特許 7373391 シンチレータ、計測装置、質量分析装置および電子顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-25

(45)【発行日】2023-11-02

(54)【発明の名称】シンチレータ、計測装置、質量分析装置および電子顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/06 20060101AFI20231026BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20231026BHJP

   C09K 11/62 20060101ALI20231026BHJP

   C09K 11/00 20060101ALI20231026BHJP

【ＦＩ】

H01J49/06

H01J37/244

C09K11/62

C09K11/00 E

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019233378

(22)【出願日】2019-12-24

(65)【公開番号】P2021103612

(43)【公開日】2021-07-15

【審査請求日】2022-08-01

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】今村 伸

(72)【発明者】

【氏名】楠 敏明

(72)【発明者】

【氏名】高橋 恵理

(72)【発明者】

【氏名】關口 好文

(72)【発明者】

【氏名】神田 隆之

【審査官】鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２９８６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１３５０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５７７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】Masataka HIGASHIWAKI et al.，“Crystal Growth and Device Application of Gallium Oxide (Ga2O3)”，Hyomen Kagaku，2014年，Vol. 35, No. 2，p.102-107，DOI: 10.1380/jsssj.35.102

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０９Ｋ １１／００

Ｃ０９Ｋ １１／６２

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ４９／０２

Ｇ０１Ｔ １／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に対して入射側に設けられ、ＧａＮを含むＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層に対して入射側に設けられた量子井戸構造と、
前記量子井戸構造に対して入射側に設けられた導電層と、
を備え、
前記量子井戸構造において、ＩｎＧａＮを含む複数の発光層と、ＧａＮを含む複数の障壁層とが、交互に積層されており、
前記量子井戸構造と導電層との間には、酸素を含む酸素含有層が設けられ、
前記導電層と前記量子井戸構造との間の面抵抗が１０ ^－１ ～１０ ^－５ Ωｃｍ ^２ の範囲内である
ことを特徴とするシンチレータ。

【請求項2】

基板と、
前記基板に対して入射側に設けられ、ＧａＮを含むＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層に対して入射側に設けられた量子井戸構造と、
前記量子井戸構造に対して入射側に設けられた導電層と、
を備え、
前記量子井戸構造において、ＩｎＧａＮを含む複数の発光層と、ＧａＮを含む複数の障壁層とが、交互に積層されており、
前記量子井戸構造と導電層との間には、酸素を含む酸素含有層が設けられ、
前記量子井戸構造において、前記発光層のうち少なくとも最も入射側に設けられた発光層に、複数の穴が形成され、
前記穴の密度は、１０ ^４ 個／ｃｍ ^２ 以上１０ ^１０ 個／ｃｍ ^２ 以下の範囲内である
ことを特徴とするシンチレータ。

【請求項3】

請求項１に記載のシンチレータにおいて、前記酸素含有層はＧａの酸化物を含むことを特徴とする、シンチレータ。

【請求項4】

請求項１に記載のシンチレータにおいて、前記酸素含有層の厚さが、１ｎｍ～１００ｎｍの範囲内であることを特徴とする、シンチレータ。

【請求項5】

請求項１に記載のシンチレータにおいて、前記導電層から、前記量子井戸構造において最も入射側に設けられた前記発光層までを含む部分の厚さの合計が、２００ｎｍ以上であることを特徴とする、シンチレータ。

【請求項6】

請求項１に記載のシンチレータにおいて、前記導電層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｎｂのうち、少なくとも一種類以上を含むことを特徴とする、シンチレータ。

【請求項7】

請求項１に記載のシンチレータにおいて、いずれかの前記発光層の厚さａと、いずれかの前記障壁層の厚さｂとについて、ｂ／ａ≧６となることを特徴とする、シンチレータ。

【請求項8】

請求項１に記載のシンチレータにおいて、前記発光層の層数は、５～３０の範囲内であることを特徴とする、シンチレータ。

【請求項9】

荷電粒子源から放出された荷電粒子線の照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、前記検出器は請求項１に記載のシンチレータであることを特徴とする、計測装置。

