(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力した電子を光に変換する発光体であって、
前記電子の入力により前記光を発する多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造上に設けられる電子入力面と、
を備え、
前記多重量子井戸構造を構成する複数の障壁層に含まれる第１の障壁層は、前記複数の障壁層に含まれ前記第１の障壁層に対して前記電子入力面側に位置する第２の障壁層よりも厚い、発光体。
【請求項２】
前記第２の障壁層は、前記複数の障壁層のうち前記電子入力面に最も近い障壁層である、請求項１に記載の発光体。
【請求項３】
前記第２の障壁層は、前記複数の障壁層の中で最も薄い、請求項２に記載の発光体。
【請求項４】
前記第２の障壁層の厚さは、前記複数の障壁層の平均厚さの８０％以下である、請求項２または３に記載の発光体。
【請求項５】
前記第２の障壁層の厚さは、前記複数の障壁層の平均厚さの２０％以下である、請求項４に記載の発光体。
【請求項６】
前記第１の障壁層は、前記複数の障壁層のうち前記電子入力面に最も近い障壁層と隣り合う障壁層であり、前記第１の障壁層の厚さは、前記複数の障壁層の平均厚さの９０％以下である、請求項２〜５のいずれか１項に記載の発光体。
【請求項７】
前記第１の障壁層の厚さは、前記複数の障壁層の平均厚さの８０％以下である、請求項６に記載の発光体。
【請求項８】
前記複数の障壁層は、前記電子入力面から離れるほど厚くなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光体。
【請求項９】
互いに隣り合う前記障壁層同士の厚さの差は、前記電子入力面から離れるほど小さくなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光体。
【請求項１０】
前記多重量子井戸構造を構成する複数の井戸層の組成が互いに同一である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光体と、
前記多重量子井戸構造における前記電子入力面とは反対側の面と光学的に結合され、前記多重量子井戸構造が発する前記光に対して感度を有する光検出器と、
前記発光体と前記光検出器との間に介在して前記発光体及び前記光検出器を一体化するとともに絶縁性を有する光透過部材と、
を備える、電子線検出器。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光体と、
前記多重量子井戸構造における前記電子入力面とは反対側の面と光学的に結合され、前記多重量子井戸構造が発する前記光に対して感度を有する光検出器と、
少なくとも前記発光体が内部に設置された真空チャンバと、
を備え、
前記真空チャンバ内に配置された試料の表面上において電子線を走査し、前記試料からの二次電子及び反射電子を前記発光体に導き、前記試料における走査位置と前記光検出器の出力とを対応づけることにより前記試料の像を撮影する、走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電子線検出器に用いられる発光体に関する技術が開示されている。この発光体は、入力する電子を光に変換する発光体であって、基板と、ＩｎＧａＮ及びＧａＮからなる窒化物半導体層とを備える。基板は、上記光の波長に対して透明である。窒化物半導体層は、基板の一方の面に形成され、電子の入力により光を発する量子井戸構造を有する。
【０００３】
特許文献２には、電子線励起型発光エピタキシャル基板および電子線励起型発光装置に関する技術が開示されている。このエピタキシャル基板は、基板と、基板上に設けられた多重量子井戸構造を有する発光層と、発光層上に設けられた金属層とを備える。発光層の井戸層のバンドギャップは、金属層側から基板側に向かって発光層の厚さ方向に階段状に増加する。同一のバンドギャップを有する井戸層の数は、金属層側から基板側に向かって発光層の厚さ方向に減少する。井戸層は、ドーパントを含むＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９８６０３号公報
【特許文献２】特開２０１６−０１５３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
入力した電子線の電流量に応じた大きさの光を出力する発光体は、電子線検出器に多く用いられている。電子線検出器では、発光体から出力される光の強度を電気信号に変換することにより、電子線の電流量を測定する。このような電子線検出器は、例えば走査型電子顕微鏡などの装置に用いられ得る。発光体は、入力した電子線を効率良く光に変換するために、多重量子井戸構造を備える。
【０００６】
この発光体において、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することが望まれる場合がある。入力する電子線の加速電圧が大きいと、電子線は発光体の深い位置まで到達する。従って、大きな加速電圧の電子線に対して光変換効率を向上させるためには、多重量子井戸構造を厚くすることが望ましい。多重量子井戸構造を厚くする場合、発光体の浅い位置までしか到達しない小さな加速電圧の電子線に対しては、光変換効率が低下するという問題が生じる。
【０００７】
