ比の変調で得られた２種類の検知光の強度の比を求める。
　上記の条件は、互いに組み合わせることが可能である。
　例えば、図２８（Ａ）に示す例えば１ＭＨｚの矩形波の変調で得られた検知光の強度と、図２８（Ｂ）に示す三角関数に近似した波形であって矩形波よりも周波数が高い例えば１０ＭＨｚの変調で得られた検知光の強度の比を求めることによっても、キャリア寿命に関する情報を独立させて抽出することが可能である。
　また、図５や図１０（Ａ）に示す例では、（ａ）で示す励起側の変調と、（ｃ）で示す受光側の変調とを、共にデューティ比が５０％で逆位相の矩形波とすることによって、材料に励起を与える励起時間の終末に続く減衰光を励起中の光から分離している。これに対し、図２９に示す例では、（ａ）で示す励起側の変調と、（ｃ）で示す受光側の変調が、共にデューティ比が４０％の矩形波に基づくものであり、励起側の変調と受光側の変調とで位相が１４４度ずれている。この構成によっても、材料に励起を与える励起時間の終末に同期させて、減衰光を励起中の光から分離することができる。このように、励起側の変調と受光側の変調は、位相差１８０°およびデューティ比５０％に限定されるものではなく、減衰特性を分離可能な変調波形であればよい。
　図３０には、これまで説明した測定方法を実現するのに最適な測定装置４０が示されている。
　図４に示した基本構造の測定装置１と同様に、励起装置１０は励起源１１と励起側の変調装置１２を有している。励起源１１は連続発光の半導体レーザであり、変調装置１２は音響光学素子である。励起源１１で発せられた連続光１３は、変調装置１２で変調されて励起光１４となる。
　変調装置１２の前方にレンズ４１が設けられており、変調された励起光１４が光学的に変調されて、材料３０の表面の所定の面積の領域に与えられる。レンズ４１は、コリメートレンズや焦点比の大きい凸レンズまたは凹レンズ、あるいはそれらの組み合わせであり、材料３０の所定の面積の領域に与えられる光量の差が最小となるように構成される。
　検知装置２０は、受光側の変調装置２１と受光装置２３を有している。変調装置２１は音響光学素子である。材料３０と変調装置２１との間に集光レンズ４２が設けられている。材料３０の所定の領域から発せられるルミネッセンス光２４は、集光レンズ４２で集光されて変調装置２１に与えられ、変調装置２１で分離された分離光２５が受光装置２３で受光される。受光装置２３は複数のＣＣＤ素子が配列した受光素子アレイであり、その前方に、分離光２５を受光素子アレイに集光させるカメラレンズ４３が設けられている。なお、検知装置２０には必要に応じて図４に示したフィルタ２２が装備される。
　受光装置２３に設けられた受光素子アレイが、二次元的に配列した複数のＣＣＤ素子を有しているものであれば、材料３０の所定面積の領域から発せられたルミネッセンス光２４を個々のＣＣＤ素子で同時に受光することが可能になる。個々のＣＣＤ素子で得られた検知光の強度によって、一定の面積の領域のそれぞれの点のキャリア寿命の情報を得ることができる。また、それぞれのＣＣＤ素子で検知された検知光の強度に対し、図１１の曲線３３に示すような比の演算を行うことで、広い領域内のそれぞれの点に関して、キャリア寿命に関する情報を抽出することが可能である。
　また、受光装置２３に設けられた受光素子アレイが、１列または複数の列を成すＣＣＤ素子を有しているものである場合には、材料３０が設置されたテーブルを前記列と直交する方向へ間欠的または連続的に移動させる移送装置４５を設けることによって、材料３０の広い面積からのルミネッセンス光を、受光装置２３のＣＣＤ素子によって順次取得することが可能である。これは、材料３０が設置されたテーブルが固定されて、測定装置４０が移動しても同じである。
　図３０に示す測定装置４０は、変調制御部４６を有している。この変調制御部４６によって励起側の変調装置１２と受光側の変調装置２１が制御され、各図に示したように、励起光の変調とルミネッセンス光の変調が行なわれる。
　測定装置４０には、主制御部としても機能する判別部４７が設けられ、励起源１１と変調装置１２，２１が制御される。これとともに、受光装置子２３の個々のＣＣＤ素子がその露光時間に蓄積して得た検知光が、メモリに保持された後に、ディジタル値に変換されて判別部４７に与えられる。判別部４７で、図１１の曲線３３に示すような比の演算が行われ、個々のＣＣＤ素子を画素単位として、材料３０の測定領域のそれぞれの点のキャリア寿命の情報を得ることができる。
　判別部４７で演算された材料３０のそれぞれの点のキャリア寿命の情報は、所定面積の領域内の比較情報として使用することができる。例えば、それぞれの点のキャリア寿命を数字情報として表示装置に表示することができ、または、キャリア情報に対応する濃淡を有するイラスト画像として表示させることなどが可能になる。この場合、個々のＣＣＤが濃淡の画素単位となる。
　図３１に示す測定装置４０Ａは、材料３０から発せられるルミネッセンス光２４を分離するビームスプリッタ５１が設けられて、ルミネッセンス光２４が集光レンズ４２に向かう成分と第２のカメラレンズ５２に向かう成分とに分離される。そして、第２のカメラレンズ５２を経た光が変調装置を介することなく、第２の受光装置５３に与えられる。この測定装置４０Ａでは、一度の測定で、ルミネッセンス光２４を変調した検知光と、無変調の検知光を得ることができる。
　または、ビームスプリッタ５１で分離された光を第２の変調装置で変調して受光装置５３で検知してもよい。これにより、一度の測定で異なる変調の検知光を得ることができる。
　なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
　例えば、励起源１１として間欠的に発光するパルス発光レーザを使用すると、変調装置１２を設けなくても、種々のデューティ比に変調した励起光１４を得ることができる。また、受光装置２３を、それぞれの検知素子が光を間欠的に受光し、間欠的に受光した検知出力をメモリに蓄積できるものを使用すれば、変調装置２１を設けなくても、ルミネッセンス光からキャリア寿命の成分である減衰光を分離し、さらに分離した減衰光を所定の露光時間に蓄積することが可能である。
　さらに励起装置１０が励起光を発するものではなく、間欠的な電力を発生するものであり、この電力で材料３０内のキャリアが励起され再結合して発光するエレクトロルミネッセンスにより、キャリア寿命を測定することも可能である。
　さらに、本願発明の測定方法および測定装置の対象である材料は、シリコン（Ｓｉ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、シリコン・ゲルマニウム合金（ＳｉＧｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、カルコパイライト型化合物（ＣｕＩｎＳ２）、カルコパイライト系多結晶膜（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）、フラーレン（Ｃ６０）誘導体系有機半導体、などの半導体結晶材料が典型的なものであるが、これら以外の半導体材料であってもよい。
