特許 7557589 発光体、荷電粒子検出器、電子顕微鏡及び質量分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】発光体、荷電粒子検出器、電子顕微鏡及び質量分析装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/244 20060101AFI20240919BHJP

   H01J 43/04 20060101ALI20240919BHJP

   H01J 49/02 20060101ALI20240919BHJP

   C09K 11/62 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

H01J37/244

H01J43/04

H01J49/02 500

C09K11/62

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023148567

(22)【出願日】2023-09-13

【審査請求日】2024-08-21

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100156395

【弁理士】

【氏名又は名称】荒井 寿王

(72)【発明者】

【氏名】山内 邦義

(72)【発明者】

【氏名】前田 純也

(72)【発明者】

【氏名】高木 豊

(72)【発明者】

【氏名】中村 友洋

(72)【発明者】

【氏名】中村 隆之

【審査官】佐藤 海

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１１４３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２９８６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－０１８３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１０３６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５７７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５３７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５１３３５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ４３／０４

Ｈ０１Ｊ ４９／０２

Ｃ０９Ｋ １１／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射した荷電粒子を光に変換する発光体であって、
前記荷電粒子の入射により前記光を発する多重量子井戸構造を備え、
前記多重量子井戸構造を構成する井戸層の厚みは、０．２ｎｍ以上で且つ１．５ｎｍ未満であり、
前記多重量子井戸構造を構成する障壁層及び前記井戸層に添加されている添加物の濃度は、４×１０^１８ｃｍ^－３よりも大きく且つ１×１０^２０ｃｍ^－３以下である、発光体。

【請求項2】

前記井戸層の厚みは、０．６ｎｍ以上で且つ１．０ｎｍ未満である、請求項１に記載の発光体。

【請求項3】

前記多重量子井戸構造は、前記障壁層として第１障壁層及び第２障壁層を含んで構成され、
前記第２障壁層は、前記第１障壁層に対して前記多重量子井戸構造の荷電粒子入射面側に位置し、
前記第１障壁層は、前記第２障壁層よりも厚い、請求項１又は２に記載の発光体。

【請求項4】

前記井戸層及び前記障壁層は、窒化物半導体層であり、
前記添加物は、シリコンを含む、請求項１又は２に記載の発光体。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の発光体と、
前記多重量子井戸構造における荷電粒子入射面とは反対側の面に対して光学的に結合され、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、を備える、荷電粒子検出器。

【請求項6】

請求項１又は２に記載の発光体と、
前記多重量子井戸構造における荷電粒子入射面とは反対側の面に対して光学的に結合され、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配置されるチャンバと、を備え、
前記チャンバ内に配置された試料の表面上に電子線を照射し、前記試料からの電子を前記発光体に導き、前記試料における前記電子線の照射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取得する、電子顕微鏡。

【請求項7】

請求項１又は２に記載の発光体と、
前記多重量子井戸構造における荷電粒子入射面とは反対側の面に対して光学的に結合され、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配置されるチャンバと、
前記チャンバ内の試料から発生したイオンをその質量に応じて空間的又は時間的に分離する分離部と、
前記分離部で分離されたイオンが照射される電子変換部と、を備え、
前記電子変換部へのイオンの入射に応じて前記電子変換部から放出される電子を前記発光体に導き、前記光検出器の出力から前記試料の質量分析を行う、質量分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一態様は、発光体、荷電粒子検出器、電子顕微鏡及び質量分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、入射する電子を光に変換する発光体が記載されている。特許文献１に記載された発光体は、基板と、基板の一方の面に形成され量子井戸構造を有する窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に積層され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の大きな材料で構成されたキャップ層と、キャップ層上に形成されたメタルバック層と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第４３６５２５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した発光体においては、例えばより短い時間内に発生する事象を捉えるため、高速応答性をより高めることが望まれる場合がある。そこで、本発明の一態様は、高速応答性をより高めることが可能な発光体、荷電粒子検出器、電子顕微鏡及び質量分析装置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】

