JP2007263624A - 内部量子効率測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部量子効率を正確に測定する。
【解決手段】受光素子１５は、測定デバイス１から出力された微小の立体角ｄωの光パルスを受光する。ロックインアンプ１６は、受光素子１５の正確な受光量Ｐ（Ｗ）を検出する。測定器１７は、ロックインアンプ１６で検出された受光量Ｐ、光取出し効率Ｔを用いて、測定デバイス１の内部量子効率η_intを測定する。ここで、受光素子１５で受光された光パルスは、測定デバイス１から出力された微小の立体角ｄωの光パルスである。よって、光取出し効率Ｔは、測定デバイス１のフレネル反射量のみで計算できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子の内部量子効率を測定する内部量子効率測定装置及び方法に関する。

発光デバイスの動作を解明するため又は発光デバイスをディスプレイに応用するためには、発光デバイスの量子効率を測定することが重要である。ここで、発光デバイスは、電子と正孔とが再結合することによって光子を外部に出力するが、再結合によって必ず光子を出力とは限らない。そこで、発光デバイスの発光層に注入された電子の数Ｎｅに対する放出された光子の数Ｎｐの比を「内部量子効率η_int」という（η_int＝Ｎｐ／Ｎｅ）。

しかし、発光層で光子が放出されたとしても、その光子が人の目に飛び込んでくるとは限らない。光子は、発光層の内部で境界面での全反射により外部に放出されない場合もある。そこで、光子の数に対して外部に放出される光子の数の比を「光取出し効率」という。

また、内部量子効率に光取出し効率を乗じたものが「外部量子効率η_out」である。なお、外部量子効率は、発光デバイスへの投入電力Ｐｉｎに対する光出力Ｐｏｕｔの比でも表される（η_out＝Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ）。

従来、発光デバイスの外部量子効率を測定する手法として、電界発光素子の量子効率を測定する方法及びそれに用いるシステムが開示されている（特許文献１参照）。特許文献１の技術は、電界発光素子の正面での輝度データＬ₀（ｊ）と観測角θにおけるスペクトルＥ（λ、θ）及び放射パターンＩ（θ）のデータとから、特許文献１の式（１）に従って量子効率を計算するものである。

また、発光層自体の内部量子効率の測定手法としては、ＰＬ（Photoluminescence）の温度消光により評価することが提案されている（非特許文献１参照。）。非特許文献１の技術は、半導体の発光機構が熱活性（活性で暗くなる）型であること、つまり温度が上がるにしたがって発光強度が低下することを利用したものであり、ＰＬの光強度の温度依存性を測定することにより、内部量子効率を評価するものである。
特開２００１−２５０６７５号公報 Ａｋａｓａｋａ、外３名、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８５，３０８９（２００４）

しかし、特許文献１の技術では、光取出し効率を測定することができない、すなわち光取出し効率を詳細に見積もることができない。このため、発光層の内部量子効率のみを評価することができない問題がある。

非特許文献１の技術では、低温でのＰＬに対する相対量で評価（低温での量子効率が１である保証はない。）するため、正確に評価することができず、また、励起光強度の依存性があるために、評価の信頼性に欠ける問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、内部量子効率を正確に測定することができる内部量子効率測定装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明に係る内部量子効率測定装置は、発光素子から所定の立体角で出力された光を受光する受光手段と、前記所定の立体角と、前記受光手段により検出された受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、前記発光素子の内部量子効率を測定する測定手段と、を備えている。

従来、正確な光取出し効率を求めるができないため、発光素子の内部量子効率を測定できなかった。そこで、受光手段で検出される光が発光素子から所定の立体角で出力された場合には、光取出し効率を発光素子のフレネル反射量のみで計算可能になる。

したがって、本発明に係る内部量子効率測定装置は、発光素子から所定の立体角で出力された光の受光量と、所定の立体角と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、発光素子の正確な内部量子効率を測定することができる。

本発明に係る内部量子効率測定装置は、発光素子から出力された光軸上の光を受光する受光手段と、前記受光手段により検出された受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、前記発光素子の内部量子効率を測定する測定手段と、を備えている。この場合、受光手段で検出される光が発光素子からの光軸上の光であるので、光取出し効率を発光素子のフレネル反射量のみで計算可能になる。