　さらには、励起光や励起電力によって、内部のキャリアが励起されて活性化し、電子などのキャリアのエネルギーレベルが低下する際に光を発するものであれば、有機材料や高分子材料などであってもよい。
１　測定装置
１０　励起装置
１１　励起源
１２　変調装置
１３　連続光
１４　励起光
２０　検知装置
２１　変調装置
２２　フィルタ
２３　受光装置
２４　ルミネッセンス光
２５　分離光
２６　減衰光
３０　半導体材料
４０　測定装置
４１　レンズ
４２　集光レンズ
４３　カメラレンズ
４５　移送装置
４６　変調制御部
４７　判別部
５１　ビームスプリッタ
５２　カメラレンズ
５３　受光装置

Claims (36)

  1. 　材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定方法において、
    　励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与え、
    　複数の励起時間を含む長さの測定時間内に、材料から励起時間に発せられる光と励起時間の終末に続いて発せられる減衰光とを分離し、
    　前記測定時間内に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知し、蓄積された検知光の強度に基づいてキャリアの寿命を測定することを特徴とするキャリア寿命の測定方法。
  2. 　材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に取得することで、励起時間に発せられる光から減衰光を分離する請求項１記載のキャリア寿命の測定方法。
  3. 　材料から発せられる光を励起時間の途中から取得することで、励起時間に発せられる光と、前記光の一部および減衰光とを分離する請求項１記載のキャリア寿命の測定方法。
  4. 　励起源から発せられる励起を励起側の変調装置に通過させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与える請求項１ないし３のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  5. 　励起源から励起を断続的に発生させて、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように、材料に励起を与える請求項１ないし３のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  6. 　材料から発せられる光を受光側の変調装置に通過させて、励起時間に発せられる光から減衰光を分離し、測定時間に相当する露光時間を有する受光装置によって、複数の減衰光を蓄積して検知する請求項１ないし５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  7. 　材料から発せられる光を間欠的に受光できる受光装置を用いて、励起時間に発せられる光から減衰光を分離するとともに、測定時間内に複数の減衰光を蓄積して検知する請求項１ないし５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  8. 　前記受光装置は、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子で複数の減衰光を蓄積して検知する請求項６または７記載のキャリア寿命の測定方法。
  9. 　複数の受光素子が二次元的に配列した受光装置を使用し、材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光をそれぞれの受光素子で同時に取得し、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得る請求項８記載のキャリア寿命の測定方法。
  10. 　複数の受光素子が列を成して配列した受光装置を使用し、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光を同時に取得し、この取得ラインを移動させて、材料の一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報を得る請求項８記載のキャリア寿命の測定方法。
  11. 　材料に複数の周波数の励起を与え、それぞれの周波数の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、異なる周波数の励起で得られた前記検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去して、キャリアの寿命成分を定量化して測定する請求項１ないし１０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  12. 　励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに、減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度と、材料から発せられる光を連続して検出して得られる検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する請求項１ないし１０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  13. 　材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積した検知光を取得し、異なる波形の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する請求項１ないし１０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  14. 　材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、減衰光を蓄積して検知した検知光を取得し、異なる位相の変調で得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する請求項１ないし１０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  15. 　材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比、および励起時間に発せられる光から減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させ、異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する請求項１ないし１０のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  16. 　材料に与える励起が励起光である請求項１ないし１５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  17. 　材料に与える励起が励起電力である請求項１ないし１５のいずれかに記載のキャリア寿命の測定方法。