【0005】

本発明者らは鋭意検討を重ね、発光体において井戸層の厚みと残光時間とには相関があることを見出した。また、発光体において添加物の濃度と残光時間とには相関があり、添加物の濃度が大きいほど残光時間が低減するという関係があることを見出した。一方、添加物の濃度が一定以上になると、例えば結晶性が悪くなるために、発光強度が大きく低下してしまい、実用上困難となることを見出した。そこで、本発明者らは鋭意検討を更に重ね、井戸層の厚み、並びに、障壁層及び井戸層の添加物の濃度を最適化できれば、発光強度を維持したまま残光時間を低下させることができ、高速応答性をより高めることが可能となることに想到し、本発明を成すに至った。

【0006】

（１）すなわち、本発明の一態様に係る発光体は、入射した荷電粒子を光に変換する発光体であって、荷電粒子の入射により光を発する多重量子井戸構造を備え、多重量子井戸構造を構成する井戸層の厚みは、０．２ｎｍ以上で且つ１．５ｎｍ未満であり、多重量子井戸構造を構成する障壁層及び井戸層に添加されている添加物の濃度は、４×１０^１８ｃｍ^－３よりも大きく且つ１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。

【0007】

この発光体では、井戸層の厚みが０．２ｎｍ以上で且つ１．５ｎｍ未満であると共に、障壁層及び井戸層の添加物の濃度が４×１０^１８ｃｍ^－３よりも大きく且つ１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。この場合、井戸層の厚み、並びに、障壁層及び井戸層の添加物の濃度を上述した知見に基づき最適化することができ、発光強度を維持したまま残光時間を低下させることが可能となる。したがって、応答時間をより短縮化することができ、高速応答性をより高めることが可能となる。

【0008】

（２）上記（１）に記載された発光体では、井戸層の厚みは、０．６ｎｍ以上で且つ１．０ｎｍ未満であってもよい。この場合、残光時間を一層低下させることが可能となる。

【0009】

（３）上記（１）又は（２）に記載された発光体では、多重量子井戸構造は、障壁層として第１障壁層及び第２障壁層を含んで構成され、第２障壁層は、第１障壁層に対して多重量子井戸構造の荷電粒子入射面側に位置し、第１障壁層は、第２障壁層よりも厚くてもよい。このように荷電粒子入射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、発光強度を高めることが可能となる。

【0010】

（４）上記（１）～（３）の何れか一項に記載された発光体では、井戸層及び障壁層は、窒化物半導体層であり、添加物は、シリコンを含んでいてもよい。この場合、井戸層及び障壁層を窒化物半導体層とし、その添加物としてシリコンを利用することが可能となる。

【0011】

（５）本開示に係る荷電粒子検出器は、上記（１）～（４）の何れか一項に記載の発光体と、多重量子井戸構造における荷電粒子入射面とは反対側の面に対して光学的に結合され、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、を備える。この荷電粒子検出器においても、上述の発光体を備えることから同様に、高速応答性をより高めることが可能となる。

【0012】

（６）本開示に係る電子顕微鏡は、（１）～（４）の何れか一項に記載の発光体と、多重量子井戸構造における荷電粒子入射面とは反対側の面に対して光学的に結合され、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配置されるチャンバと、を備え、チャンバ内に配置された試料の表面上に電子線を照射し、試料からの電子を発光体に導き、試料における電子線の照射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取得する。この電子顕微鏡においても、上述の発光体を備えることから同様に、高速応答性をより高めることが可能となる。

【0013】

（７）本開示に係る質量分析装置は、（１）～（４）の何れか一項に記載の発光体と、多重量子井戸構造における荷電粒子入射面とは反対側の面に対して光学的に結合され、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配置されるチャンバと、チャンバ内の試料から発生したイオンをその質量に応じて空間的又は時間的に分離する分離部と、分離部で分離されたイオンが照射される電子変換部と、を備え、電子変換部へのイオンの入射に応じて電子変換部から放射される電子を発光体に導き、光検出器の出力から試料の質量分析を行う。この質量分析装置においても、上述の発光体を備えることから同様に、高速応答性をより高めることが可能となる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一態様によれば、高速応答性をより高めることが可能な発光体、荷電粒子検出器、電子顕微鏡及び質量分析装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、第１実施形態に係る発光体の構成を示す断面図である。