そこで、本開示は、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することが可能な発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態に係る発光体は、入力した電子を光に変換する発光体であって、電子の入力により光を発する多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に設けられる電子入力面と、を備える。多重量子井戸構造を構成する複数の障壁層に含まれる第１の障壁層は、複数の障壁層に含まれ第１の障壁層に対して電子入力面側に位置する第２の障壁層よりも厚い。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することが可能な発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る発光体１０の構成を示す断面図である。
【図２】多重量子井戸構造１４Ｃの内部構造を拡大して示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）発光体１０へ電子が入って拡散する様子をモンテカルロ法によりシミュレーションした結果を示す図である。
【図４】グラフＧ１は、本実施形態の発光体１０における、入力電子の加速電圧とカソードルミネッセンスのピーク強度との関係を示す。グラフＧ２は、比較例として、複数の障壁層１４２の厚さを均一とした場合の同関係を示す。
【図５】図４の一部を拡大して示すグラフである。
【図６】第２実施形態に係る電子線検出器２０の構成を示す断面図である。
【図７】第３実施形態に係る測長ＳＥＭ４０の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
一実施形態に係る発光体は、入力した電子を光に変換する発光体であって、電子の入力により光を発する多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造上に設けられる電子入力面と、を備える。多重量子井戸構造を構成する複数の障壁層に含まれる第１の障壁層は、複数の障壁層に含まれ第１の障壁層に対して電子入力面側に位置する第２の障壁層よりも厚い。
【００１２】
この発光体において、多重量子井戸構造に対し電子入力面側から電子が入力されると、井戸層における発光再結合（カソードルミネッセンス）により光が発生する。この光は、発光体の外部へ出力される。ここで、電子入力面から比較的浅い位置にある第２の障壁層は比較的薄いので、第２の障壁層を挟んで電子入力面とは反対側に位置する井戸層は、電子入力面のより近くに配置されることとなる。従って、小さな加速電圧の電子線に対する光変換効率を向上することが可能となる。また、比較的深い位置にある第１の障壁層は比較的厚いので、第１の障壁層を挟んで電子入力面とは反対側に位置する井戸層は、電子入力面から遠くに配置されることとなる。従って、大きな加速電圧の電子線の深い侵入に対しても光変換効率を維持することが可能となる。更に後述するように、電子線は発光体内部において半球状に広がるので、電子入力面付近において密に配置された量子井戸は、大きな加速電圧時にも確実に電子を捕捉する。そして、このように電子入力面からの距離に応じて障壁層の厚さを変化させることにより、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することができる。
【００１３】
本発明者の知見によれば、多重量子井戸構造の内部において、電子は半球状に拡散する傾向があるため、電子入力面近傍の量子井戸において励起密度が高くなる。従って、拡散電子による量子井戸の励起は深さ方向において少なくなる。故に、電子入力面近傍の量子井戸間隔、つまり障壁層厚さは、電子入力面からもっとも離れている量子井戸間隔、つまり障壁層厚さより薄いことが望ましい。
【００１４】
上記の発光体において、第２の障壁層は、複数の障壁層のうち電子入力面に最も近い障壁層であってもよい。また、その場合、第２の障壁層は、複数の障壁層の中で最も薄くてもよい。これにより、電子入力面から最も近い井戸層の位置が電子入力面に対してより近くなる。従って、小さな加速電圧の電子線に対する光変換効率を更に向上させることができる。
【００１５】
上記の発光体において、第２の障壁層は、複数の障壁層のうち電子入力面に最も近い障壁層であり、第２の障壁層の厚さは、複数の障壁層の平均厚さの８０％以下であることが望ましい。この場合、電子入力面から最も近い井戸層の位置が電子入力面に対して近くなる。従って、小さな加速電圧の電子線に対する光変換効率を更に向上させることができる。より好ましくは、第２の障壁層の厚さは、複数の障壁層の平均厚さの２０％以下である。また、上記の発光体において、第１の障壁層は、複数の障壁層のうち電子入力面に最も近い障壁層と隣り合う障壁層であり、第１の障壁層の厚さは、複数の障壁層の平均厚さの９０％以下であることが望ましい。より好ましくは、第１の障壁層の厚さは、複数の障壁層の平均厚さの８０％以下である。
【００１６】
上記の発光体において、複数の障壁層は、電子入力面から離れるほど厚くてもよい。この場合、加速電圧の様々な大きさに応じて適切な井戸層の配置を実現でき、光変換効率を更に向上させることができる。
【００１７】
上記の発光体において、互いに隣り合う障壁層同士の厚さの差は、電子入力面から離れるほど小さくなってもよい。
【００１８】
上記の発光体において、多重量子井戸構造を構成する複数の井戸層の組成は互いに同一であってもよい。この場合、多重量子井戸構造の作製が容易になる。
【００１９】
一実施形態に係る電子線検出器は、上記いずれかの発光体と、多重量子井戸構造における電子入力面とは反対側の面と光学的に結合され、多重量子井戸構造が発する光に対して感度を有する光検出器と、発光体と光検出器との間に介在して発光体及び光検出器を一体化するとともに絶縁性を有する光透過部材と、を備える。この電子線検出器によれば、上記いずれかの発光体を備えることによって、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて電子線検出効率を向上することができる。また、絶縁性の光透過部材が発光体と光検出器との間に介在することにより、発光体への印加電圧にかかわらず光検出器を安定して動作させることができる。