【請求項10】

質量分離されたイオンを検出する検出器を備えた質量分析装置において、前記検出器は請求項１に記載のシンチレータであることを特徴とする、質量分析装置。

【請求項11】

評価対象から放出された電子線を検出する検出器を備えた電子顕微鏡において、前記検出器は請求項１に記載のシンチレータであることを特徴とする、電子顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、シンチレータ、計測装置、質量分析装置および電子顕微鏡に係り、特に量子井戸構造を備えたものに係る。

【背景技術】

【0002】

試料からのイオンや電子などの荷電粒子を計測し、試料の情報を得る計測装置には、荷電粒子を検出するための検出器が備えられている。以下、主に質量分析装置を例として記述する。質量分析装置では、イオン化した測定試料を用い、質量分析部にて特定の質量のものを選別する。選別したイオンを検出部に導入し、イオン量を検出する。ここで、イオン量を検出する方法として、シンチレータを用いた検出器を用いることができる。

【0003】

この検出器では、質量に基づいて選別したイオンを、検出部でコンバージョンダイノードに照射し、電子を発生させる。発生した電子を、検出部に５～１５ｋＶ程度の正電圧を印加することによって、検出器のシンチレータに入射させる。

【0004】

シンチレータは、荷電粒子線の入射によって発光する構造である。入射電子によるシンチレータの発光を、ライトガイド等を介し、光電管などの受光素子で電気信号に変換し、計測情報とする。検出された発光の強度に基づき、イオン量に関する情報を得る。シンチレータを用いた検出器により、高感度で、耐久性が高い検出を行うことができる。

【0005】

近年、計測において、ダイナミックレンジ拡大、低ノイズ化、スループット向上などの要求が大きく、それらに対応するには、検出時間を短くし、かつ検出信号を増加させることが必要である。このためには、シンチレータの応答速度の高速化および検出感度増が必須となる。

【0006】

ここで、従来例として、応答速度が早いシンチレータの技術が文献に開示されている。特許文献１には、基板上に形成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を含む発光体を有するシンチレータが開示されている。また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層上には、当該ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を含む窒化物半導体層の構成材料よりもバンドギャップエネルギが大きいキャップ層と、更にその上層にＡｌで構成されるメタルバック層を設けることが説明されている。

【0007】

特許文献２には、ＩｎＧａＮとＧａＮが交互に積層された多層構造上に、ＧａＮの層を成長させたキャップ層を設け、更にその上層に電子入射時の帯電防止のためのＡｌ薄膜を蒸着することが説明されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００５－２９８６０３号公報（対応米国特許第７，９１０，８９５号明細書）

【文献】特開２０１７－１３５０３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、従来の技術では、発光強度が低いという問題があった。

【0010】

質量分析装置などの計測装置で必要とされていることは、弱い信号から強い信号まで評価することが可能なダイナミックレンジの広さである。そのためのシンチレータで必要とされる特性は、入射電子が少ない場合でもノイズと分離できるだけの発光強度があることである。

【0011】

また、入射電子が多い場合にも、発光強度の飽和が少なく電子の数量の変化の計測が可能であれば、さらに好ましい。

【0012】

シンチレータの特性としては、電子入射時に十分強い発光が生じることが必要である。また、その発光が次の入射の前にほとんど消失していれば、さらに好ましい。

【0013】

従来のＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を含む発光体では、入射電子を光に変換する効率に限界があり、発光強度が低い。また、シンチレータに入射する電子は負の電荷を持っている。このような電子がシンチレータ内に残っていると、その後に入射する電子と反発し、電子の入射量を低下させてしまう。また、このような残留電子には、シンチレータに入射した後、少し時間をおいて発光するものがあり、応答速度低下の原因となる。

【0014】

特許文献１および２に記載されているシンチレータでは、量子井戸層の結晶構造が、入射電子を効率よく量子井戸層内で発光に変換できないということが、発明者らの検討で明らかになった。また、従来構造では、シンチレータ内に残留する電子を制御できていないということがわかった。そのため、従来技術を用いると、発光出力が弱く、十分な特性が得られない。