【図2】図２は、図１の多重量子井戸構造の内部構造を拡大して示す断面図である。

【図3】図３は、図１の発光体において井戸層の厚みを変化させたときのＤｅｃａｙを示すグラフである。

【図4】図４は、図１の発光体において添加物の濃度を変化させたときのＤｅｃａｙを示すグラフである。

【図5】図５は、図１の発光体において井戸層の厚みを変化させたときの発光強度を示すグラフである。

【図6】図６は、図１の発光体において添加物の濃度を変化させたときの発光強度を示すグラフである。

【図7】図７は、図１の発光体におけるＤｅｃａｙと発光強度との関係を示すグラフである。

【図8】図８は、第２実施形態に係る電子線検出器の構成を示す断面図である。

【図9】図９は、第３実施形態に係る測長ＳＥＭの構成を概略的に示す図である。

【図10】図１０は、第４実施形態に係る質量分析装置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】

【0016】

以下、実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0017】

［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、入射した荷電粒子、本実施形態においては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、電子入射面（荷電粒子入射面）１０ａを構成する。

【0018】

基板１２は、窒化物半導体層１４から出射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から出射される光を透過し、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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

多重量子井戸構造１４Ｃは、電子の入射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。

【0023】

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た発光層である。井戸層１４１は、例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）の結晶を主に含む窒化物半導体層である。一例では、井戸層１４１は、ＳｉがドープされたＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）の結晶から成る。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０．１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。

【0024】

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。障壁層１４２は、ＧａＮの結晶を主に含む窒化物半導体層である。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。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。

【0025】

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に対して電子入射面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、電子入射面１０ａから離れるほど厚くなり、電子入射面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、電子入射面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（すなわち電子入射面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。

【0026】

本実施形態の多重量子井戸構造１４Ｃ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、電子入射面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、電子入射面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。

【0027】

本実施形態では、複数の障壁層１４２の全てにおいて電子入射面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のうちの大半がこの条件を満たしていれば、一部の障壁層１４２がこの条件を満たしていなくても、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（以下、「第１障壁層」ともいう）が、該障壁層１４２に対して電子入射面１０ａ側に位置する別の障壁層１４２（以下、「第２障壁層」ともいう）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。

【0028】

本実施形態では、互いに隣り合う障壁層１４２同士の厚さの差は、電子入射面１０ａから離れるほど小さくなっている。なお、例えば多数の障壁層１４２のうちの大半がこの条件を満たしていれば、一部の障壁層１４２がこの条件を満たしていなくても、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、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に対して電子入射面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。

【0029】

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、一実施例ではアルミニウム（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の外部へ出射されるが、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の外部へ出射される。

【0030】

発光体１０の作製方法に関する一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、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造１４Ｃを形成する。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。

【0031】

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。

【0032】

本実施形態において、井戸層１４１の厚みは、０．２ｎｍ以上で且つ１．５ｎｍ未満である。好ましいとして、井戸層１４１の厚みは、０．６ｎｍ以上で且つ１．０ｎｍ未満である。障壁層１４２及び井戸層１４１に添加されている添加物（以下、単に「添加物」ともいう）は、シリコンを含む。添加物の濃度は、４×１０^１８ｃｍ^－３よりも大きく且つ１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。添加物はドーパントとも称され、添加物の濃度はＳｉドープ濃度とも称される。

【0033】

図３は、発光体１０において井戸層１４１の厚みを変化させたときのＤｅｃａｙを示すグラフである。Ｄｅｃａｙは、残光時間であり、ピーク強度の９０％から１０％に落ちる時間で定義される。グラフにおいて、データの丸印は実測値を示し、データの線分は実測値を元に求められた値を示す（以下のグラフで同様）。実施例１は、添加物の濃度が４×１０^１８ｃｍ^－３の場合の例である。実施例２は、添加物の濃度が１．５×１０^１９ｃｍ^－３の場合の例である。閾値αは、一般的な発光体のＤｅｃａｙを元に設定された値であって、ここでは３．５ｎｓである。閾値αは、特に限定されない。

【0034】

図３に示されるように、Ｄｅｃａｙは、井戸層１４１の厚みの変化に伴って二次関数状に変化することがわかる。図示する例では、Ｄｅｃａｙの二次関数は、井戸層１４１の厚みが０．２ｎｍから１．５ｎｍの間（ここでは０．８ｎｍ付近）にボトムを有する。Ｄｅｃａｙと井戸層１４１の厚みとの関係は、添加物の濃度を変えても、同様な傾向を現すことが推定される。発光体１０では、井戸層１４１の厚みが０．２ｎｍよりも薄いと、製造上又は実用上等の観点から現実的ではない。