【００２０】
一実施形態に係る走査型電子顕微鏡は、上記いずれかの発光体と、多重量子井戸構造における電子入力面とは反対側の面と光学的に結合され、多重量子井戸構造が発する光に対して感度を有する光検出器と、少なくとも発光体が内部に設置された真空チャンバと、を備える。そして、真空チャンバ内に配置された試料の表面上において電子線を走査し、試料からの二次電子及び反射電子を発光体に導き、試料における走査位置と光検出器の出力とを対応づけることにより試料の像を撮影する。この走査型電子顕微鏡によれば、上記いずれかの発光体を備えることによって、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて電子線検出効率を向上することができる。故に、撮影対象物が深い凹部及び／又は溝等を有する場合であっても、当該部分を大きな加速電圧を用いて、また他の部分を小さな加速電圧を用いて、それぞれ明瞭に撮影することができる。
【００２１】
以下、本開示の発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、以下の説明において、窒化物半導体とは、ＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｉｎ、Ａｌのうちの少なくとも１つを含み、主たるＶ族元素としてＮを含む化合物を指す。また、光透過性を有するとは、対象となる光を５０％以上透過する性質をいう。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発光体１０の構成を示す断面図であって、厚み方向に沿った断面を示している。発光体１０は、入力した電子を光に変換する。図１に示すように、発光体１０は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられた窒化物半導体層１４と、窒化物半導体層１４上に設けられた導電層１８と、を備える。導電層１８の表面は、電子入力面１０ａを構成する。
【００２３】
基板１２は、窒化物半導体層１４から出力される光の波長に対して光透過性を有する板状の部材である。基板１２の構成材料は、窒化物半導体層１４から出力される光を透過し、且つ窒化物半導体層１４をエピタキシャル成長可能なものであれば特に限定されない。一例では、基板１２はサファイア基板である。また、一例では、基板１２は波長１７０ｎｍ以上の光を透過する。基板１２は、主面１２ａと、主面１２ａに対して反対側に位置する裏面１２ｂと、を有する。
【００２４】
窒化物半導体層１４は、基板１２の主面１２ａ上に設けられた第１バッファ層１４Ａと、第１バッファ層１４Ａ上に設けられた第２バッファ層１４Ｂと、第２バッファ層１４Ｂ上に設けられた多重量子井戸構造１４Ｃとを含む。
【００２５】
第１バッファ層１４Ａは、多重量子井戸構造１４Ｃを結晶性良く成長させるための層であって、主面１２ａに接している。第１バッファ層１４Ａは、比較的低温（例えば４００℃以上７００℃以下）で成長され、例えばガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）を主に含むアモルファス構造を有する。一例では、第１バッファ層１４ＡはアモルファスＧａＮから成る。第１バッファ層１４Ａの厚さは、例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、一実施例では２０ｎｍである。
【００２６】
第２バッファ層１４Ｂもまた、多重量子井戸構造１４Ｃを結晶性良く成長させるための層であって、例えばＧａＮの結晶を主に含む。一例では、第２バッファ層１４ＢはＧａＮの結晶から成る。第２バッファ層１４Ｂは、第１バッファ層１４Ａよりも高温（例えば７００℃以上１２００℃以下）でエピタキシャル成長される。第２バッファ層１４Ｂの厚さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下であり、一実施例では２．５μｍである。第２バッファ層１４Ｂは、第１バッファ層１４Ａに接していてもよい。
【００２７】
多重量子井戸構造１４Ｃは、電子の入力により光を発する部分であり、第２バッファ層１４Ｂ上にエピタキシャル成長した層である。図２は、多重量子井戸構造１４Ｃの内部構造を拡大して示す断面図である。図２に示すように、多重量子井戸構造１４Ｃは、井戸層１４１と障壁層１４２とが交互に積層された構成を有する。井戸層１４１は、電子を受けて光を発する材料を含んで構成され、本実施形態ではＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の結晶を主に含む。一例では、井戸層１４１は、ＳｉをドープされたＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の結晶から成る。Ｓｉドープ濃度は例えば２×１０18ｃｍ-3である。この場合、電子が入力されると井戸層１４１は４１５ｎｍ前後の波長の光を発する。すなわち、電子が多重量子井戸構造１４Ｃに入ると電子と正孔との対が形成され、これが井戸層１４１内にて再結合する過程で光が発せられる（カソードルミネッセンス）。多重量子井戸構造１４Ｃを構成する複数の井戸層１４１の組成は互いに同一であり、上記の組成ｘは互いに等しい。一実施例では、組成ｘは０．１３である。また、多重量子井戸構造１４Ｃを構成する複数の井戸層１４１の厚さは互いに等しい。各井戸層１４１の厚さは例えば０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、一実施例では１．５ｎｍである。
【００２８】