【0015】

そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、発光強度を向上させられるシンチレータ等を提供する。

【0016】

なお、本発明の一部の実施例は、より高速な応答が可能であり、またはより広いダイナミックレンジを持つ。

【課題を解決するための手段】

【0017】

この発明に係るシンチレータの一例は、
基板と、
前記基板に対して入射側に設けられ、ＧａＮを含むＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層に対して入射側に設けられた量子井戸構造と、
前記量子井戸構造に対して入射側に設けられた導電層と、
を備え、
前記量子井戸構造において、ＩｎＧａＮを含む複数の発光層と、ＧａＮを含む複数の障壁層とが、交互に積層されており、
前記量子井戸構造と導電層との間には、酸素を含む酸素含有層が設けられる
ことを特徴とする。

【0018】

この発明に係る計測装置の一例は、荷電粒子源から放出された荷電粒子線の照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、前記検出器は上述のシンチレータであることを特徴とする。

【0019】

この発明に係る質量分析装置の一例は、質量分離されたイオンを検出する検出器を備えた質量分析装置において、前記検出器は上述のシンチレータであることを特徴とする。

【0020】

この発明に係る電子顕微鏡の一例は、評価対象から放出された電子線を検出する検出器を備えた電子顕微鏡において、前記検出器は上述のシンチレータである。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係るシンチレータ等によれば、入射する荷電粒子を効率よく発光させ、シンチレータの発光強度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施例１に係るシンチレータの構成を示す図。

【図2】図１のシンチレータを備える質量分析装置の基本構成を示す図。

【図3】図１のシンチレータの発光スペクトルの一例を示す図。

【図4】図１のシンチレータの断面における酸素組成分布を示す図。

【図5】図１のシンチレータにおける、導電層および量子井戸構造の間の電気的抵抗と、発光強度との関係を示す図。

【図6】薄膜の抵抗値を測定する方法の模式図。

【図7】量子井戸層において、時間変化に対する発光強度の変化を示す図。

【図8】シンチレータ表面における凹状穴の面積密度の差異を比較する図。

【図9】シンチレータの凹状穴面積密度による発光強度の差異を示す図。

【図10】障壁層および発光層の厚さの比率と、発光強度との関係を示す図。

【図11】量子井戸構造の全体厚に対する発光強度の変化を示す図。

【図12】実施例１の変形例に係る電子顕微鏡の基本構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施例１．
実施例１は、シンチレータを検出素子とする検出器を備えた質量分析装置に係るものである。ただし、本発明の応用は実施例１に限られない。質量分析装置は計測装置の一例であり、実施例１のシンチレータは他の計測装置に用いることも可能である。他の計測装置の例として、実施例１のシンチレータは、電子線を用いた電子顕微鏡に用いてもよく、走査電子顕微鏡を用いた半導体パターンの計測装置に用いてもよく、検査装置に用いてもよく、観察装置に用いてもよい。

【0024】

本明細書でのシンチレータとは、荷電粒子線が入射することに応じて発光する素子を指すものとする。本明細書におけるシンチレータは、実施例１に示されたものに限定されず、様々な形状または構造をとることができる。

【0025】

以下、実施例１に係るシンチレータの具体的構成について説明する。図１は実施例１のシンチレータＳの構成を示す図であり、とくに、発光部１の構成を示す模式図を含む。発光部１には、ＧａＮを含む量子井戸構造３を含む発光素子が用いられる。

【0026】

シンチレータＳは、基板を備える。基板はたとえばサファイア基板６とすることができる。また、シンチレータＳは、ＧａＮ層４を備える。ＧａＮ層４はＧａＮを含む層であり、バッファ層として機能する。

【0027】

ＧａＮ層４は、サファイア基板６に対して入射側に設けられる。本明細書において、「入射側」とは、シンチレータＳにおいて、またはシンチレータＳに含まれる特定の層において、検出対象となる荷電粒子が入射する面の側をいう。入射側の面は、「上面」と呼ばれる場合もある。実施例１では、ＧａＮ層４は、サファイア基板６の上面に積層されているということもできる。

