半導体・有機ELなどの積層デバイス内部における電流の通り道を可視化

【要旨】

株式会社東レリサーチセンター（所在地：東京都中央区日本橋本町一丁目7番2号、社長：真壁芳樹、以下、「TRC」）は、積層デバイス内部における電流の流れやすさを“見える化”する分析サービスを国内で初めて開始しました。本サービスでは、複数の表面分析技術を組み合わせることで、材料の組成・化学状態に加え、電荷輸送に関わるエネルギー状態（電子状態※1）を積層方向に沿って評価し、デバイス内部における電流の通り道を可視化します。

これにより、半導体デバイスの性能ばらつきや不良原因の解析、有機ELや太陽電池の劣化・性能発現メカニズムの解明、新材料・新構造開発における設計指針の取得が可能となり、デバイス性能の向上および開発効率の改善に貢献します。

【背景】

AI、モビリティ、情報通信分野の進展を支える半導体、有機ELディスプレイ、太陽電池などのデバイスでは、複数の機能層を重ねた積層デバイスが広く用いられています。これらのデバイスは、電子（マイナス）や正孔（プラス）といった電荷が各層および界面を移動することで動作しており、各層内や界面における電荷の移動のしやすさ（電子輸送特性）が、性能に大きく影響します。すなわち、この“電流の通り道”に相当する特性を適切に把握することが重要です。

しかし、従来技術では、元素組成や化学状態は評価できる一方で、このような電子輸送を支配する電子状態を各層・界面ごとに把握することは困難であり、性能ばらつきや劣化の原因特定には限界がありました。

【本サービスの概要と特長】

これに対してTRCは、ガスクラスターイオンビーム（GCIB※2）で試料表面をナノメートル単位で連続的に削りながら、同一箇所でX線光電子分光（XPS※3）、反射電子エネルギー損失分光（REELS※4）の測定を実施することで、積層デバイスの各層及び界面の電子状態を解析できる新規表面分析サービスを開発しました。

主な特長

・各層・界面ごとの電子エネルギー状態を定量的に可視化

・実デバイスに適用可能な微小領域での測定を実現

・測定時のダメージを最小化することで、有機材料を含む積層構造にも適用可能

・同一領域での分析により、電子状態と組成・化学状態の相関解析が可能

図１：(左)デバイスの積層構造と、電子および正孔の移動経路（電流の通り道）の概念図。層や界面におけるエネルギー状態により、電荷の流れやすさが変化する。(右)GCIB-XPSとGCIB-REELS測定を組み合わせた分析手順の模式図。表面から順に分析（①→②→③→④）を行うことで、電子状態の分布を取得する。

【今後の展開】

本サービスにより、半導体デバイスの性能ばらつきや不良要因の解析、有機ELや太陽電池の性能向上・劣化メカニズムの解明、新材料・新構造開発における設計指針の取得が可能となります。これにより、開発効率の向上やデバイス性能の向上に寄与します。

先端デバイス分野では高性能化・低消費電力化の要求が高まっており、電子状態の評価はこれらの課題解決を加速する重要な要素となります。TRCは、半導体、ディスプレイ、エネルギーデバイス分野における課題解決を支援する分析サービスを展開してまいります。

【用語解説】

※1 電子状態

電子のエネルギー分布や準位を表す概念であり、電荷（電子や正孔）の移動のしやすさを決定する重要な要因。　　

※2 GCIB（ガスクラスターイオンビーム）

多数の原子からなるクラスターをイオン化して照射し、試料表面をナノメートル単位で加工する技術。単原子イオンと比べて試料への損傷が小さく、有機材料を含む試料でも界面構造を保ったまま加工できる。

※3 XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy：X線光電子分光）

試料表面（数nm程度）にX線を照射し、放出される光電子のエネルギーを測定することで、元素組成や化学状態、電子状態を評価する手法。

※4 REELS（Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy：反射電子エネルギー損失分光）

試料表面に電子線を照射し、放出される電子のエネルギーを測定することで、バンドギャップなど電子構造に関する情報を得る分析手法。