障壁層１４２のバンドギャップエネルギは、井戸層１４１のバンドギャップエネルギよりも大きい。障壁層１４２の間に井戸層１４１を挟むことにより、電子を井戸層１４１に集めて効率良く光に変換することができる。本実施形態では、障壁層１４２はＧａＮの結晶を主に含む。一例では、障壁層１４２は、ＳｉをドープされたＧａＮの結晶から成る。Ｓｉドープ濃度は例えば２×１０18ｃｍ-3である。なお、障壁層１４２はＧａ以外のＩＩＩ族原子（例えばＩｎ）を更に含んでもよい。その場合においても、多重量子井戸構造１４Ｃを構成する複数の障壁層１４２の組成は互いに等しい。
【００２９】
多重量子井戸構造１４Ｃを構成する複数の障壁層１４２の厚さは、互いに異なる。具体的には、各障壁層１４２は、各障壁層１４２に対して電子入力面１０ａ（図１を参照）側に位置する障壁層１４２よりも厚い。言い換えると、複数の障壁層１４２は、電子入力面１０ａから離れるほど厚くなり、電子入力面１０ａに最も近い第１層目の障壁層１４２は、複数の障壁層１４２の中で最も薄い。好適な例では、電子入力面１０ａに最も近い第１層目の障壁層１４２の厚さは、障壁層１４２の平均厚さの８０％以下であり、より好ましくは２０％以下である。第２層目の障壁層１４２（すなわち電子入力面１０ａに最も近い障壁層１４２と隣り合う障壁層１４２）の厚さは、複数の障壁層１４２の平均厚さの９０％以下であり、より好ましくは８０％以下である。下記の表１は、一実施例として、第１層目及び第２層目の障壁層１４２の厚さが障壁層１４２の平均厚さのそれぞれ９％及び６５％である場合の各障壁層１４２の厚さを示す。また、下記の表２は、別の実施例として、第１層目及び第２層目の障壁層１４２の厚さが障壁層１４２の平均厚さのそれぞれ８０％及び９０％である場合の各障壁層１４２の厚さを示す。また、下記の表３は、更に別の実施例として、第１層目及び第２層目の障壁層１４２の厚さが障壁層１４２の平均厚さのそれぞれ２０％及び８０％である場合の各障壁層１４２の厚さを示す。
【表１】
0006857263.tif 000002
【表２】
0006857263.tif 000003
【表３】
0006857263.tif 000004
【００３０】
これらの実施例では、９層の障壁層１４２が設けられている。最初の井戸層１４１は、電子入力面１０ａ側から数えて第１層目の障壁層１４２と第２層目の障壁層１４２との間に設けられる。以降、第ｎ番目（ｎ＝２，・・・，８）の井戸層１４１は、電子入力面１０ａ側から数えて第ｎ層目の障壁層１４２と第（ｎ＋１）層目の障壁層１４２との間に設けられる。なお、最後（第９層目）の井戸層１４１と第２バッファ層１４Ｂとの間には、各障壁層１４２と同一の組成を有する障壁層１４３（図２を参照）が設けられている。障壁層１４３の厚さは、発光体１０の特性には影響しないが、例えば１０ｎｍである。なお、必要に応じて、障壁層１４３を設けないことも可能である。
【００３１】
上記の表１の実施例では、複数の障壁層１４２の全てにおいて電子入力面１０ａから離れるほど障壁層１４２が厚くなっているが、例えば多数の障壁層１４２に含まれる僅かな障壁層１４２がこの条件を満たしていなくても、後述する本実施形態の効果は殆ど損なわれない。すなわち、複数の障壁層１４２に含まれる或る障壁層１４２（第１の障壁層）が、該障壁層１４２に対して電子入力面１０ａ側に位置する別の障壁層１４２（第２の障壁層）よりも厚い場合に、後述する本実施形態の効果は好適に奏される。この場合、別の障壁層１４２は、電子入力面１０ａに最も近く且つ最も薄い第１層目の障壁層１４２であってもよい。或いは、上述したように、電子入力面１０ａに最も近い第１層目の障壁層１４２の厚さを、障壁層１４２の平均厚さの８０％以下（より好ましくは２０％以下）とし、第２層目の障壁層１４２の厚さを、複数の障壁層１４２の平均厚さの９０％以下（より好ましくは８０％以下）としてもよい。或いは、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の障壁層１４２を、電子入力面１０ａ側のＮ1個（１≦Ｎ1≦Ｎ−１）の第１群と、基板１２側のＮ2個（１≦Ｎ2≦Ｎ−１、且つＮ1＋Ｎ2＝Ｎ）の第２群とに分割した場合、第１群の障壁層１４２の平均厚さが、第２群の障壁層１４２の平均厚さより小さい（言い換えると、第１群に挟まれる井戸層１４１が密に配置され、第２群に挟まれる井戸層１４１が疎に配置されている）と表現することもできる。
【００３２】
また、上記の表１ないし表３には、互いに隣り合う障壁層１４２同士の厚さの差が併せて示されている。表１に示す実施例では、互いに隣り合う障壁層１４２同士の厚さの差は、電子入力面１０ａから離れるほど小さくなっている。なお、表１に示す実施例では、複数の障壁層１４２の全てにおいて電子入力面１０ａから離れるほど隣り合う障壁層１４２同士の厚さの差が小さくなっているが、例えば多数の障壁層１４２に含まれる僅かな障壁層１４２がこの条件を満たしていなくても、後述する効果は殆ど損なわれない。すなわち、複数の障壁層１４２に含まれる、互いに隣り合う或る一対の障壁層１４２同士の厚さの差が、該一対の障壁層１４２に対して電子入力面１０ａ側に位置する、互いに隣り合う別の一対の障壁層１４２同士の厚さの差よりも小さい場合に、後述する効果が好適に奏される。或いは、電子入力面１０ａに最も近い第１層目の障壁層１４２と第２層目の障壁層１４２との厚さの差を、多重量子井戸構造１４Ｃ全体の障壁層１４２同士の厚さの差の平均の３倍以上とし、第２層目の障壁層１４２と第３層目の障壁層１４２との厚さの差を、多重量子井戸構造１４Ｃ全体の障壁層１４２同士の厚さの差の平均の１．２倍以上としてもよい。
【００３３】