【0035】

図４は、発光体１０において添加物の濃度を変化させたときのＤｅｃａｙを示すグラフである。実施例３は、井戸層１４１の厚みが０．８ｎｍの場合の例である。実施例４は、井戸層１４１の厚みが１．５ｎｍの場合の例である。図４に示されるように、添加物の濃度が大きいほど、Ｄｅｃａｙが低下することがわかる。Ｄｅｃａｙの変化量は、添加物の濃度が大きいほど小さいことがわかる。Ｄｅｃａｙと添加物の濃度との関係は、井戸層１４１の厚みを変えても、同様な傾向を現すことが推定される。添加物の濃度が４×１０^１８ｃｍ^－３よりも小さいと、井戸層１４１の厚みが１．５ｎｍの場合に、Ｄｅｃａｙが大きくなって閾値αを超える可能性が高まることがわかる。

【0036】

図５は、発光体１０において井戸層１４１の厚みを変化させたときの発光強度（任意単位（ａ．ｕ．））を示すグラフである。実施例５は、添加物の濃度が４×１０^１８ｃｍ^－３の場合の例である。実施例６は、添加物の濃度が１．５×１０^１９ｃｍ^－３の場合の例である。実施例７は、添加物の濃度が１×１０^２０ｃｍ^－３の場合の例である。閾値βは、一般的な発光体の発光強度を元に設定された値であって、ここでは５０００である。閾値βは、特に限定されない。

【0037】

図５に示されるように、井戸層１４１の厚みが大きいほど、発光強度が高まることが分かる。添加物の濃度を変えても、発光強度は同様な傾向を現すことが推定される。井戸層１４１の厚みが０．２ｎｍよりも小さいと、例えば添加物の濃度が１×１０^２０ｃｍ^－３の場合、発光強度が小さくなって閾値βを下回る可能性が高まることがわかる。

【0038】

図６は、発光体１０において添加物の濃度を変化させたときの発光強度（任意単位（ａ．ｕ．））を示すグラフである。実施例８は、井戸層１４１の厚みが０．８ｎｍの場合の例である。実施例９は、井戸層１４１の厚みが０．２ｎｍの場合の例である。図６に示されるように、添加物の濃度が大きいほど、発光強度が低下する。発光強度の変化量は、添加物の濃度が大きいほど小さい。井戸層１４１の厚みを変えても、発光強度は同様な傾向を現すことが推定される。添加物の濃度が１×１０^２０ｃｍ^－３よりも大きいと、例えば井戸層１４１の厚みが０．２ｎｍの場合、発光強度が小さくなって閾値βを下回る可能性が高まることがわかる。

【0039】

以上、発光体１０では、井戸層１４１の厚みが０．２ｎｍ以上で且つ１．５ｎｍ未満であると共に、障壁層１４２及び井戸層１４１の添加物の濃度が４×１０^１８ｃｍ^－３よりも大きく且つ１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。この場合、井戸層１４１の厚み、並びに、障壁層１４２及び井戸層１４１の添加物の濃度を最適化することができ、発光強度を維持したままＤｅｃａｙを低下させることが可能となる。したがって、応答時間をより短縮化することができ、高速応答性をより高めることが可能となる。

【0040】

発光体１０では、井戸層１４１の厚みは、０．６ｎｍ以上で且つ１．０ｎｍ未満である。この場合、Ｄｅｃａｙを一層低下させることが可能となる。

【0041】

発光体１０では、多重量子井戸構造１４Ｃは、障壁層１４２として第１障壁層及び第２障壁層を含んで構成されている。第２障壁層は、第１障壁層に対して電子入射面１０ａ側に位置し、第１障壁層は、第２障壁層よりも厚い。電子入射面１０ａから比較的浅い位置にある第２障壁層は比較的薄いので、第２障壁層を挟んで電子入射面１０ａとは反対側に位置する井戸層１４１は、電子入射面１０ａのより近くに配置されることとなる。したがって、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障壁層は比較的厚いので、第１障壁層を挟んで電子入射面１０ａとは反対側に位置する井戸層１４１は、電子入射面１０ａから遠くに配置されることとなる。したがって、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、電子線は発光体１０内部において半球状に広がるので、電子入射面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、このように電子入射面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、発光強度を高めることが可能となる。

