JP6716374B2 - バンドギャップ測定方法、バンドギャップ測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、バンドギャップ測定方法、バンドギャップ測定装置に関する。

太陽電池のバンドギャップの面内分布は、品質の面から均一であることが好ましい。例えば、結晶系シリコン太陽電池のバンドギャップの面内分布は、１．１ｅＶ〜１．２ｅＶでほぼ一定である。一方、化合物系太陽電池の場合、その面内で均一の組成構造を有することは難しく、よってバンドギャップの面内分布にはばらつきがある。そのため、太陽電池のバンドギャップの面内分布を調べることで、太陽電池が良品であるのかどうかや、太陽電池が所望の組成構造を有するのかどうか等を知ることができる。

太陽電池のバンドギャップを調べる方法として、ＰＬ（Photoluminescence）法がある。この方法では、太陽電池の光吸収層のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を太陽電池に照射し、光吸収層で発光した光をプリズムで分光し、分光スペクトルの強度が最も強いピーク波長からバンドギャップを推定する（例えば、非特許文献１参照）。

ＣＩＧＳ薄膜太陽電池の最新技術、中田時夫監修、白方祥著、ｐ２５３−２５５、シーエムシー出版

しかしながら、上記のバンドギャップ測定方法の場合、一般的に点分析であり、かつ一点当たりの分光スペクトルデータを取得するための時間が長い。そのため、大面積の太陽電池のバンドギャップの面内分布を測定するには時間を要する。太陽電池以外の測定対象物、例えば、発光ダイオードや半導体レーザ等についても同様の問題がある。

本発明は、バンドギャップの面内分布を短時間で推定可能なバンドギャップ測定方法及びバンドギャップ測定装置を提供することを目的とする。

本バンドギャップ測定方法は、測定対象物を発光させるステップと、測定対象物が発する光を光学フィルタを介さない状態で受光して測定対象物の第１の画像を撮像するステップと、測定対象物が発する光を光学フィルタを介した状態で受光して測定対象物の第２の画像を撮像するステップと、第１の画像と第２の画像の輝度比を算出するステップと、輝度比に基づいて測定対象物のバンドギャップを算出するステップと、を有し、光学フィルタの波長と透過率の関係において、波長が大きくなるにつれて透過率は右肩上がりまたは右肩下がりであり、かつ異なる波長において同一の透過率となることがない。

本バンドギャップ測定装置は、測定対象物を発光させる励起源と、測定対象物が発する光の光路上に選択的に配置可能な光学フィルタと、測定対象物が発する光を光学フィルタを介さない状態で受光して測定対象物の第１の画像を撮像すると共に、測定対象物が発する光を光学フィルタを介した状態で受光して測定対象物の第２の画像を撮像する撮像素子と、第１の画像と第２の画像の所定位置の輝度比を算出し、輝度比に基づいて測定対象物の所定位置のバンドギャップを算出する演算手段と、を有し、光学フィルタの波長と透過率の関係において、波長が大きくなるにつれて透過率は右肩上がりまたは右肩下がりであり、かつ異なる波長において同一の透過率となることがない。

開示の技術によれば、バンドギャップの面内分布を短時間で推定可能なバンドギャップ測定方法及びバンドギャップ測定装置を提供することができる。

本実施の形態に係るバンドギャップ測定装置の構成を例示する模式図である。 本実施の形態に係るバンドギャップ測定装置に用いる光学フィルタの透過率スペクトルを例示する図である。 本実施の形態に係るバンドギャップ測定装置の計測部について説明する図であり、（ａ）は計測部のハードウェアブロック図、（ｂ）は計測部の機能ブロック図である。 本実施の形態に係るバンドギャップ測定方法を例示するフローチャートである。 本実施の形態に係るバンドギャップ測定装置の撮像素子が撮像した画像の例であり、（ａ）は光学フィルタを介さずに撮像した画像、（ｂ）は光学フィルタを介して撮像した画像である。 本実施の形態に係るバンドギャップ測定方法における輝度比（減光率）の算出について説明する図である。 本実施の形態に係るバンドギャップ測定方法においてピクセル毎の発光波長をマッピングした画像の例である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１は、本実施の形態に係るバンドギャップ測定装置の構成を例示する模式図である。図１を参照すると、バンドギャップ測定装置１は、励起源１０と、光学フィルタ２０と、撮像素子３０と、計測部４０とを有している。