導電層１８は、発光体１０へ電子を導く一方の電極として用いられる。導電層１８は、例えば金属を主に含み、一実施例ではＡｌを主に含む。導電層１８の厚さは例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、一実施例では約３００ｎｍである。導電層１８が金属を主に含む場合、導電層１８は光反射膜としても機能する。すなわち、多重量子井戸構造１４Ｃにおいて発生した光の一部は、多重量子井戸構造１４Ｃから直接基板１２に達し、基板１２を透過して発光体１０の外部へ出力されるが、多重量子井戸構造１４Ｃにおいて発生した光の残部は、多重量子井戸構造１４Ｃから導電層１８に達し、導電層１８において反射したのち、基板１２を透過して発光体１０の外部へ出力される。
【００３４】
ここで、発光体１０の作製方法に関する一実施例について説明する。まず、基板１２を有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）装置の成長室に導入して、水素雰囲気中、１１００℃・１０分間の熱処理を行い、主面１２ａを清浄化する。そして、基板１２の温度を５００℃まで降温し、第１バッファ層１４Ａを堆積した後、基板１２の温度を１１００℃まで昇温し、第２バッファ層１４Ｂをエピタキシャル成長させる。その後、基板１２の温度を８００℃まで降温し、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造１４Ｃを形成する。組成ｘは０．１〜０．２の範囲となり、本実施例では０．１５であるが、井戸層１４１のバンドギャップが障壁層１４２のバンドギャップより小さければ良く、組成比に関しては上述の範囲に限定されるものではない。
【００３５】
そして、基板１２を蒸着装置内に移して、多重量子井戸構造１４Ｃ上に導電層１８を成膜することにより、発光体１０の作製が完了する。
【００３６】
なお、上述した例においては、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3：ＴＭＧａ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3）3：ＴＭＩｎ）、Ｎ源としてアンモニア（ＮＨ3）、キャリアガスとして水素ガス（Ｈ2）または窒素ガス（Ｎ2）、Ｓｉ源としてモノシラン（ＳｉＨ4）をそれぞれ用いることができる。或いは、他の有機金属原料（例えば、トリエチルガリウム（Ｇａ（Ｃ2Ｈ5）3：ＴＥＧａ）、トリエチルインジウム（Ｉｎ（Ｃ2Ｈ5）3：ＴＥＩｎ）等）及び他の水素化物（例えば、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ4）等）を用いてもよい。また、上述した例ではＭＯＶＰＥ装置を用いているが、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）装置や分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）装置を用いてもよい。また、各成長温度は、上述の温度に限定されるものではない。
【００３７】
以上の構成を備える本実施形態の発光体１０によって得られる効果について説明する。この発光体１０において、多重量子井戸構造１４Ｃに対し電子入力面１０ａ側から電子が入力されると、井戸層１４１における発光再結合（カソードルミネッセンス）により光が発生する。この光は、基板１２を透過して発光体１０の外部へ出力される。
【００３８】
ここで、図３の（ａ）〜（ｃ）は、発光体１０へ電子が入って拡散する様子をモンテカルロ法によりシミュレーションした結果を示す図であって、電子の密度を色の濃淡で示している。色の濃い部分ほど電子密度が高い。図３の（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、電子線の加速電圧を１０ｋＶ、３０ｋＶ、及び４０ｋＶとした場合を示す。これらの図から明らかなように、電子線の加速電圧が小さい場合、電子は発光体１０の浅い領域にのみ拡散し、深くへは侵入しない。これに対し、電子線の加速電圧が大きくなると、電子は発光体１０内の深い領域に侵入する。また、発光体１０内での電子の拡散方向はランダムであり、ほぼ半球状に広がる。
【００３９】
前述したように、電子を光に変換する発光体においては、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することが望まれる場合がある。図３の（ｃ）に示したように、入力する電子線の加速電圧が大きいと、電子線は発光体の深い位置まで到達する。従って、大きな加速電圧の電子線に対して光変換効率を向上させるためには、多重量子井戸構造を厚くすることが望ましい。多重量子井戸構造を厚くするためには、障壁層を厚くするとよい。しかしながらその場合、発光体の浅い位置までしか到達しない小さな加速電圧の電子線に対しては、光変換効率が低下するという問題が生じる。
【００４０】
本実施形態において、電子入力面１０ａから比較的浅い位置にある障壁層１４２は、比較的深い位置にある障壁層１４２と比べて薄い。故に、比較的浅い位置にある障壁層１４２を挟んで電子入力面１０ａとは反対側に位置する井戸層１４１は、障壁層１４２の厚さが均等である場合と比較して、電子入力面１０ａのより近くに配置されることとなる。従って、図３の（ａ）に示されるような小さな加速電圧の電子線に対する光変換効率を向上することが可能となる。また、比較的深い位置にある障壁層１４２は、比較的浅い位置にある障壁層１４２と比べて厚い。故に、比較的浅い位置にある障壁層１４２を挟んで電子入力面１０ａとは反対側に位置する井戸層１４１は、電子入力面１０ａから遠くに配置されることとなる。従って、図３の（ｃ）に示されるような大きな加速電圧の電子線の深い侵入に対しても光変換効率を維持することが可能となる。また、図３の（ｃ）に示したように、電子線は発光体１０の内部において半球状に広がるので、電子入力面１０ａ付近において密に配置された量子井戸は、大きな加速電圧時にも確実に電子を捕捉する。そして、このように電子入力面１０ａからの距離に応じて障壁層１４２の厚さを変化させることにより、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することができる。
