SEM-CL (カソードルミネッセンス)

超高感度・極低温カソードルミネッセンス法(CL法)のご紹介:新規分析受託サービス
超高感度・極低温カソードルミネッセンス法(CL法)の分析受託を開始しましたので紹介します。CL法は材料の発光性再結合の様子を電子顕微鏡レベルの空間分解能で評価可能な手法です。光学的特性や半導体・絶縁体の電気的物性と密接に関連した情報を得ることができます。この評価を通じて、材料の物理分析と材料の物性情報を橋渡しするような、新しい知見を提供できるようになるのではないかと期待しています。
「超高感度」と称していますが、弊社の装置はCL専用に開発された特殊な光学系を有しているためこのように表現しています。一般的に用いられている放物面鏡型の集光光学系を持つCL装置と比べて桁違いに集光効率が高く、データの質・表現力ともに従来の装置から大きく進歩していると考えています。是非webサイトのデータをご覧ください。
(なお、液体He冷却測定がルーチンで可能ですので「極低温」とも称しています。)

カソードルミネッセンス法(CL法)は、電子顕微鏡中での電子線照射下で材料からの発生した紫外・可視・赤外領域の発光を捉える分析法です。照射電子線のエネルギーで固体価電子帯中の電子が導電帯に励起されることにより、電子・ホールのキャリアが生成します。これらのキャリア(の一部)は発光を伴い再結合します。その発光を捉えるのがCL法です。発光性の再結合には①バンド間再結合、②トラップ準位とバンド間の再結合、③準位間の再結合などの経路が存在します。CLの強度はトラップの密度についての情報を含み、CLの発光波長はトラップ準位の種類についての情報を含むと考えることができます

図1 カソードルミネッセンス法の原理

図1 カソードルミネッセンス法の原理

図2 弊社の新型CL装置構成図(CL測定専用に設計された装置)

図2 弊社の新型CL装置構成図(CL測定専用に設計された装置)

ハイパースペクトルマッピングとは、測定点1点ごとにCLスペクトルデータを取得しながらマッピングを行う測定です。特徴的な分布を持つ波長をマッピングデータから抽出する、発光波長の微妙な変化の分布から組成揺らぎを検出する、発光スペクトルの半値幅変化をマッピングすることにより結晶歪やドーパント濃度の分布を可視化するといった、多様な解析を測定終了後のデータ処理の中で行うことができます。従来型装置でハイパースペクトルマッピング測定を行うと1視野の測定で1時間以上の長時間測定が必要でしたが、新型装置では集光効率が高く分単位での高速測定が可能です。これにより、試料をサーベイしながら特徴点を漏らさずに捕捉することができます。
下図はハイパースペクトルマッピングの例です。測定後のデータ処理で、バンド端発光の分布(青)を作成し、これから貫通転位(TD)の分布がわかます。その他特徴的な発光波長の分布(緑、赤)から複数種の基底面積層欠陥(BSF)の分布がわかります。

GaN-HEMT構造欠陥部の断面CLマッピング

図3はSi基板上に形成されたGaN-HEMTデバイス用基板構造の試料について断面からCL測定を行った事例です。測定断面の少し奥には貫通転位があり、SEM像では転位に伴う構造欠陥の一部がC-GaN中のAlN層のピット状形状として観察されています。3.44eV(367nm)近傍のCL像において、欠陥近傍は周囲のC-GaN層と発光強度が異なっており、半導体としての物性が変わっていることを示しています。

図3 GaN-HEMT構造欠陥部の断面CLマッピング

図1 GaN-HEMT構造欠陥部の断面CLマッピング

図4は図3で認められた欠陥部を横切る線上についてCLスペクトルのデータを表示したデータです。弊社のCL装置ではすべての測定点についてスペクトルデータを持ったハイパースペクトル測定を行いますので、マッピングと対応したスペクトルの解析が容易です。C-GaN層の正常部ではバンド端に近い発光がなく、またC不純物に由来すると言われる550nmの発光が認められます。欠陥部近傍は367nmのバンド端に近い発光が強く550nmの発光は認められません。つまり、欠陥近傍はC不純物の濃度が低い状態になっていることが分かります。