測定対象物１００は、バンドギャップを有するものであれば特に限定されないが、例えば、太陽電池、発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体である。太陽電池の一例としては、半導体層がＣＩＳ系薄膜（銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、及びセレン（Ｓｅ）を含有する化合物からなる薄膜）からなる化合物系太陽電池を挙げることができる。

バンドギャップ測定装置１において、励起源１０は、測定対象物１００を発光させる機能を有している。図１の例では、励起源１０は、測定対象物１００に電圧を印加する電源であるが、測定対象物１００に光を照射する励起光源であってもよい。励起源１０から測定対象物１００に電圧を印加又は光を照射することにより、測定対象物１００が発光する。

光学フィルタ２０は、所定の透過率と波長の関係を有するフィルタである。図２に示すように、光学フィルタ２０は、波長の範囲内において透過率が極大値と極小値とを有していない。言い換えれば、光学フィルタ２０は、右肩下がりの透過率であり、異なる波長において同一の透過率となることはない。但し、図２の特性は一例であり、光学フィルタ２０は、透過率が極大値と極小値とを有していなければ、右肩上がりの透過率であってもよい。また、複数の光学フィルタを用いて透過率が極大値と極小値とを有していない光学フィルタを構成してもよい。

光学フィルタ２０は、測定対象物１００が発する光の光路上に選択的に配置可能に構成されており、測定対象物１００から撮像素子３０までの光路上に位置する場合と、光路外に位置する場合とを切り替え可能である。光学フィルタ２０の位置の切り替えは、計測部４０の制御により行ってもよいし、計測部４０とは独立に機械的に行ってもよい。

図１の説明に戻り、撮像素子３０は、測定対象物１００が発光した光を受光して２次元画像を撮像する機能を有している。撮像素子３０としては、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等を用いることができる。

前述のように、光学フィルタ２０は測定対象物１００が発する光の光路上に選択的に配置可能である。そのため、撮像素子３０は、測定対象物１００が発する光を光学フィルタ２０を介さない状態で受光して測定対象物１００の画像を撮像することができる。又、撮像素子３０は、測定対象物１００が発する光を光学フィルタ２０を介した状態で受光して測定対象物１００の画像を撮像することができる。

計測部４０は、励起源１０や撮像素子３０の制御、撮像素子３０から取得した２次元画像のデータの演算等を行う機能を有している。図３を参照して計測部４０について、より詳しく説明する。

図３（ａ）は、計測部４０のハードウェアブロック図である。図３（ａ）を参照すると、計測部４０は、ＣＰＵ４１と、ＲＯＭ４２と、ＲＡＭ４３と、Ｉ／Ｆ４４と、バスライン４５と、Ｍａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６とを有している。ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、Ｉ／Ｆ４４、及びＭａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６は、バスライン４５を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ４１は、計測部４０の各機能を制御する。ＲＯＭ４２は、ＣＰＵ４１が計測部４０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。ＲＡＭ４３は、ＣＰＵ４１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ４３は、所定の情報を一時的に記憶することができる。

Ｉ／Ｆ４４は、他の機器と接続するためのインターフェイスである。計測部４０は、例えば、Ｉ／Ｆ４４を介して撮像素子３０と接続され、撮像素子３０を制御したり撮像素子３０から２次元画像のデータを取得したりすることができる。又、計測部４０は、例えば、Ｉ／Ｆ４４を介して励起源１０と接続され、励起源１０を制御することができる。

Ｍａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６は、各種データを保存する機能を有する。Ｍａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６は、例えば、ハードディスクやＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）である。但し、Ｍａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６は、バンドギャップ測定装置１の外部に設けられてもよい。この場合のＭａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６は、例えば、外付けハードディスク、ＵＳＢメモリ、光ディスク等である。或いは、Ｍａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６は、オンラインストレージであってもよい。

図３（ｂ）は、計測部４０の機能ブロック図である。図３（ｂ）を参照すると、計測部４０は、機能ブロックとして、励起源制御手段４０１と、撮像素子制御手段４０２と、演算手段４０３とを有している。

図３（ａ）に示したＣＰＵ４１が所定のプログラムを実行し、必要に応じて他のハードウェア資源と協働することにより、励起源制御手段４０１、撮像素子制御手段４０２、及び演算手段４０３の機能を実現することができる。但し、励起源制御手段４０１、撮像素子制御手段４０２、及び演算手段４０３の一部又は全部の機能をＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のハードウェアにより実現してもよい。

図４のフローチャートを参照し、適宜他の図も参照しながら、計測部４０の各機能ブロックの動作を含めたバンドギャップ測定方法について説明する。

まず、ステップＳ２０１では、計測部４０の励起源制御手段４０１は、励起源１０を制御し、励起源１０である電源から測定対象物１００に電圧を印加させる。これにより、測定対象物１００が発光する。なお、励起源１０から測定対象物１００に電圧を印加させる代わりに、励起源１０として励起光源を準備し、励起光源から測定対象物１００に光を照射させてもよい。

次に、ステップＳ２０２では、光学フィルタ２０を、測定対象物１００から撮像素子３０までの光路外に位置する状態にする。そして、計測部４０の撮像素子制御手段４０２は、撮像素子３０を制御して、測定対象物１００が発光した光を光学フィルタ２０を介さない状態で撮像素子３０に受光させ、測定対象物１００の第１の画像を撮像させる。そして、撮像された第１の画像の２次元画像データ（以下、フィルタなし画像データとする）をＲＡＭ４３に一時的に記憶する。ステップＳ２０２で撮像された画像の一例を図５（ａ）に示す。

次に、ステップＳ２０３では、光学フィルタ２０を、測定対象物１００から撮像素子３０までの光路上に位置する状態にする。そして、計測部４０の撮像素子制御手段４０２は、撮像素子３０を制御して、測定対象物１００が発光した光を光学フィルタ２０を介した状態で撮像素子３０に受光させ、測定対象物１００の第２の画像を撮像させる。そして、撮像された第２の画像の２次元画像のデータ（以下、フィルタあり画像データとする）をＲＡＭ４３に一時的に記憶する。ステップＳ２０３で撮像された画像の一例を図５（ｂ）に示す。なお、ステップＳ２０２とＳ２０３とは順番が逆であってもよい。

次に、ステップＳ２０４では、計測部４０の演算手段４０３は、ＲＡＭ４３又はＭａｓｓ Ｓｔｏｒａｇｅ４６に記憶されている光学フィルタなしで撮像した画像データ及び光学フィルタありで撮像した画像データを読み出す。そして、読み出したそれぞれの画像データのピクセル毎の輝度値を比較してピクセル毎の輝度比（減光率）を算出する。

例えば、フィルタなし画像データの所定のピクセルの輝度値（発光強度）が図６（ａ）のＩであり、フィルタあり画像データの同一ピクセルの輝度値（発光強度）が図６（ｂ）のＩ_Ａであったとすると、Ｉ_Ａ／Ｉ×１００％が輝度比（減光率）となる。なお、Ｆは、光学フィルタ２０の各波長における透過率（透過率曲線）を示している。

或いは、フィルタなし画像データの所定のピクセルの輝度値が図６（ａ）のＩであり、フィルタあり画像データの同一ピクセルの輝度値が図６（ｂ）のＩ_Ｂであったとすると、Ｉ_Ｂ／Ｉ×１００％が輝度比となる。

