岩本光正 東京工業大学
工藤一浩 千葉大学
中村雅一 奈良先端科学技術大学院大学
松島敏則 九州大学
秦川江 九州大学
安達千波矢 九州大学
大橋昇 諏訪東京理科大学
吉田郵司 産業技術総合研究所
山田俊樹 情報通信研究機構
大友明 情報通信研究機構
田口大 東京工業大学
佐藤一石 徳島文理大学
串田一雅 大阪教育大学
栗山一男 法政大学
西田貴司 福岡大学
田中優実 東京理科大学
佐々木匠 キーサイト・テクノロジー・インターナショナル合同会社
平山泰生 ㈱リガク
吉田福蔵 大阪工業大学
与名本欣樹 ㈱日立製作所
秋永広幸 産業技術総合研究所
角谷透 産業技術総合研究所
野田周一 産業技術総合研究所;(現)東北大学
島久 産業技術総合研究所
熱刺激電流(Thermally Stimulated Current、TSC)を用いた材料やデバイス研究が活発に行なわれている。TSCは試料を昇温するだけで、短絡閉回路に電流が流れるという現象である。そのため、誘電体、絶縁体、半導体、生体材料、各種電子素子など材料や電子デバイス中の電子・正孔、双極子・イオンなどの挙動を、閉回路を流れる電流の軌跡を通して知ることができる。測定は極めて単純であり、基本的には電流系一つで測定が可能である。1970年代頃には、電力需要の急増を背景に高分子絶縁材料の評価、集積回路の進展を背景にSi-MOS構造素子の評価などに多く使われてきた。
その一方で、最近は、セラミックス材料、有機エレクトロニクス・分子素子材料、有機・無機ハイブリッド電子素子、ナノデバイス、生体・バイオ材料など、新しい材料が続々と誕生してきて、TSC測定・解析技術にも関心が集まり、この手法を新しい材料・デバイス開発に活用する試みも活発である。
ところが、個々の研究者にとっては、最近のTSCを用いた材料・デバイス技術の開発と展開の最前線、さらにTSC技術・解析技術手法の新展開についての情報が不足している。この状況の一因には、TSCが多用されているにもかかわらず、TSCに関する技術書や解説書が不足しているという実状も関係している。
しかし、幸い、この3年間にわたり、TSCに関心を持つ技術者・研究者が集った研究会を開くことができ、材料、物理、エレクトロニクス、化学・バイオなどの分野でのTSCを用いた研究の状況を分野横断的に浮き彫りにするきっかけを掴むことができた。そして、TSC計測技術・装置の進展、コンピュータ技術の展開などを背景として、研究開発の場での新しいTSC技術への期待が大きいことが明らかにされてきた。さらに、デバイス開発の場では、TSCの国際標準化への動きも始まっていることなども明らかにされてきた。
このような状況を踏まえるとき、この時期に最近のTSC研究の最前線の状況をまとめることが、日本の学術・技術分野での活動や国際標準化活動などに有益であると判断される。以上を勘案して、ここに、『熱刺激電流を用いた材料・デバイス開発の最前線』をまとめることにした。
岩本光正
(「刊行にあたって」より一部抜粋)
【第 I 編 TSCの基礎と評価法】
第1章 TSCとは (岩本光正)
1 TSC
2 TSCはなぜ流れるか
3 典型的なTSC電流波形
3. 1 双極子分極のTSC電流
3. 1. 1 TSC電流
3. 2 脱トラップによるTSC電流
4 実際のTSC測定回路
5 TSC評価法の規格化
6 まとめと展望
【第 II 編 TSCを用いた材料・デバイス評価】
第2章 半導体材料とデバイス評価 (工藤一浩)
1 半導体デバイス性能とトラップ準位
1. 1 はじめに
1. 2 光電変換素子
1. 3 発光素子(LED,LD)
1. 4 電界効果トランジスタ
2 半導体の界面準位,トラップ準位評価
2. 1 はじめに
2. 2 容量-電圧(C-V)測定
2. 3 インピーダンス分光法(IS)
2. 4 深準位過渡容量(DLTS)
2. 5 熱刺激電流(TSC)
2. 6 各種測定法の特徴と比較
第3章 有機半導体デバイスのTSCとトラップ評価
1 有機トランジスタ (中村雅一)
1. 1 はじめに
1. 2 電界効果熱刺激電流法
1. 3 有機トランジスタの素子特性とTSC測定結果の対応例
1. 4 様々な測定法によるバンド端近傍状態密度関数の比較
1. 5 おわりに
2 有機半導体デバイスの劣化とキャリアトラップ (松島敏則, 秦川江, 安達千波矢)