【0042】

発光体１０では、井戸層１４１及び障壁層１４２は、窒化物半導体層であり、添加物は、シリコンを含む。この場合、井戸層１４１及び障壁層１４２を窒化物半導体層とし、その添加物としてシリコンを利用することが可能となる。

【0043】

なお、発光体１０において、第２障壁層は、複数の障壁層１４２のうち電子入射面１０ａに最も近い。また、その場合、第２障壁層は、複数の障壁層１４２の中で最も薄い。これにより、電子入射面１０ａから最も近い井戸層の位置が電子入射面１０ａに対してより近くなり、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。

【0044】

発光体１０において、複数の障壁層１４２は、電子入射面１０ａから離れるほど厚い。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。発光体において、複数の井戸層１４１の組成は互いに同一であり、この場合、多重量子井戸構造の作製が容易になる。

【0045】

図７は、発光体１０におけるＤｅｃａｙと発光強度との関係を示すグラフである。図中では、井戸層１４１の厚み及び添加物の濃度を変化させたときの各データを示す。図７に示されるように、発光体１０においては、Ｄｅｃａｙが大きいほど発光強度が高まる関係があることを確認できる。

【0046】

本実施形態では、入射した電子を光に変換したが、これに限定されない。本実施形態は、入射した荷電粒子を光に変換する発光体であればよい。上記実施形態において、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。光透過性を有するとは、例えば、対象となる光を５０％以上透過する性質をいう。

【0047】

［第２実施形態］
図８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。図８に示されるように、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２２と、光検出器３０とを備える。光学部材２２は、光透過部材（光ガイド部材）の例である。光学部材２２は、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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

このような構造を有する電子線検出器２０において、電子の入射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。

【0052】

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における電子入射面１０ａとは反対側の面と光学的に結合されている。つまり、光検出器３０は、多重量子井戸構造１４Ｃにおける電子入射面１０ａ（図１参照）とは反対側の面に対して、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。

【0053】

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。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。

【0054】

以上、電子線検出器２０においても、発光体１０を備えることから同様に、高速応答性をより高めることが可能となる。なお、本実施形態は、電子が入射される電子線検出器２０であるが、これ限定されず、荷電粒子が入射される荷電粒子検出器であればよい。

【0055】

［第３実施形態］
第２実施形態の電子線検出器２０（図８参照）は、電子顕微鏡、例えば走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）に用いることができる。図９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。

【0056】

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から発生した電子（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。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。

【0057】

測長ＳＥＭ４０は、内部空間が真空（減圧）雰囲気とされた真空チャンバ（チャンバ）５０を備える。真空チャンバ５０の内部には、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、及び偏向器が配置される。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。

【0058】

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の像を取得することができる。

【0059】

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。

【0060】

以上、測長ＳＥＭ４０においても、発光体１０を備えることから同様に、高速応答性をより高めることが可能となる。

【0061】

［第４実施形態］
第２実施形態の電子線検出器２０（図８参照）は、質量分析装置に用いることができる。図１０は、第４実施形態に係る質量分析装置６０の構成を概略的に示す図である。図１０に示されるように、質量分析装置６０は、第２実施形態と同様な構成の電子線検出器２０（図８参照）と、電子線検出器２０の少なくとも発光体１０（図）を真空（減圧）雰囲気とされた内部空間に配置する真空チャンバ（チャンバ）６１と、真空チャンバ６１内の試料から発生したイオンをその質量に応じて空間的又は時間的に分離する分離部ＡＺと、分離部ＡＺで分離されたイオンが照射される電子変換部であるダイノードＤＹ１，ＤＹ２と、を備える。

