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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

従来のCL測定装置は、SEMに集光用の放物面鏡などの分光測定オプションを取り付けたものでした。今回弊社ではCL測定専用装置を導入しました。CL測定に最適化された電子光学系と集光光学系を持っているため、従来装置よりも桁違いに集光効率が高くなっています。他に類を見ない明るい光学系であり、ハイパースペクトルマッピング(後述)を高速に行うことにより、試料からの情報を余すことなく収集することができます。液体ヘリウム温度で試料冷却した状態でのマッピング測定も可能です。

▪︎ 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。

▪︎ 図3 GaN基板のCL測定例
図3 GaN基板のCL測定例
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