【0028】

シンチレータＳは、量子井戸構造３を備える。量子井戸構造３は、ＧａＮ層４に対して入射側に設けられる。量子井戸構造３において、複数の発光層２１と、複数の障壁層２２とが、交互に積層されている。発光層２１はＩｎＧａＮを含み、障壁層２２はＧａＮを含む。発光層２１は、量子井戸層としても機能する。

【0029】

シンチレータＳは、導電層２を備える。導電層２は、量子井戸構造３に対して入射側に設けられる。また、シンチレータＳは、酸素含有層２３を備える。酸素含有層２３は、量子井戸構造３と導電層２との間（たとえばこれらの界面）に設けられる。

【0030】

このようなシンチレータＳについて、より具体的な構成、組成および作製方法の例を説明する。ただし、構成、組成および作製方法は以下に示すものに限らず、上記の構成を実現することができるものであれば任意に採用可能である。

【0031】

まず、サファイア基板６上にＧａＮ層４を成長させ、その上にＧａ_１－ｘＩｎ_ｘＮ（但し０＜ｘ＜１）を含む発光層２１を多数、それぞれ組成を変えながら成長させ、量子井戸構造３を形成する。その上に直接、導電層２を形成する。この導電層２は、シンチレータＳのうち最も入射側に形成される層である。

【0032】

導電層２は、たとえばその全体がＡｌで構成されるが、これに限らない。たとえば、導電層２は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｎｂのうち、少なくとも一種類以上を含んで構成される。これらの材料を用いると、特性の良いシンチレータＳを構成することができる。

【0033】

サファイア基板６は直径２インチ（約５．１ｃｍ）の円盤状であり、ＧａＮ層４は厚さｃが３～１０μｍの範囲内となるよう成長させた。

【0034】

量子井戸構造３は、Ｇａ_１－ｘＩｎ_ｘＮの組成を持つ発光層２１と、ＧａＮの組成を持つ障壁層２２とが、交互に複数周期で重なったものであり、周期の数は２～４０の範囲内である。量子井戸構造３の厚さは２０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲内である。量子井戸構造３の入射側に、導電層２としてＡｌ層を４０～１０００ｎｍの厚さの範囲内で蒸着により形成した。この導電層２は、電子入射時に帯電防止作用を有する。

【0035】

導電層２と量子井戸構造３との間には、酸素を有する酸素含有層２３を設けた。また、実施例１に係るシンチレータＳでは、量子井戸構造３から導電層２にかけて、入射側に向かって広がる凹状の穴２４が形成される。この穴２４は、たとえば結晶の歪または欠陥の結果として生じる。なお、シンチレータＳは複数の発光層２１を備えるため、穴２４は必ずしもすべての発光層２１にわたって存在するものではないが、少なくとも最も入射側に設けられた発光層２１に複数の穴２４が形成される。

【0036】

複数の発光層２１は、すべて同一の厚さおよび組成を有してもよいし、それぞれ厚さまたは組成が異なっていてもよい。同様に、複数の障壁層２２も、すべて同一の厚さおよび組成を有してもよいし、それぞれ厚さまたは組成が異なっていてもよい。

【0037】

また、発光部１とサファイア基板６との間の界面５は、平面でもよいし、凹凸のある構造でもかまわない。例えば、構造ピッチが１０～１００００ｎｍの範囲内であり、かつ構造高さが１０～１００００ｎｍの範囲内であるような突起状構造が連続的に形成されている構造が形成されていれば、発光の取り出しによる発光出力向上に効果的である。

【0038】

このような構造から、所定のサイズに切り出したものをシンチレータＳとして用いた。

【0039】

図２は、実施例１に係る質量分析装置３０の基本構成を説明する図である。質量分析装置３０は、イオンを電磁気的作用により質量分離し、測定対象イオンの質量／電荷比を計測する。質量分析装置３０は、イオン源３１、質量分離部３２、コンバージョンダイノード３３（変換電極）、増幅器３４および信号出力器３５を備える。

【0040】

イオン源３１は、ＥＳＩ、ＡＰＣＩ、ＭＡＬＤＩ、ＡＰＰＩ等の方式を採用することができる。質量分離部３２には、ＱＭＳ型、ｉｏｎｔｒａｐ型、時間飛行（ＴＯＦ）型、ＦＴ－ＩＣＲ型、Ｏｒｂｉｔｒａｐ型、或いはそれら複合型等がある。