【００４１】
本発明者の知見によれば、多重量子井戸構造１４Ｃの内部において、電子は半球状に拡散する傾向があるため、電子入力面１０ａ近傍の量子井戸において励起密度が高くなる。従って、拡散電子による量子井戸の励起は深さ方向において少なくなる。故に、電子入力面１０ａ近傍の量子井戸間隔、つまり障壁層１４２の厚さは、電子入力面１０ａからもっとも離れている量子井戸間隔、つまり障壁層１４２の厚さより薄いことが望ましい。
【００４２】
また、本実施形態のように、複数の障壁層１４２のうち電子入力面１０ａに最も近い障壁層１４２が、複数の障壁層１４２の中で最も薄くてもよい。この場合、電子入力面１０ａから最も近い井戸層１４１の位置が電子入力面１０ａに対してより近くなる。従って、小さな加速電圧の電子線に対する光変換効率を更に向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態のように、複数の障壁層１４２のうち電子入力面１０ａに最も近い第１層目の障壁層１４２の厚さは、複数の障壁層１４２の平均厚さの８０％以下であってもよい。この場合、電子入力面１０ａから最も近い井戸層１４１の位置が電子入力面１０ａに対して近くなる。従って、小さな加速電圧の電子線に対する光変換効率を更に向上させることができる。より好ましくは、第１層目の障壁層１４２の厚さは、複数の障壁層１４２の平均厚さの２０％以下であってよい。
【００４４】
また、本実施形態のように、複数の障壁層１４２のうち電子入力面１０ａに最も近い障壁層１４２と隣り合う第２層目の障壁層１４２の厚さは、複数の障壁層１４２の平均厚さの９０％以下であってもよい。より好ましくは、第２層目の障壁層１４２の厚さは、複数の障壁層１４２の平均厚さの８０％以下であってよい。
【００４５】
また、本実施形態のように、複数の障壁層１４２は、電子入力面１０ａから離れるほど厚くてもよい。この場合、加速電圧の様々な大きさに応じて適切な井戸層１４１の配置を実現でき、光変換効率を更に向上させることができる。
【００４６】
また、本実施形態のように、互いに隣り合う障壁層１４２同士の厚さの差を、電子入力面１０ａから離れるほど小さくすることが好ましい。前述したように、多重量子井戸構造１４Ｃの内部において、電子は半球状に拡散する傾向がある。従って、拡散電子量は深さ方向において指数関数的に少なくなる。故に、互いに隣り合う障壁層１４２同士の厚さの差が、電子入力面１０ａから離れるほど小さくなることにより、深さ毎の拡散電子量に応じた、より適切な井戸層１４１の配置を実現でき、光変換効率を大幅に向上させることができる。
【００４７】
また、本実施形態のように、複数の井戸層１４１の組成が互いに同一であってもよい。この場合、多重量子井戸構造１４Ｃの作製が容易になる。
【００４８】
ここで、上記の効果を検証した結果について説明する。図４のグラフＧ１は、本実施形態の発光体１０（障壁層１４２の厚さは表１のとおり）における、入力電子の加速電圧とカソードルミネッセンス（ＣＬ）のピーク強度（具体的には、各加速電圧における発光スペクトルのピークカウント値）との関係を示すグラフである。また、図４のグラフＧ２は、比較例として、複数の障壁層１４２の厚さを均一とした場合の同関係を示すグラフである。図５は、図４の一部を拡大して示すグラフである。グラフＧ２では障壁層１４２の厚さを２２５ｎｍとした。なお、グラフＧ１，Ｇ２の障壁層１４２の層数は９層とした。
【００４９】
本実施形態（グラフＧ１）では、図５に示すように加速電圧が小さい領域でのＣＬのピーク強度が比較例（グラフＧ２）よりも大きい。特に、加速電圧が６ｋＶである場合においては、ＣＬのピーク強度が比較例（グラフＧ２）の約５倍の大きさを有し、加速電圧が８ｋＶである場合においても約２倍の大きさを有する。このような顕著な相違は、本実施形態において第１層目の障壁層１４２を極めて薄く（２１ｎｍ）したことに因るものと考えられる。
【００５０】
また、図４を参照すると、加速電圧が４０ｋＶを超える領域では、加速電圧が増大するに従い、比較例（グラフＧ２）のＣＬピーク強度が次第に低下している。これは、加速電圧の増大に伴い、多重量子井戸構造を突き抜ける電子が次第に増加することに因ると考えられる。これに対し、加速電圧の増大に伴う本実施形態（グラフＧ１）のＣＬピーク強度の低下度合いは、比較例（グラフＧ２）と比べて抑制されている。このことは、高加速電圧時において球状に広がった電子を表面近くに密に配置された量子井戸で確実に捕捉することにより、光変換効率が比較例（グラフＧ２）と比べて格段に向上することを示唆している。
【００５１】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る電子線検出器２０の構成を示す断面図であって、厚み方向に沿った断面を示している。この電子線検出器２０は、第１実施形態の発光体１０と、絶縁性の光学部材（光ガイド部材）２２と、光検出器３０とを備える。光学部材２２は、本実施形態における光透過部材の例であり、絶縁性を有し、発光体１０と光検出器３０との間に介在して発光体１０及び光検出器３０を一体化する。発光体１０の基板１２の裏面１２ｂと、光検出器３０の光入射面３０ａとは、光学部材２２を介して光学的に結合されている。具体的には、光学部材２２の一端面は光入射面３０ａと接合されており、光学部材２２の他端面は発光体１０と接合されている。光学部材２２は、ファイバオプティックプレート（ＦＯＰ）等のライトガイドであってもよく、発光体１０において発生した光を光入射面３０ａ上に集光するレンズであってもよい。