同様に、フィルタなし画像データの所定のピクセルの輝度値が図６（ａ）のＩであり、フィルタあり画像データの同一ピクセルの輝度値が図６（ｂ）のＩ_Ｃであったとすると、Ｉ_Ｃ／Ｉ×１００％が輝度比となる。

次に、ステップＳ２０５では、計測部４０の演算手段４０３は、光学フィルタ２０の透過率と輝度比との関係に基づいて、ピクセル毎の発光波長を求める。光学フィルタ２０の透過率スペクトルは、例えば、ＲＡＭ４３に記憶しておき、必要なときに読み出せばよい。

透過率と輝度比は等しいので、例えば、ステップＳ２０４で算出した輝度比がＩ_Ａ／Ｉ×１００％であれば、光学フィルタ２０の透過率曲線Ｆから、そのピクセルの発光波長はＡであると算出できる。或いは、ステップＳ２０４で算出した輝度比がＩ_Ｂ／Ｉ×１００％であれば、光学フィルタ２０の透過率曲線Ｆから、そのピクセルの発光波長はＢであると算出できる。同様に、ステップＳ２０４で算出した輝度比がＩ_Ｃ／Ｉ×１００％であれば、光学フィルタ２０の透過率曲線Ｆから、そのピクセルの発光波長はＣであると算出できる。

なお、光学フィルタ２０の透過率曲線Ｆの傾斜が急峻であるほど、輝度比（減光率）から発光波長への変換誤差が小さくなり分解能が向上する点で好適である。

次に、ステップＳ２０６では、計測部４０の演算手段４０３は、ステップＳ２０５で算出したピクセル毎の発光波長からピクセル毎のバンドギャップを算出する。バンドギャップＥｇ（ｅＶ）と発光波長λ（ｎｍ）との間には、λ＝１２４０／Ｅｇの関係が成り立つ。そこで、例えば、Ｅｇとλとの関係をテーブルとしてＲＡＭ４３に記憶しておけば、テーブルを用いて、ステップＳ２０５で算出したピクセル毎の発光波長からピクセル毎のバンドギャップを算出することができる。

次に、ステップＳ２０７では、計測部４０の演算手段４０３は、ステップＳ２０５で算出したピクセル毎の発光波長をマッピングする。例えば、図７に示すように、ピクセル毎の発光波長の長短を色の濃淡で示すことができる。ステップＳ２０７を実行することにより、ピクセル毎の発光波長の長短（すなわち、ピクセル毎のバンドギャップの大小）を一度に視覚的に認識することが可能となる。但し、ステップＳ２０６でバンドギャップの算出が終了しているため、ステップＳ２０７の実行は必須ではない。

このように、バンドギャップ測定装置１では、フィルタありとフィルタなしの２枚の画像データを取得し、２枚の画像データを用いた画像処理によりピクセル毎の発光波長の長短（すなわち、ピクセル毎のバンドギャップの大小）を算出する。

そのため、従来のバンドギャップ測定方法のように、測定対象物の所定の位置毎に光を照射してバンドギャップを測定する必要がなくなり、測定対象物のバンドギャップの面内分布を短時間で推定することが可能となる。

本実施の形態に係るバンドギャップ測定方法は、非破壊検査であるため、例えば、太陽電池等の半導体の製造工程における出荷前品質検査に適用することができる。或いは、本実施の形態に係るバンドギャップ測定方法を、太陽電池等の半導体の市場変換品の解析に用いてもよい。また、本実施の形態に係るバンドギャップ測定方法を、設置後（使用中）の太陽電池等の半導体の検査に適用することもできる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記実施の形態では、励起源１０、光学フィルタ２０、撮像素子３０、及び計測部４０を有するバンドギャップ測定装置１について説明した。しかし、励起源１０、光学フィルタ２０、及び撮像素子３０を、計測部４０とは独立した画像取得装置としてもよい。この場合には、計測部４０としての機能を実現可能なコンピュータ等と画像取得装置とを接続して動作させることにより、バンドギャップ測定装置１を実現できる。

