實現半導體、有機EL等層狀裝置內部電流路徑的可視化

【要旨】

東麗研究中心股份有限公司（總部位於東京都中央區日本橋本町一丁目7番2號，社長：真壁芳樹，以下簡稱「TRC」）在日本首度推出一項分析服務，可將層狀裝置內部電流的流動難易度「可視化」。本服務結合多種表面分析技術，不僅評估材料的組成與化學狀態，更沿著層積方向評估與電荷傳輸相關的能量狀態（電子態※1），進而可視化裝置內部的電流路徑。

由此，可分析半導體裝置的性能差異與不良原因，釐清有機EL與太陽能電池的劣化與性能表現機制，並在新材料與新結構開發中取得設計指針，有助於提升裝置性能與開發效率。

【背景】

半導體、有機EL顯示器、太陽能電池等裝置廣泛應用於支撐人工智慧（AI）、移動出行與資訊通訊領域的發展，這些裝置普遍採用多層功能層堆疊而成的層狀結構。這些裝置的運作依賴電子（負電荷）與電洞（正電荷）等電荷在各層與介面之間的移動，而各層與介面間電荷移動的難易度（電子傳輸特性）會大幅影響裝置性能。換言之，準確掌握此類「電流路徑」相關特性至關重要。

然而，傳統技術雖可評估元素組成與化學狀態，卻難以針對各層與介面分別掌握主導電子傳輸的電子態，因此在特定性能差異與劣化原因方面存在分析極限。

【本服務概要與特色】

針對此課題，TRC開發出新型表面分析服務，利用氣體叢集離子束（GCIB※2）以奈米級精度連續剝除樣本表面，同時在同一區域進行X射線光電子能譜（XPS※3）與反射電子能量損失能譜（REELS※4）測量，進而解析層狀裝置各層與介面的電子態。

主要特色

・ 可定量可視化各層與介面的電子能量狀態

・ 可在微小區域進行測量，適用於實際裝置

・ 透過最小化測量損傷，適用於含有机材料的層狀結構

・ 透過同區域分析，實現電子態與組成、化學狀態的關聯性解析

圖1：（左）裝置層狀結構與電子、電洞移動路徑（電流路徑）概念圖。電荷流動難易度會因各層與介面的能階狀態而改變。（右）結合GCIB-XPS與GCIB-REELS測量的分析流程示意圖。透過從表面依序分析（①→②→③→④），取得電子態的分布。

【今後發展】

本服務將可分析半導體裝置的性能差異與不良因素，釐清有機EL與太陽能電池的性能提升與劣化機制，並在新材料與新結構開發中取得設計指針，有助於提升開發效率與裝置性能。

先進裝置領域對高性能化與低功耗化的需求日益提升，電子態的評估將成為加速解決這些課題的重要關鍵。TRC將持續拓展分析服務，支援半導體、顯示器與能源裝置領域的技術難題解決。

【術語說明】

※1 電子態

代表電子能量分佈與能階的概念，是決定電荷（電子或電洞）移動難易度的重要因素。


※2 GCIB（氣體叢集離子束）

將由多個原子組成的叢集離子化後照射，以奈米級精度加工樣本表面的技術。相較於單原子離子，對樣本的損傷較小，即使含有机材料的樣本也能在保持介面結構的狀態下進行加工。

※3 XPS（X射線光電子能譜）

向樣本表面（數奈米深度）照射X射線，測量所釋放光電子能量，以評估元素組成、化學狀態與電子態的方法。

※4 REELS（反射電子能量損失能譜）

向樣本表面照射電子束，測量所釋放電子的能量，以取得能隙等電子結構相關資訊的分析方法。