【００５２】
光学部材２２と光検出器３０との間には、光透過性の接着層ＡＤ２が介在しており、接着層ＡＤ２によって光学部材２２と光検出器３０との間の相対位置が固定されている。接着層ＡＤ２は、例えば光透過性の樹脂を主に含む。また、発光体１０の基板１２の裏面１２ｂ上と光学部材２２との間には、接着層ＡＤ１が介在している。接着層ＡＤ１は、裏面１２ｂ上に設けられたＳｉＮ層ＡＤａと、ＳｉＮ層ＡＤａ上に設けられたＳｉＯ2層ＡＤｂとを含む。一例では、裏面１２ｂとＳｉＮ層ＡＤａとは互いに接しており、ＳｉＮ層ＡＤａとＳｉＯ2層ＡＤｂとは互いに接している。ＳｉＯ2層ＡＤｂと光学部材２２とは、互いに融着されている。ＳｉＯ2層ＡＤｂ及び光学部材２２は共に珪化酸化物であるため、これらは加熱を行うことにより融着することができる。
【００５３】
ＳｉＯ2層ＡＤｂは、スパッタリング法等を用いてＳｉＮ層ＡＤａ上に形成されているので、ＳｉＮ層ＡＤａとＳｉＯ2層ＡＤｂとの結合力は極めて高い。同様に、ＳｉＮ層ＡＤａもまたスパッタリング法等によって基板１２の裏面１２ｂ上に形成されているので、ＳｉＮ層ＡＤａと基板１２との結合力も極めて高い。従って、接着層ＡＤ１を介して基板１２と光学部材２２とは強固に接合される。また、ＳｉＮ層ＡＤａは、反射防止膜としても機能し、多重量子井戸構造１４Ｃにて発生した光が裏面１２ｂにおいて反射することを抑制または低減する。
【００５４】
このような構造を有する電子線検出器２０において、電子の入力に応じて多重量子井戸構造１４Ｃ内で発生した光は、接着層ＡＤ１、光学部材２２、及び接着層ＡＤ２を順次透過して光検出器３０の光入射面３０ａに至る。
【００５５】
光検出器３０の光入射面３０ａは、上述したように、基板１２、接着層ＡＤ１、光学部材２２、及び接着層ＡＤ２を介して、多重量子井戸構造１４Ｃにおける電子入力面１０ａとは反対側の面と光学的に結合されている。光検出器３０は、多重量子井戸構造１４Ｃが発する光に対して感度を有する。光検出器３０は、例えば光電子増倍管である。この場合、光検出器３０は、真空容器３１を備える。真空容器３１は、金属製の側管３１ａと、側管３１ａの頂部の開口を閉塞する光入射窓（面板）３１ｂと、側管３１ａの底部の開口を閉塞するステム板３１ｃとを含んで構成される。この真空容器３１の内部には、光入射窓３１ｂの内面に形成された光電陰極３２と、電子増倍部及び陽極を含む電極部３３とが配置されている。電子増倍部は、例えばマイクロチャネルプレート又はメッシュ型のダイノードを含む。
【００５６】
光入射面３０ａは、光入射窓３１ｂの外面であり、光入射面３０ａに入射した光は、光入射窓３１ｂを透過して光電陰極３２に入射する。光電陰極３２は、光の入射に応じて光電変換を行い、生成した光電子を真空容器３１の内部空間へ放出する。この光電子は、電極部３３の電子増倍部によって増倍される。増倍された電子は、電極部３３の陽極にて収集される。電極部３３の陽極に収集された電子は、ステム板３１ｃを貫通する複数のピン３１ｐのうち何れかを介して光検出器３０の外部に取り出される。なお、電極部３３の電子増倍部には、他のピン３１ｐを介して所定の電位が与えられる。金属製の側管３１ａの電位は０Ｖであり、光電陰極３２は側管３１ａと電気的に接続されている。
【００５７】
以上に説明した本実施形態の電子線検出器２０は、第１実施形態の発光体１０を備える。従って、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて電子線検出効率を向上することができる。また、絶縁性の光学部材２２が発光体１０と光検出器３０との間に介在することにより、発光体１０への印加電圧にかかわらず光検出器３０を安定して動作させることができる。
【００５８】
（第３実施形態）
第２実施形態の電子線検出器２０は、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）及び質量分析装置等に用いることができる。図７は、第３実施形態に係る測長ＳＥＭ４０の構成を概略的に示す図である。測長ＳＥＭ４０は、被検査対象物の画像を取得するＳＥＭ４１と、全体の制御を行う制御部４２と、取得した画像などを磁気ディスクや半導体メモリなどに記憶する記憶部４３と、プログラムに従い演算を行う演算部４４と、を備える。ＳＥＭ４１は、試料ウェハ４５を搭載する可動ステージ４６、試料ウェハ４５に電子線ＥＢ１を照射する電子源４７、試料ウェハ４５から発生した二次電子及び反射電子を検出する複数（図には３つを例示）の電子線検出器２０を備える。電子線検出器２０の構成は、第２実施形態と同様である。更に、ＳＥＭ４１は、電子線ＥＢ１を試料ウェハ４５上に収束させる電子レンズ（図示せず）、電子線ＥＢ１を試料ウェハ４５上で走査するための偏向器（図示せず）、及び、各電子線検出器２０からの信号をデジタル変換してデジタル画像を生成する画像生成部４８等を備える。可動ステージ４６、電子源４７、電子線検出器２０のうち少なくとも発光体１０、電子レンズ、及び偏向器は、真空チャンバ５０内に収容されている。画像生成部４８及び各電子線検出器２０は、配線を介して互いに電気的に接続されている。画像生成部４８、制御部４２、記憶部４３、及び演算部４４は、データバス４９を介して互いに電気的に接続されている。
【００５９】
電子線ＥＢ１を試料ウェハ４５に照射しながら、電子線ＥＢ１を試料ウェハ４５の表面上において走査すると、試料ウェハ４５の表面からは二次電子及び反射電子が放出され、これが電子線ＥＢ２として電子線検出器２０へと導かれる。電子線検出器２０は電子線ＥＢ２を電気信号に変換し、電子線ＥＢ２の電流量に応じてピン３１ｐ（図６を参照）から電気信号が出力される。電子線ＥＢ１の走査位置と電子線検出器２０の出力とを同期させて対応づけることにより、試料ウェハ４５の像を撮影することができる。