したがって、本発明に係る内部量子効率測定装置は、発光素子から出力された光軸上の光の受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、発光素子の正確な内部量子効率を測定することができる。

なお、本発明は、内部量子効率測定方法にも適用可能である。

本発明に係る内部量子効率測定装置及び方法は、発光素子の正確な内部量子効率を簡便に測定することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る内部量子効率測定装置１０の構成を示す図である。

内部量子効率測定装置１０は、発光デバイスである測定デバイス１に変調信号を供給する変調器１１と、測定デバイス１から出力された光を絞る絞り１２と、絞り１２を通過した光を集光するレンズ１３と、面積Ｓ（ｍ²）のピンホールを有するピンホール板１４と、光を受光する受光素子１５と、雑音に埋もれた微小な繰り返し信号を測定するロックインアンプ１６と、内部量子効率を測定する測定器１７と、を備えている。

測定デバイス１は、変調器１１によって生成された変調信号に基づいて駆動され、変調信号に応じた光パルスを出力する。測定デバイス１から出力される光パルスの光軸上には、絞り１２、レンズ１３、ピンホール板１４、受光素子１５が設けられている。
絞り１２は、測定デバイス１から出力された光パルスが立体角ｄωになるように、絞り面積を調整する。絞り１２を通過した光パルスは、結像倍率Ｍのレンズ１３、ピンホール板１４に設けられた面積Ｓ（ｍ²）のピンホールを介して、受光素子１５の受光面に結像する。

受光素子１５は、測定デバイス１から出力された微小の立体角ｄωの光パルスを受光し、受光量に応じて生成された雑音を含む微弱な繰り返し信号を出力する。ロックインアンプ１６は、変調器１１で生成された変調信号を参照信号とし、受光素子１５から供給された信号を測定することによって、受光素子１５の正確な受光量Ｐ（Ｗ）を検出する。

測定器１７は、ロックインアンプ１６で検出された受光量Ｐを用いて、（１）式に従って内部量子効率η_intを測定する。

ここで、ｅは素電荷、ｈはプランク定数、νは光の周波数（Ｈｚ）、Ｊは測定デバイス１に注入される電流密度（Ａ／ｍ²）、Ｍはレンズ１３の結合倍率、Ｓはピンホール面積（ｍ²）、Ｋは測定系の透過率、Ｔは測定デバイス１の結晶からの光取出し効率を表す。

なお、内部量子効率測定装置１０は、測定デバイス１のフレネル反射量のみで光取出し効率Ｔを計算し、その光取出し効率Ｔを用いて内部量子効率を測定する。以下、その原理について説明する。

［内部量子効率測定装置１０の原理］
微小発光面積をｄｓ（ｍ²）の測定デバイス１を注入電流密度Ｊ（Ａ／ｍ²）で駆動する。発光層の微小発光面積ｄｓを流れる電子数をＮｅとし、このとき光出力される全光子数をＮｐとする。発光層の内部量子効率η_intは、光子数と電子数の比で表される。よって、（２）式及び（３）式が成り立つ。

ここで、Ｊは電流密度、ｅは素電荷である。この微小発光面積ｄｓを点光源と考え、ここからの全パワーをＰ₀（Ｗ）とする。プランク定数ｈと光の周波数ν（Ｈｚ）を用いると、（４）式が成り立つ。

上記点光源を完全拡散光源と考えると、これより生じる輝度Ｌ（Ｗ／ｓｒ）は（５）式のようになる。

測定において、立体角ｄω（ｓｒ）で上記を測定したときの受光量をＰ（Ｗ）とすると、式（６）となる。

（２）〜（６）式より、測定時の受光量Ｐは（７）式となる。

ここで、Ｓはピンホール面積、Ｍは測定計の結像倍率、Ｋは測定系の透過率、Ｔは測定デバイス１の結晶からの光取出し効率を表す。

通常、測定デバイス１からの光取出し効率を評価するのは困難である。その理由は、デバイス材料の屈折率により、光取出し領域（通常大気あるいは封止樹脂）への臨界角が決まり、図２に示すように、点光源からの全パワーがすべて光出力として材料外に取り出されるわけではないためである。