【0041】

質量分析装置３０は、質量分離部３２にて質量選択されたイオンを、コンバージョンダイノード３３に衝突させて荷電粒子に変換し、発生した荷電粒子をシンチレータＳにて検出し、発光した光を増幅器３４および信号出力器３５により信号出力に変換する。

【0042】

図３に、シンチレータＳの発光スペクトルの一例を示す。

【0043】

実施例１のシンチレータＳでは、導電層２と量子井戸構造３の間に酸素含有層２３を設置している。図４に、シンチレータＳの断面における酸素組成分布図を示す。この図において、導電層２と量子井戸構造３との間に、酸素含有層２３が示されている。

【0044】

酸素含有層２３は、Ｇａの酸化物を含んでいてもよい。Ｇａの酸化物を含むことにより、シンチレータＳの特性が制御しやすくなる場合がある。また、酸素含有層２３は、導電層２を構成する組成（本実施例ではＡｌ）の酸化物を含んでいてもよい。

【0045】

この酸素含有層２３は、量子井戸構造３を成長した後、酸素を含む気体に暴露することで形成可能である。また、さらに酸素を含む気体中で加熱を行うことでも、形成が可能である。酸素含有層２３の厚さは任意であるが、１ｎｍ～１００ｎｍの範囲内とすれば、導電層２と量子井戸構造３との間の抵抗値を適切に制御することが可能である。

【0046】

シンチレータＳの発光は、量子井戸構造３に入射した電子がエネルギーを与えキャリアを励起することにより生じる。入射した電子が量子井戸構造３内に留まる場合、励起が継続的に生じて、発光強度が大きくなる。また、入射した電子が量子井戸構造３から直ちに排除される場合、励起の継続が少なく、発光強度が小さくなる。しかし、その場合、発光が短い時間で終了し、応答時間が短くなるという利点がある。

【0047】

図５に、シンチレータＳの導電層２および量子井戸構造３の間の電気的抵抗と、発光強度との関係を示す。なお、図５は様々な条件下での発光強度を比較した結果を表すものであり、発光強度（縦軸）にはとくに単位を付さない。以下、他の図についても同様である。

【0048】

シンチレータＳにおいて、導電層２と量子井戸構造３の間の抵抗を制御することで、上記の発光強度および応答時間を調整することが可能となる。たとえば、導電層２と量子井戸構造３の間の抵抗値を、面抵抗が１０^－１～１０^－５Ωｃｍ^２の範囲内とすることで、良好な発光強度を得られることがわかった。なお、面抵抗がこの範囲内である場合の応答時間は、十分使用可能な範囲内となる可能性がある。

【0049】

ここで、導電層２と量子井戸構造３の間の電気的抵抗の評価には、一般的に用いられている薄膜の抵抗値計測手段を用いた。一例として、図６に示すような円環状の電極を用いて、微小電流を計測可能な電流計により評価する手段などが可能である。図６には、計測試料表面に形成した電極の形状を示しており、円状電極と外周電極と間の抵抗を計測することで、抵抗値の評価が可能である。

【0050】

また、発光強度および応答時間の制御として、下記の方法も実施した。本実施例の構成の一つとして、導電層２（Ａｌ層）の直下の位置に発光層２１を置くことが可能である。なお、ここで「直下」という表現は、障壁層２２を挟まない位置関係を意味し、酸素含有層２３の有無については無視している。

【0051】

その場合、導電層２に接する発光層２１は、Ｇａ_１－ｙＩｎ_ｙＮ（但し０＜ｙ＜１）の組成を持ち、ＧａＮよりバンドギャップエネルギが小さい発光層２１である。この層はＩｎを含むことで、電導率がＧａＮ層４より高くなっており、さらに、バンドギャップが小さいため、電子が流れ込みやすくなっている。このため、量子井戸構造３に入射された電子が、直ちに導電層２に移動することができる。導電層２は導体（たとえばＡｌ）で構成されており、電子は発光部１に留まることなく排除される。これは、応答時間を短く調整する場合に有効である。