【００６０】
制御部４２は、試料ウェハ４５の搬送を制御する機能、可動ステージ４６の制御を行う機能、電子線ＥＢ１の照射位置を制御する機能、及び、電子線ＥＢ１の走査を制御する機能を有する。記憶部４３は、取得された画像データを記憶する領域、及び撮像条件（例えば加速電圧など）を記憶する領域を有する。演算部４４は、画像データにおける濃淡（コントラスト）に基づいて、構成物の寸法（溝の幅など）を算出する機能を有する。なお、制御部４２及び演算部４４は、各機能を実現するように設計されたハードウェアとして構成されてもよく、或いは、ソフトウェアとして実装され汎用的な演算装置（例えばＣＰＵやＧＰＵなど）を用いて実行されるように構成されてもよい。
【００６１】
本実施形態に係る測長ＳＥＭ４０は、第１実施形態の発光体１０を備える。これにより、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて電子線検出効率を向上することができる。故に、試料ウェハ４５が深い凹部及び／又は溝等を有する場合であっても、当該部分を大きな加速電圧を用いて、また他の部分を小さな加速電圧を用いて、それぞれ明瞭に撮影することができる。
【００６２】
例えば、半導体メモリデバイスといった多層半導体デバイスにおける各層の形状（配線幅など）を測定する場合、当該半導体デバイスの最表面層から発光体１０まで二次電子及び反射電子を到達させる為には小さな加速電圧（例えば３〜５ｋｅＶ）で足りるが、最深層から発光体１０まで二次電子及び反射電子を到達させる為には大きな加速電圧（例えば３０ｋｅＶ以上）が必要となる。本実施形態の測長ＳＥＭ４０によれば、小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて電子線検出効率を向上し得るので、多層半導体デバイスの各層の形状及び寸法を明瞭に測定することが可能となる。
【００６３】
本開示による発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、多重量子井戸構造１４Ｃを構成する井戸層１４１及び障壁層１４２の組成、ドーパント濃度及び厚さは、上述した例に限定されない。また、上述した例では第１バッファ層１４Ａ及び第２バッファ層１４ＢをＧａＮ層とした例を示したが、ＩＩＩ族元素としてＩｎ、Ａｌ、及びＧａの少なくとも１つ以上を含み、主たるＶ族元素としてＮを含み、多重量子井戸構造１４Ｃの発光波長に対して光透過性を有する窒化物半導体であれば、他の組成を適用してもよい。
【００６４】
また、上述した例では、多重量子井戸構造１４Ｃの井戸層１４１及び障壁層１４２にＳｉをドープした例を示したが、これに限定されず、他の不純物（例えばＭｇ）をドープしてもよく、また必要に応じ、ドープしなくてもよい。
【００６５】
また、多重量子井戸構造１４Ｃの井戸層１４１及び障壁層１４２は、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）により構成され得る。そのため、上述したＩｎＧａＮ／ＧａＮの組み合わせ以外にも、例えば、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ等の組み合わせが可能である。或いは、井戸層１４１及び障壁層１４２は、窒化物半導体を除く他の半導体から構成されてもよい。
【００６６】
また、上述した例では、井戸層１４１及び障壁層１４２の層数をそれぞれ９層としたが、井戸層１４１及び障壁層１４２の層数は２以上の任意の層数であってよい。また、表１に示された障壁層１４２の厚さは一例であり、障壁層１４２はこれ以外にも様々な厚さを有することができる。
【００６７】
また、図６の光検出器３０は、光電子増倍管に限られず、例えばアバランシェフォトダイオードであってもよい。また、光学部材２２は、直線的な形状に限られず、曲線的な形状であってもよく、またサイズも適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…発光体、１０ａ…電子入力面、１２…基板、１２ａ…主面、１２ｂ…裏面、１４…窒化物半導体層、１４Ａ…第１バッファ層、１４Ｂ…第２バッファ層、１４Ｃ…多重量子井戸構造、１８…導電層、２０…電子線検出器、２２…光学部材、３０…光検出器、３０ａ…光入射面、３１…真空容器、３１ａ…側管、３１ｂ…光入射窓、３１ｃ…ステム板、３１ｐ…ピン、３２…光電陰極、３３…電極部、４０…測長ＳＥＭ、４１…走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、４２…制御部、４３…記憶部、４４…演算部、４５…試料ウェハ、４６…可動ステージ、４７…電子源、４８…画像生成部、４９…データバス、５０…真空チャンバ、１４１…井戸層、１４２，１４３…障壁層、ＡＤ１，ＡＤ２…接着層、ＡＤａ…ＳｉＮ層、ＡＤｂ…ＳｉＯ２層、ＥＢ１，ＥＢ２…電子線。
【要約】
【課題】小さな加速電圧から大きな加速電圧にかけて光変換効率を向上することが可能な発光体、電子線検出器、及び走査型電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】発光体１０は、入力した電子を光に変換する発光体であって、電子の入力により光を発する多重量子井戸構造１４Ｃと、多重量子井戸構造１４Ｃ上に設けられる電子入力面１０ａとを備える。多重量子井戸構造１４Ｃを構成する複数の障壁層１４２に含まれる或る障壁層１４２は、複数の障壁層１４２に含まれ或る障壁層１４２に対して電子入力面１０ａ側に位置する別の障壁層１４２よりも厚い。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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