又、バンドギャップ測定装置１において、測定対象物１００から光学フィルタ２０に至る光路上、又は光学フィルタ２０から撮像素子３０に至る光路上に、光学顕微鏡を配してもよい。この場合、測定対象物１００を拡大して撮像できるため、光学結像限界程度の分解能でバンドギャップを測定することが期待できる。

１ バンドギャップ測定装置
１０ 励起源
２０ 光学フィルタ
３０ 撮像素子
４０ 計測部
１００ 測定対象物

Claims (9)

1. バンドギャップ測定方法であって、
   測定対象物を発光させるステップと、
   前記測定対象物が発する光を光学フィルタを介さない状態で受光して前記測定対象物の第１の画像を撮像するステップと、
   前記測定対象物が発する光を光学フィルタを介した状態で受光して前記測定対象物の第２の画像を撮像するステップと、
   前記第１の画像と前記第２の画像の輝度比を算出するステップと、
   前記輝度比に基づいて前記測定対象物のバンドギャップを算出するステップと、を有し、
   前記光学フィルタの波長と透過率の関係において、前記波長が大きくなるにつれて前記透過率は右肩上がりまたは右肩下がりであり、かつ異なる波長において同一の透過率となることがない、バンドギャップ測定方法。
2. 前記輝度比を算出するステップでは、前記第１の画像及び前記第２の画像のピクセル毎に前記輝度比を算出し、
   前記バンドギャップを算出するステップでは、ピクセル毎の前記輝度比に基づいてバンドギャップを算出する、請求項１に記載のバンドギャップ測定方法。
3. 前記バンドギャップを算出するステップでは、前記輝度比は前記光学フィルタの透過率と等しい関係に基づいて、ピクセル毎の前記輝度比から波長を求め、前記波長から前記バンドギャップを算出する、請求項２に記載のバンドギャップ測定方法。
4. 前記ピクセル毎の前記波長をマッピングするステップを有する、請求項３に記載のバンドギャップ測定方法。
5. 前記測定対象物を発光させるステップでは、電源から前記測定対象物に電圧を印加する、請求項１乃至４の何れか一項に記載のバンドギャップ測定方法。
6. 前記測定対象物を発光させるステップでは、励起光源から前記測定対象物に光を照射する、請求項１乃至４の何れか一項に記載のバンドギャップ測定方法。
7. バンドギャップ測定装置であって、
   測定対象物を発光させる励起源と、
   前記測定対象物が発する光の光路上に選択的に配置可能な光学フィルタと、
   前記測定対象物が発する光を前記光学フィルタを介さない状態で受光して前記測定対象物の第１の画像を撮像すると共に、前記測定対象物が発する光を前記光学フィルタを介した状態で受光して前記測定対象物の第２の画像を撮像する撮像素子と、
   前記第１の画像と前記第２の画像の所定位置の輝度比を算出し、前記輝度比に基づいて前記測定対象物の前記所定位置のバンドギャップを算出する演算手段と、を有し、
   前記光学フィルタの波長と透過率の関係において、前記波長が大きくなるにつれて前記透過率は右肩上がりまたは右肩下がりであり、かつ異なる波長において同一の透過率となることがない、バンドギャップ測定装置。
8. 前記演算手段は、前記第１の画像及び前記第２の画像のピクセル毎に前記輝度比を算出し、前記輝度比は前記光学フィルタの透過率と等しい関係に基づいて、ピクセル毎の前記輝度比から波長を求め、前記波長から前記バンドギャップを算出する、請求項７に記載のバンドギャップ測定装置。
9. 前記演算手段は、前記ピクセル毎の前記波長をマッピングする、請求項８に記載のバンドギャップ測定装置。