【0052】

ここで、量子井戸構造３に入射した電子が直ちに排除されない場合、残留した電子はマイナスのチャージとなり、その後に入射する電子への斥力として働くので、電子の入射量が減り、発光出力の低下を招く。また、残留した電子には、入射後に少し時間をおいて発光する遅延発光を生じさせるものがあり、発光の高速性を損ねる原因となる。このような問題に対し、実施例１によれば、入射後の電子が直ちに排除されることにより、発光出力の増加と、発光の高速化とを得ることができる。

【0053】

なお、本実施例の変形例の一つとして、導電層２の直下の位置に、発光層２１でなく障壁層２２を置いてもよい。

【0054】

図７に、発光層２１における、時間変化に対する発光強度の変化を示す。電子が発光層２１に入射した後の発光出力の変化を、ｎｓ単位で極めて高速に評価した結果である。図７（ａ）は、発光層２１に導電層２（この例ではＡｌ）を直接接触させた構造を用いた場合の、時間変化に対する発光強度の変化を示す図である。一方、図７（ｂ）は、発光層２１上にバンドギャップが大きい層（たとえばＧａＮを含む層であり、一例として障壁層２２）を形成し、その上に導電層２を形成した場合の発光強度の変化を示す図である。なお、ここでも、「直接接触」という表現については、酸素含有層２３の有無を無視している。

【0055】

図７（ｂ）では、発光が立ち上がった後、数十ｎｓに渡り発光が残る様子がわかる。これは、残留した電子が、数十ｎｓの遅延発光の要因となるからである。このような発光は、応答の高速性を損ない、装置の特性を低下させることになる。一方、図７（ａ）では、発光が立ち上がった後、１０ｎｓ以下で発光が消えることがわかる。これは、残留した電子が直ちに排除されていることが一つの要因である。

【0056】

実施例１のシンチレータＳは、図１に示すように、量子井戸構造３から導電層２にかけて生じる凹状の穴２４を有する。発光部１の表面における穴２４の面積密度を１０^４個／ｃｍ^２以上１０^１０個／ｃｍ^２以下の範囲内に制御することで、良好な発光特性を得ることができる。

【0057】

穴２４の面積密度の制御は、結晶成長時の温度、成長速度、組成、原料などの調整をすることで可能である。量子井戸構造３での発光は、励起により生成したキャリアである電子およびホールが発光層２１に閉じ込められ、電子およびホールが効率的に結合しやすくなることにより、高効率に発光をする。この発光をさらに増加させるためには、結晶に、ある程度結晶歪を導入した方がよい、ということが発明者らによる検討の結果わかった。これは、通常の、結晶を良くして歪を減らせば効率が向上する、という考え方とは異なり、実際に様々な状態の結晶による実験を行って初めて知ることができる結果である。

【0058】

結晶歪があることにより発光強度が増大する理由は、厳密には特定されていないが、一例として考えられるものを下記に説明する。歪により生じた凹状の穴２４は、量子井戸構造３の内部の一部での空隙となっている。その周囲は歪の多い結晶による壁を形成する。量子井戸構造３は、２次元構造内にキャリアを閉じ込める構造であり、閉じ込めにより発光の効率を向上させている。そこに、結晶壁が加わることで、その周囲でエネルギーバンドの局在またはベンドが生じて、その周囲でのキャリアの局在も生じると考えられる。そのため、さらに１次元構造内でのキャリア閉じ込めが生じ、発光の効率が増加したと考えることができる。なお、ある程度以上この凹状穴が増えると、発光すべき結晶量が減少し、却って発光量が減少する場合もある。

【0059】

図８は、シンチレータの表面における凹状の穴２４の面積密度の差異を比較する図である。図８（ａ）は実施例１のシンチレータＳの図であり、図８（ｂ）は従来のシンチレータの図である。