  18. 　材料に励起を与え、材料から発せられる光を検知する測定装置において、
    　励起時間が間隔を空けて繰り返される励起を材料に与える励起装置と、
    　複数の励起時間を含む長さの測定時間内に、材料から励起時間に発せられる光と励起時間の終末に続いて発せられる減衰光とを分離し、前記測定時間内に、分離された複数の前記減衰光を蓄積して検知する検知装置と、
    　を有することを特徴とするキャリア寿命の測定装置。
  19. 　前記励起装置が、励起源と、励起源から発せられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように変調する励起側の変調装置とを有する請求項１８記載のキャリア寿命の測定装置。
  20. 　前記励起装置が、励起時間が間隔を空けて繰り返されるように励起を発する励起源を有している請求項１８記載のキャリア寿命の測定装置。
  21. 　前記励起源が、発光源である請求項１９または２０記載のキャリア寿命の測定装置。
  22. 　前記励起源が、励起電力の発生源である請求項１９または２０記載のキャリア寿命の測定装置。
  23. 　前記検知装置は、前記材料から発せられる光を、励起時間に発せられる光と減衰光とに分離する変調装置と、測定時間に相当する露光時間内に複数の減衰光を蓄積して検知する受光装置とを有する請求項１８ないし２２のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  24. 　前記検知装置は、材料から発せられる光を間欠的に受光して、励起時間に発せられる光から減衰光を分離するとともに、複数の減衰光を蓄積して検知する受光装置を有する請求項１８ないし２２のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  25. 　前記検知装置は、材料から発せられる光を励起時間の終末と同時またはそれ以後に取得することで、励起時間に発せられる光から減衰光を分離する請求項２３または２４記載のキャリア寿命の測定装置。
  26. 　前記検知装置は、材料から発せられる光を励起時間の途中から取得することで、励起時間に発せられる光と、前記光の一部および減衰光とを分離する請求項２４記載のキャリア寿命の測定装置。
  27. 　前記受光装置は、複数の受光素子が配列したものであり、それぞれの受光素子が複数の減衰光を蓄積して検知する請求項２３ないし２６のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  28. 　前記受光装置が、二次元的に配列した複数の受光素子を有しており、それぞれの受光素子で材料の一定の面積の領域から発せられた減衰光が取得されて、前記領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られる請求項２７記載のキャリア寿命の測定装置。
  29. 　前記受光装置が、列を成して配列する複数の受光素子を有し、前記受光装置と材料とを前記列と交叉する向きに相対的に移動させる移送装置を有しており、複数の受光素子によって材料から発せられる減衰光が同時に取得されるとともに、この取得ラインが移動して、一定の面積の領域内における位置とキャリア寿命に関する情報が得られる請求項２７記載のキャリア寿命の測定装置。
  30. 　材料と前記検知装置との間に波長フィルタが設けられている請求項１８ないし２９のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  31. 　材料と前記検知装置との間に偏光フィルタが設けられている請求項１８ないし２９のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  32. 　材料に与える励起の周波数を変化させる励起装置が設けられ、
    　異なる周波数で励起したときに前記検知装置で取得される検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられている請求項１８ないし３１のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  33. 　材料に与えられる励起を、励起時間が間隔を空けて繰り返して与える励起装置が設けられ、
    　励起時間が間隔を空けて繰り返されるように材料に励起を与えたときに前記検知装置で取得される検知光の強度と、前記検知装置で材料から発せられる光を連続して検出した検出光の強度との比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられている請求項１８ないし３１のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  34. 　材料に与える励起を異なる波形で変調して、それぞれの変調波形の励起において材料から発せられる減衰光を蓄積して検知する検知装置が設けられ、
    　異なる波形の変調で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられている請求項１８ないし３１のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  35. 　材料から発せられる光を互いに相違する位相の波形で変調して、減衰光を蓄積して検知する検知装置が設けられ、
    　異なる位相の変調で得られた検知強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられている請求項１８ないし３１のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
  36. 　材料に励起を与える間隔と励起時間とのデューティ比を相違させる励起装置と、励起時間に発せられる光と減衰光を分離するときの分離時間とこの分離時間の間隔とのデューティ比を相違させる検知装置とを有し、
    　異なるデューティ比のときに減衰光が蓄積されて得られた検知光の強度の比から、発光強度の成分を除去し、キャリアの寿命成分を定量化して測定する判別部が設けられている請求項１８ないし３１のいずれかに記載のキャリア寿命の測定装置。
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