2. 1 はじめに
2. 2 有機EL
2. 3 有機バルクヘテロ接合太陽電池
2. 4 有機無機ペロブスカイト太陽電池
2. 5 有機トランジスタ
2. 6 Alq3薄膜
2. 7 おわりに
3 有機太陽電池 (大橋昇, 吉田郵司)
3. 1 はじめに
3. 2 有機太陽電池によるC60の純度評価
3. 3 太陽電池の評価結果と考察
3. 4 TSCによるC60の評価手法
3. 5 熱刺激電流測定の最適化
3. 6 C60薄膜の熱刺激電流測定結果と考察
3. 7 おわりに
第4章 電気光学(EO)高分子材料のTSC (山田俊樹, 大友明, 岩本光正)
1 はじめに
2 EOポリマーのTSC測定
3 EOポリマー分子とTSC測定による安定性評価
4 EOポリマーの緩和機構
5 EO定数r33測定とTSC
6 まとめと展望
第5章 電気絶縁材料 (田口大, 岩本光正)
1 はじめに
2 絶縁材料とTSC
3 絶縁材料のTSC
3. 1 ポリエチレンテレフタレート
3. 2 ポリエチレンのTSC
4 おわりに
第6章 生体材料 佐藤一石
1 はじめに
2 水のTSDC
2. 1 TSDC測定
2. 2 各種標準水の緩和挙動
2. 3 ピーク温度法による活性化エネルギーの決定
2. 4 TSDCプロファイルに与える陽イオンの影響
2. 5 外力処理によって製造された各種機能水の分類
3 ナイロン66のTSDC
3. 1 試料調製
3. 2 TSDC法による緩和機構解析
3. 3 グローバル法による高次構造解析
3. 4 サーマルサンプリング法による高次構造解析
4 おわりに
第7章 耐環境材料
─ワイドギャップ化合物半導体における粒子線照射損傷とTSCによる欠陥準位の評価─ (串田一雅, 栗山一男)
1 はじめに
1. 1 ワイドギャップ化合物半導体GaN,ZnO
1. 2 「耐環境」─半導体材料が耐えるべき環境とは?─
1. 3 本稿の目的と概略
2 粒子線による格子欠陥の導入
3 熱刺激電流(TSC)法による欠陥準位の評価
3. 1 TSC法による評価法
3. 2 評価例─GaNの場合─
3. 2. 1 中性子線照射GaNの欠陥準位の評価
3. 3 評価例 ─ZnOの場合
3. 3. 1 未照射試料のTSC測定
3. 3. 2 電子線照射試料(1×1017cm-2)のTSC測定
3. 3. 3 電子線照射試料(5×1017cm-2)のTSC測定─永続光伝導の影響─ 17)
4 多段階光照射によってさらに精密な欠陥準位評価へ ─将来への展望─
第8章 強誘電体材料
1 強誘電体のメモリー効果とTSC (西田貴司)
1. 1 強誘電体材料の薄膜化と電子デバイス応用
1. 2 強誘電体薄膜の熱刺激電流測定
2 イオン伝導性セラミックス材料のイオン分極のTSC (田中優実)
2. 1 はじめに
2. 2 イオン伝導性セラミックスの導電特性評価
2. 3 TSC法によるイオン伝導性セラミックスの分極状態評価
2. 4 おわりに
【第Ⅲ編 TSC計測・解析技術の展開】
第9章 測定装置
1 TSC測定のための微小電流測定技術 (佐々木匠)
1. 1 はじめに
1. 2 一般的な微小電流測定の基本知識:ノイズ源
1. 3 理想的な測定のために
1. 4 さらに信頼性の高い測定のためのポイント
1. 5 TSC測定のための微小電流測定系構築のまとめ
2 TSC 測定装置 (平山泰生)
2. 1 はじめに
2. 2 装置構成
2. 3 測定条件のノウハウ
2. 4 部分昇温法の測定ノウハウと測定手順
第10章 解析技術の展開
1 TSCスペクトルの解析 (吉田福蔵)
1. 1 はじめに
1. 2 解析理論
1. 3 複数信号の寄与からなるTSCスペクトルの分離
1. 4 おわりに
2 新しい解析技術 (与名本欣樹)
3 TSCとSHGを用いた解析技術 (田口大)
3. 1 はじめに
3. 2 SHG-TSCの測定原理
3. 3 SHG-TSC測定系
3. 4 MIS素子(IZO/ポリイミド/ペンタセン/Au)のSHG-TSC測定
3. 5 おわりに
第11 章 TSC の標準化 (秋永広幸, 角谷透, 野田周一, 島久)
1 標準化の意義
2 技術の普及
3 製品の適切な品質の設定
4 相互理解を促進する機能 / 競争環境の整備
5 互換性・インターフェースの整合性の確保
6 生産効率の向上
7 まとめ