これに対して、内部量子効率測定装置１０は、微小な立体角ｄωを用いる。このため、デバイス材料から光取出し領域への光取出し効率は、図３に示すように、デバイス材料の屈折率によるフレネル反射量のみで計算される。よって、内部量子効率測定装置１０は、光取出し効率Ｔを用いて発光層の内部量子効率を詳細に評価できる。

したがって、（７）式より、内部量子効率η_intは次の（８）式で表される。

また、光取出し効率Ｔは、境界層での透過率となり、（９）式で表される。

ｎ１は光取出し領域の屈折率、ｎ２はデバイス材料の屈折率である。境界層が複数存在しても、同様にフレネル反射量で考えられる透過率を用いることができる。また、裏面反射電極の構造デバイスにおいては、図４に示すように、電極反射率Ｒを考慮して、図３の場合と同様にすればよい。このとき、光取出し効率Ｔ’は、近似的に次の（１０）式のようになる。但し、境界層と反射電極間の複数回反射は除く。

αは発光層を１回通過したときの透過率である。一般に薄い発光層であれば、発光層での吸収はほとんどなく、α＝１と考えてよい。

［立体角ｄωの制約］
測定デバイス１の微小発光面積ｄｓ以外の領域からの光を立体角ｄωで受けると、測定誤差が生じる。

図５は、立体角ｄωを２次元平面へ投影して測定誤差を説明するための図である。図５において、次の（１１）式が成り立つ。

Ａは図１に示す絞り１２の絞り面積（ｍ²）、ｄ₂は絞り直径（ｍ）である。よって、立体角ｄωの２次元平面での角度θは（１２）式となる。

ここで、微小発光面積ｄｓ外の発光点からの光が、反射電極において角度θ’で反射して、微小発光面積ｄｓ内に進入すると考える。このとき、θ’≦θであれば、この発光点からの光は受光素子で検出される。なお、θ’は（１３）式で表される。

δｄは微小発光面積ｄｓの外郭から発光点までの距離、ｄａは発光層から反射電極までの距離である。２次元平面で考えると、距離δｄと微小発光面積ｄｓに相当する２次元平面サイズｄ₁の比が誤差Ｅになると考えられる。すなわち、（１４）式が成り立つ。

ここで、微小発光面積ｄｓについて、次の（１５）式及び（１６）式が成り立つ。

よって、ｄ１について（１７）式が成り立つ。

ここで、θ＝θ’となる条件を考えると、（１８）式が成り立つ。

そして、（１８）式から（１９）式が導かれる。

（１９）式において、（Ｓ／Ｍ）＝ｄｓであることを考慮すると、（２０）式及び（２１）式が成り立つ。

（２０）式及び（２１）式によると、誤差Ｅは（ｄω）^1/2に比例することが分かる。

例えば、
ｄｓ＝１．９６３×１０^-11（ｍ²）（φ５μｍ相当）
ｄａ＝０．１（μｍ）
ｄω＝７．０６９×１０^-4（ｓｒ）（φ３ｍｍ、ｒ＝１００ｍｍ相当）
θ＝０．８６（ｄｅｇ）
の場合、
Ｅ＝３．００×１０^-4・・・δｄ＝１．５ｎｍ
となる。よって、微小発光面積ｄｓから１．５ｎｍ離れた発光点からの光は受光素子では検出されない。

以上のように、本発明の実施の形態に係る内部量子効率測定装置１０は、測定デバイス１から出力された微小の立体角ｄωの光を検出することにより、光取出し効率Ｔとして、測定デバイス１のフルネル反射量による透過量を用いることができる。この結果、内部量子効率測定装置１０は、従来測定できなかった光取出し効率Ｔを正確に求めることができるので、光取出し効率Ｔを用いて正確な内部量子効率を簡便にかつ短時間で測定することができる。

