外部量子効率測定用マニュアルプローバー
MMPS-50EQE |
 |
| |
本装置は、LEDなどの微小発光素子における外部量子効率（EQE: External Quantum Efficiency）を測定するためのマニュアルプローバーです。特に、ウェハレベルで形成されたLED素子の光学特性評価に最適化されており、研究開発から製造プロセスの評価に至るまで、信頼性の高い測定データの取得を可能にします。
本システムでは、顕微鏡による高倍率観察を行いながら、プローブ針を正確にLED素子の電極へ当接させることができます。電流を印加して素子を発光させ、裏面側から放射される前方光（2π方向）を積分球に効率よく取り込み、分光器を用いて波長ごとの分光放射束（2π）を定量的に測定します。得られたスペクトルデータに基づいて光子数を算出し、印加電流とあわせて外部量子効率を導出します。 |
■仕様 |
| サンプルサイズ |
20mm × 20mm 以下 |
| プローブ針（同軸針） |
材質：タングステン
先端半径：12.5μm
|
| ポジショナ |
XYZ軸移動範囲：各10mm
トラベル量：各250μm回転
数量：2個
|
| XY軸 移動範囲 |
X, Y 各 ±25mm |
| Z軸 移動範囲 |
4mm |
| 実体顕微鏡 |
倍率：10倍 ~ 65倍
照明：LEDリング照明
|
| 積分球 |
波長範囲：200nm ~ 2500nm
積分球直径（内部）：38.1mm
コーティング：スペクトラロン
|
| ベースプレート |
サイズ：300mm × 300mm |
|
■近赤外LEDの分光放射束（2π）測定データ |
 |
※本仕様および外観は改善のため予告無く変更することがあります。
※外部量子効率を算出するプログラムは付属しておりません。 |
■外部量子効率（EQE）とは |
|
外部量子効率（EQE: External Quantum Efficiency）とは、LEDなどの発光素子において、
「外部に放出された光子の数」を「注入された電子の数」で割った値です。
式：
EQE = 放出光子数 ÷ 注入電子数 = Φphoton / (I / q)
※ Φphoton：外部に放出された光子数 [photons/s]
※ I：電流 [A]
※ q：電子の電荷（1.602 × 10-19 C）
■ EQEと他の量子効率との関係
EQEは次のように分解できます：
EQE = IQE × LCE
- IQE（Internal Quantum Efficiency）：内部での発光効率（非放射再結合を除く）
- LCE（Light Extraction Efficiency）：内部から外部へ光が取り出される割合
■ EQEの重要性
- LEDやレーザーなどの発光性能を定量評価できる
- 光源設計・構造最適化の重要な指標となる
- IQE・LCEの分離解析により、材料・構造改善の方向性が得られる
■ EQEの測定方法（概要）
- LEDに電流を印加して発光させる
- 積分球で放射された光（例：2π方向）を測定
- 分光器で波長ごとの分光放射束を取得
- 放射エネルギーから光子数を算出
- 電子数と光子数からEQEを計算
■ まとめ
| 項目 |
内容 |
| 定義 |
外部に出た光子数 ÷ 注入電子数 |
| 単位 |
無次元（% 表記） |
| 構成要素 |
EQE = IQE × LCE |
| 用途 |
発光素子の評価、光取り出し効率の設計・解析 |
|
■外部量子効率の算出ステップ（2π測定をもとに） |
-
積分球で測定した前方放射束（2π方向）
積分球で測定された分光放射束（単位：W）から波長ごとの光子数を算出します。
数式：
Nphoton = ∫ (Φλ × λ) / (h × c) dλ
※ Φλ は波長 λ における分光放射束 [W/nm]
-
全方向の放射光への補正（4πへの換算）
積分球が測定するのは2π方向（前方）です。放射がランバート分布（等方的）であると仮定し、全空間での放射光子数は測定値の2倍と見積もります。
Φtotal ≈ 2 × Φmeasured
-
注入した電子数の算出
LEDに流した電流 I [A] から、1秒あたりの注入電子数を求めます。
Nelectron = I / q
※ q = 1.602 × 10-19 C（電子の電荷）
-
外部量子効率（EQE）の算出
全放射光子数と電子数の比よりEQEを求めます。
EQE = (2 × Nphoton) / Nelectron = (2 × Nphoton × q) / I
|
■内部量子効率（IQE）とは |
|
内部量子効率（Internal Quantum Efficiency, IQE）とは、半導体材料中で励起されたキャリア（電子と正孔）のうち、
放射再結合して光子を放出した割合を表す指標です。
定義式：
IQE = 放射再結合したキャリア数 / 全再結合キャリア数
IQEが高いほど、材料内部での光変換効率が高く、LEDやレーザー、太陽電池などの性能に大きく寄与します。
IQEは材料の結晶品質、欠陥密度、界面状態、組成不均一性などの影響を強く受けます。
|
■クライオスタットを用いたIQE測定の概要 |
|
クライオスタット（極低温冷却装置）を用いたフォトルミネッセンス（PL）測定は、IQEを相対的に評価する一般的な手法です。
温度を10 K前後まで下げることで、非放射再結合が抑制され、ほぼすべての再結合が放射過程として観測されます。
このときのPL強度を基準（理想的な最大発光）とし、室温でのPL強度と比較してIQEを評価します。
IQEの近似計算式：
IQE300K = I300K / I10K
ここで、
I300K：室温でのPL積分強度
I10K：10 KでのPL積分強度（最大発光）
この手法は絶対値ではなく、温度による非放射再結合の影響を相対的に評価する方法です。
|
■外部量子効率（EQE）と内部量子効率（IQE）の関係 |
|
外部量子効率（External Quantum Efficiency, EQE）は、デバイスから外部に放出された光子数と、注入または生成されたキャリア数の比です。
定義式：
EQE = 外部に出た光子数 / 注入された電子数
EQEは内部での発光効率だけでなく、光取り出し効率（Extraction Efficiency, ηout）にも依存します。
その関係は次のように表されます：
EQE = IQE × ηout
ここで、ηout は、材料内部で生成された光子のうち、実際に外部へ取り出せる割合です。
全反射や吸収、デバイス構造などにより取り出し効率は制限されるため、EQEは通常IQEよりも低くなります。
|