【0060】

また、図９に、凹状の穴２４の面積密度が異なる場合の発光強度の差異を示す。穴２４の面積密度がある程度多く、１０^４個／ｃｍ^２以上１０^１０個／ｃｍ^２以下の範囲内で、発光強度が増加していることが示されている。このように、適切な面積密度の凹状穴を有する結晶を用いることで、良好な特性のシンチレータを作製することができる。

【0061】

量子井戸構造３の層厚について以下に記載する。実施例１のシンチレータＳは、各層厚を以下に示すような条件で作成することがより望ましい。より好適な条件を見出すために、多数のシンチレータを作製し、各シンチレータにおいて、図１に示す障壁層２２の厚さｂと、発光層２１の厚さａとの比率ｂ／ａを異ならせた。作製範囲は、ｂ／ａが１．５～２０の範囲であり、発光層２１の厚さａが１～５ｎｍの範囲である。

【0062】

発光層２１は、一般的に４ｎｍ以下の厚さで量子効果が大きくなり、発光波長の短波長へのシフトや、発光効率の増加が見込める。しかし、このとき、障壁層２２の厚さが薄すぎると、結晶性が低下し発光強度が減少する場合がある。また、電子線の侵入距離に比べて量子井戸構造３の厚さが薄すぎると、電子線が十分利用されず発光強度が減少する場合がある。本発明者らは、これらの効果を考慮し、もっとも発光強度が強くなる範囲を新たに見出した。

【0063】

図１０は、障壁層２２の厚さｂおよび発光層２１の厚さａの比率ｂ／ａと、発光強度との関係を示す。この図より、比率ｂ／ａが５程度までは発光強度も増加していくが、比率ｂ／ａが６以上で発光強度はほぼ最大化することがわかった。即ち、比率ｂ／ａを６以上とすることで、強い発光強度と高速応答とを両立するシンチレータを製造することができる。

【0064】

なお、実施例１のシンチレータＳは発光層２１および障壁層２２をそれぞれ複数含んでおり、互いに隣接する発光層２１および障壁層２２の組すべてについて比率ｂ／ａが６以上であると好適であるが、そうでなくともよい。たとえば、いずれかの発光層２１の厚さａと、いずれかの障壁層２２の厚さｂとについて、ｂ／ａ≧６となっていれば、その部分については上記の効果を得ることができる。

【0065】

高発光強度および高速応答の両立を実現するシンチレータによれば、高速なスキャンに対応することが可能となり、高速走査によっても十分なＳ／Ｎを獲得できる荷電粒子線装置の提供が可能となる。

【0066】

また、発光層２１の層数と、量子井戸構造３の全体厚との関係において、下記のような効果がある。図１１に、本実施例における、量子井戸構造３の全体厚に対する発光強度の変化を示す。

【0067】

この図は、荷電粒子線として、１０ｋＶで加速された電子線を照射した場合の例である。量子井戸構造３の全体厚が、２００ｎｍ～６００ｎｍで発光強度が最大となることがわかる。さらに、この層厚と発光強度の関係として、１０ｋＶで加速された電子線を用いる場合には、発光層２１の層数を、５層～３０層の範囲内で変化させても、ほぼ同様の特性となることがわかった。これは、発光強度の変化には量子井戸構造３の全体厚による効果が大きく、発光層２１の層数がある程度変化しても影響は小さいということを示している。

【0068】

また、量子井戸構造３の全体厚と発光強度の関係は、照射する荷電粒子線の加速電圧に依存して変化することがわかった。荷電粒子線が照射された物質内に侵入する距離は、加速電圧によって変化する。前記した１０ｋＶで加速された電子線の侵入距離は、本実施例ではおよそ１μｍ程度である。このことから、発光強度はどの深さまでの電子線により発光が生じるかが重要な要素となっており、発光が生じる量子井戸構造３の厚さは、電子線の侵入距離の５分の１以上、５分の３以下の範囲内とすればよいということがわかる。

【0069】

また、発光層２１の層数が少ないほうが、構成する結晶の乱れが少なくなり、不要な発光の要因となる結晶欠陥が減少するので、その点では発光特性に有利である。ここで、量子井戸構造３の厚さが荷電粒子線の侵入距離の２分の１以上となる範囲であれば、発光層２１の層数にはある程度の自由度があるが、発光層２１の層数をある範囲内で少なくしたほうが、発光特性がよいことが示されている。本発明者らの検討により、発光層２１の層数を５～３０の範囲内とすると良好な発光特性が得られるということがわかった。