また、内部量子効率測定装置１０は、レンズ１３を用いた結像系であるため、拡大系の結像条件とすることにより、測定デバイス１の発光像を受光素子１５で大きく結像させ、結像された像に対してピンホールの穴径を十分小さくすることができる。そこで、内部量子効率測定装置１０は、結像された像内において十分小さいピンホールを様々な位置に移動して配置することによって、測定デバイス１の発光面内における内部量子効率の分布も測定することができる。

なお、発光デバイスの高出力化のためには、測定デバイスの組み立ての際に発光層での内部量子効率を詳細に把握して、層構造の最適化を検討しなければならない。これに対して、内部量子効率測定装置１０は、測定デバイスの組み立ての途中でも、内部量子効率、及び発光面内の特性変動も詳細に評価することができるので、発光デバイスの開発には非常に重要なものといえる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。

上述した実施の形態では、内部量子効率測定装置１０が測定デバイス１から出力された微小の立体角ｄωの光を検出する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、「測定デバイス１から出力された微小の立体角ｄωの光」を「測定デバイス１の光軸上の光」としてもよい。このときも光取出し効率Ｔはフレネル反射量のみで計算可能であるので、上述した手法で内部量子効率を高精度で測定することができる。

上述した実施の形態では、受光素子１５の受光量は微小となるためロックインアンプ１６を用いた。しかし、ロックインアンプ１６の代わりに平均化処理方法を用いて受光量を検出してもよいのは勿論である。

また、微小な立体角ｄωは、光成分が発光層の外に出力される状態であれば特に限定されるものではないが、例えば臨界角相当の１／１０以下であるのが好ましい。

本発明の実施の形態に係る内部量子効率測定装置１０の構成を示す図である。 測定デバイスの発光層から放出される光の状態を説明するための図である。 測定デバイスの発光層から放出される光の状態を説明するための図である。 測定デバイスの発光層から放出される光の状態を説明するための図である。 立体角を２次元平面へ投影して測定誤差を説明するための図である。

符号の説明

１０ 内部量子効率測定装置
１ 測定デバイス
１１ 変調器
１２ 絞り
１３ レンズ
１４ ピンホール板
１５ 受光素子
１６ ロックインアンプ
１７ 測定器

Claims (6)

1. 発光素子から所定の立体角で出力された光を受光する受光手段と、
   前記所定の立体角と、前記受光手段により検出された受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、前記発光素子の内部量子効率を測定する測定手段と、
   を備えた内部量子効率測定装置。
2. 発光素子から出力された光軸上の光を受光する受光手段と、
   前記受光手段により検出された受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、前記発光素子の内部量子効率を測定する測定手段と、
   を備えた内部量子効率測定装置。
3. 前記発光素子から出力された光を前記受光手段の受光面上に結像する結像手段と、
   前記結像手段により結像された像より小さい穴径のピンホールを有するピンホール部材と、を更に備え、
   前記受光手段は、前記結像手段、前記ピンホール部材のピンホールを介した光を受光し、
   前記測定手段は、前記ピンホール部材のピンホール位置を前記結像された像の内部で移動させて、前記発光素子の発光面上の内部量子効率分布を測定する
   請求項１または請求項２に記載の内部量子効率測定装置。
4. 発光素子から所定の立体角で出力された光を受光手段で受光し、
   前記所定の立体角と、前記受光手段により検出された受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、前記発光素子の内部量子効率を測定する
   内部量子効率測定方法。
5. 発光素子から出力された光軸上の光を受光手段で受光し、
   前記受光手段により検出された受光量と、前記発光素子のフレネル反射量と、に基づいて、前記発光素子の内部量子効率を測定する
   内部量子効率測定方法。
6. 前記発光素子から所定の立体角で出力された光を前記受光手段の受光面上に結像するにあたり、結像された像より小さい穴径のピンホールを介して、前記受光面上に結像し、
   前記受光手段により検出された受光量を用いて、前記ピンホール位置を前記結像された像の内部で移動させて、前記発光素子の発光面上の内部量子効率分布を測定する
   請求項４または請求項５に記載の内部量子効率測定方法。

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