【0062】

質量分析装置６０では、ダイノードＤＹ１，ＤＹ２へのイオンの入射に応じてダイノードＤＹ１，ＤＹ２から放射される電子を発光体１０に導き、電子線検出器２０の出力から試料の質量分析を行う。具体的には、質量分析装置６０では、分離部ＡＺ内に位置する正イオンは、アパーチャ－ＡＰに適当な電位を与えると共に、アパーチャ－ＡＰに対して分離部ＡＺとは逆側に位置するダイノードＤＹ１に負電位を与えると、アパーチャ－ＡＰを通過してダイノードＤＹ１に衝突し、衝突に伴ってダイノードＤＹ１の表面からは電子が放出され、これが電子線ｅ３として電子線検出器２０へと導かれる。ダイノードＤＹ２には正の電位が与えられており、分離部ＡＺから負イオンを引き出す場合には、この負イオンはダイノードＤＹ２に衝突し、衝突に伴ってダイノードＤＹ２の表面からは電子が放出され、これが電子線ｅ３として電子線検出器２０へと導かれる。電子線ｅ３の入射に応じて、電子線検出器２０から電気信号が出力される。

【0063】

例えば分離部ＡＺが飛行管であるとすると、イオンは質量に応じて飛行管内部の通過時間が異なるため、結果的にはダイノードＤＹ１，ＤＹ２への到達時間が異なる。また例えば分離部ＡＺが、磁界によって各イオンの飛行軌道を質量に応じて変えるものであるとすると、分離部ＡＺの磁束密度を可変することにより、アパーチャーＡＰを通過するイオンが質量毎に異なる。したがって、電子線検出器２０から出力される電気信号の時間変化をモニタすることで、各イオンの質量が判明する。

【0064】

以上、質量分析装置６０においても、発光体１０を備えることから同様に、高速応答性をより高めることが可能となる。

【0065】

［変形例］
本発明の一態様は、上記実施形態に限られず、他に様々な変形が可能である。

【0066】

上記実施形態では、多重量子井戸構造１４Ｃを構成する井戸層１４１及び障壁層１４２の組成は、上述した例に限定されない。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。

【0067】

上記実施形態では、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）をドープしてもよい。上記実施形態では、多重量子井戸構造１４Ｃの井戸層１４１及び障壁層１４２は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-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。

【0068】

上記実施形態では、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ればよい。上記実施形態では、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。

【0069】

上記実施形態において、多重量子井戸構造１４Ｃは、基板１２側の第１障壁層が電子入射面１０ａ側の第２障壁層よりも厚い構造（いわゆる傾斜型の構造）であるが、これに特に限定されず、複数の障壁層１４２の厚さは、互いに同じでもよいし異なっていてもよい。

【0070】

上記における各数値は、測定上、製造上及び設計上等の誤差を含み得る。上記の「４×１０^１８ｃｍ^－３」は、丁度４×１０^１８ｃｍ^－３だけでなく、略４×１０^１８ｃｍ^－３を含む。上記の「１×１０^２０ｃｍ^－３」は、丁度１×１０^２０ｃｍ^－３だけでなく、略１×１０^２０ｃｍ^－３を含む。上記の「０．６ｎｍ」は、丁度０．６ｎｍだけでなく、略０．６ｎｍを含む。上記の「１．０ｎｍ」は、丁度１．０ｎｍだけでなく、略１．０ｎｍを含む。上記における「測定」、「製造」及び「設計」は、例えばＪＩＳ等の公知の標準及び規格に準拠して実施できる。上記における「等しい」及び「同じ」は、完全に等しい及び完全に同じ場合だけでなく、略等しい及び略同じ場合も含む。

【符号の説明】

【0071】

１０…発光体、１０ａ…電子入射面（荷電粒子入射面）、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、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、５０，６１…真空チャンバ（チャンバ）、１４１…井戸層、１４２，１４３…障壁層、ＡＺ…分離部、ＤＹ１，ＤＹ２…ダイノード（電子変換部）。

【要約】

【課題】高速応答性をより高める。
【解決手段】発光体１０は、入射した電子を光に変換する。発光体１０は、電子の入射により光を発する多重量子井戸構造１４Ｃを備える。多重量子井戸構造１４Ｃを構成する井戸層１４１の厚みは、０．２ｎｍ以上で且つ１．５ｎｍ未満である。多重量子井戸構造１４Ｃを構成する障壁層１４２及び井戸層１４１に添加されている添加物の濃度は、４×１０^１８ｃｍ^－３よりも大きく且つ１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】