【0070】

本発明者らの研究により、シンチレータＳにおいて、量子井戸構造３の最上層およびその上部の厚さを適切に設計することにより、特性が安定することがわかった。たとえば、導電層２から、量子井戸構造３において最も入射側に設けられた発光層２１まで（酸素含有層２３を含み、場合によっては障壁層２２を含む）を含む部分の厚さの合計を２００ｎｍ以上とすると、特性が安定する。１００ｎｍ以下では特性の変動があり、１００ｎｍ以上で変動が減少する。２００ｎｍ以上で特性が使用可能なレベルとなる。

【0071】

以上説明したように、実施例１に係るシンチレータＳによれば、発光強度を向上させることができる。

【0072】

実施例１のシンチレータＳは質量分析装置に備えられ、質量分離されたイオンを検出する検出器として用いられる。変形例として、シンチレータＳは他の計測装置に用いることも可能である。

【0073】

図１２は、このような変形例に係る電子顕微鏡４０の基本構成を示す図である。電子源４１から放出された一次電子線４２が試料４３に照射され、二次電子または反射電子等の二次粒子４４が放出される。この二次粒子４４を引き込み、シンチレータＳに入射させる。シンチレータＳは、電子顕微鏡４０において、評価対象（たとえば試料４３）から放出された電子線を検出する検出器として用いられる。

【0074】

シンチレータＳに二次粒子４４が入射すると、シンチレータＳで発光が起こる。シンチレータＳの発光は、ライトガイド４５により導光され、受光素子４６により電気信号に変換される。シンチレータＳ、ライトガイド４５、受光素子４６を合わせて検出系と呼ぶ。

【0075】

受光素子４６で得られた信号は、電子線の照射位置と対応付けて画像に変換され、表示される。電子顕微鏡４０は、一次電子線４２を試料４３に集束して照射するための電子光学系（すなわち偏向器、レンズ、絞り、対物レンズ等）を備えるが、これについては図示を省略している。

【0076】

電子光学系は電子光学鏡筒４７内に設置されている。また、試料４３は試料ステージに載置されることで移動可能な状態となっており、試料４３と試料ステージは試料室４８内に配置される。試料室４８は、一般的には電子線照射の時には真空状態に保たれている。

【0077】

また、とくに図示しないが、電子顕微鏡４０は、全体および各部品の動作を制御する制御部、画像を表示する表示部、ユーザが電子顕微鏡の動作指示を入力するための入力部、等が接続されている。

【0078】

この電子顕微鏡４０は、電子顕微鏡の構成の一つの例であり、シンチレータと、ライトガイドと、受光素子とを備えた電子顕微鏡であれば、他の構成とすることもできる。また、二次粒子４４には、透過電子、走査透過電子等も含まれる。また、簡単のため、検出器（シンチレータＳ）は１つのみ示しているが、反射電子を検出するための検出器と、二次電子を検出するための検出器とを別々に設けてもよい。さらに、方位角または仰角を弁別して検出するために、複数の検出器を備えていてもよい。

【0079】

実施例１の別の変形例として、別の荷電粒子線装置を構成してもよい。このような荷電粒子線装置では、シンチレータＳは、荷電粒子源から放出された荷電粒子線の照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器として用いられる。

【符号の説明】

【0080】

１…発光部
２…導電層
３…量子井戸構造
４…ＧａＮ層
５…界面
６…サファイア基板
２１…発光層
２２…障壁層
２３…酸素含有層
２４…穴
３０…質量分析装置
３１…イオン源
３２…質量分離部
３３…コンバージョンダイノード
３４…増幅器
３５…信号出力器
４０…電子顕微鏡
４１…電子源
４２…一次電子線
４３…試料
４４…二次粒子
４５…ライトガイド
４６…受光素子
４７…電子光学鏡筒
４８…試料室
Ｓ…シンチレータ
ａ，ｂ，ｃ…厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】