図4 GaN-HEMT構造欠陥部の断面CLスペクトル

図5 GaN基板のCL測定例

図3 GaN基板のCL測定例

今、進化しているCL測定

CLの名前にはちょっと不思議なところがあります。弊社で提供している多くの分析手法ではSIMS、TEM、GD-MS、XPS、EBSDといった略語と対応して、「二次イオン質量分析法」などの日本語の正式名称があります。しかし、CLは「カソードルミネッセンス法」と呼ばれ日本語名称が無いのです。古くからある手法なのになぜでしょうか。これは、CLは分析手法としては知っているけれどもあまり身近なものでなかった為かもしれません。最近、装置の進歩によりCLで得られるデータが変わってきています。そんな古くて新しい手法の現状について紹介したいと思います。
CL(カソードルミネッセンス法)を日本語訳すると、「冷陰極発光法」でしょうか。この名前はCRT(冷陰極管)を連想させます。実際、CLについて文献を調べると、CRTの技術に関する古い文献がかなり混ざります。発光デバイスを目的としているか分析を目的としているかで違いますが共通性の高い技術です。名称上の混乱があるにも関わらず整理されて来なかったのは、CLがマイナーな手法だったからでしょう。分析手法的に命名すると、「電子線誘起発光(分光)法」でしょうか。略語でEBIL, EBIE, EBIES, EBIS・・・、邪悪そうなものから御目出度そうなものまでいろいろあり得ますね。海外文献でも、CLを勝手な名称で呼んでいるものが散見されますので、混乱気味です。 古い分析手法であるCLですが、発光の起源を説明するためには、材料に関する事前の知識が必要で、このことがCLをマイナーにしていたのではないかと思います。

従来のCLの使われ方

従来のCLの使われ方

しかし、最近は①ハイパースペクトル測定でスペクトルの分布状態が表現できるようになった、②高感度で電子線照射量を減らした低ダメージ測定ができるようにり測定対象が広がってきた、③試料冷却ステージが実用的に使えるようになってきた、といった測定技術・装置の進歩が著しく、これが、今後のCLの使われ方を変えていくと考えています。目的を絞った分析しかできなかったものが、特性の分布をハイパースペクトル測定することによい未知の試料に関して有効性になってきています。

今後のCLの使われ方

ハイパースペクトル測定の有効性を下のデータから説明してみます。データは基板上のAlGaN積層構造の発光を断面から測定したものです。上の図は、各測定点のスペクトルのピークの波長で色分けて表現した図、下の図はピークの半値幅の分布を表現した図です。ピーク波長はAlの組成によって決まります。80%Alの層や60%Alの層では上の図で均一な色に見えていることから、組成が均一であることが分かります。20%Alの層は色味が微妙にばらついています。これはAlの組成比が揺らいでいることを示しています。ピークの半値幅は結晶の歪によって変化しますので、下の図から、Al組成比の揺らぎに起因して歪んだ状態が分布していることが分かります。未知材料であっても、ピーク波長の揺らぎや歪についての類似した評価は十分可能です(もちろん発光すればですが)。

今後のCLの使われ方
従来のCL測定では、ある特定の波長の強度をマッピングするか、特定の点の発光スペクトルを収集することしかできませんでした。マッピングでは各波長の強度マップを個別に取得する必要がありました。このデータでは3回の測定が必要で、20%Alの揺らぎは強度ムラとしてしか見えません。スペクトル形状の分布を表現するなど、望むべくもありませんでしたので、組成の揺らぎや歪分布といった測定はできませんでした。そういった状況に比べるとハイパースペクトル測定によりCLの表現力が各段に進歩していることがご理解いただけるかと思います。
CLはよく知られた古い手法ですので、出来ることが限られているという先入観があります。しかしながら技術進歩により、現在分析法としてのブレークスルーが起きていると考えています。是非とも応用事例にご興味を持っていいただきたく思います。

GaN on Si基板のCL測定結果

GaN on Si基板のCL測定結果

発光ピーク波長からの組成評価

AlxGa1-xNの組成と温度およびバンドギャップの間には、
Eg(0)=Eg(T) + α(x)T2/(β(x)+T)
の関係があることが知られています[1]。
ピーク波長をEgとして上式から見積もったAl組成比を右表に示しました。この結果は、高分解能XRDで別途評価した組成比とよく一致しました。
また、同じ測定結果から各ピーク波長の強度マップを作成すると、下図のように各層を分離することができます。

発光ピーク波長からの組成評価

文献:[1]. Appl. Phys. Lett. ,vol. 87, no. 242104, pp. 1–3, 2005.
関連ページ

材料試験のための当社のサービスについてもっと知りたいですか?

材料試験のニーズについては、今すぐお問い合わせください:03-5396-0531 または、以下のフォームに記入して、EAGの専門家にご連絡ください。

To enable certain features and improve your experience with us, this site stores cookies on your computer. Please click Continue to provide your authorization and permanently remove this message.

To find out more, please see our privacy policy.