深紫外波長におけるカソードルミネッセンス測定

使用したGatan装置と特長

Monarc^® Proシステムは、UVグレードの光学系と検出器を搭載し、185 nmまでの光を測定可能です。

背景

科学的および商業的に興味深い多くの材料は、電子ビームで励起されると紫外（UV）波長で発光する。例えば、パワーエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、光検出器などに使用される超ワイドバンドギャップ半導体などが挙げられる。カソードルミネッセンス（CL）は、このような材料にとって強力な手法であり、ナノスケールでの欠陥、ひずみ、組成変化の研究に利用できる。しかし、紫外光子の検出は困難であり、特殊な光学系と検出器を必要とする。その結果、多くの標準的なCLシステムでは、波長<300 nmの光子を効率的に測定することができない。（図 1 参照）ここでは、Monarc Pro システムが UV 領域で作業するのに最適である理由について説明する。
 

CLシステムは、試料から放出された光を収集し、分析ハードウェアに伝達するために光学部品を使用する。透過型光学部品（ファイバー、真空窓、レンズなど）は、適切なUVグレードの高品質光学部品を使用することで、吸収率を低くすることが必須である。しかし、透過型光学部品は屈折率の大きな変化よって色収差が生じ、光分光計に入る光量が減少するため、すべての波長で光学スループットを最適化することはできない。これを克服するために、一部のシステムでは、ユーザーが UV 波長と可視波長の間で転送光学系を交換し、光学系を再調整する必要がある。 

しかし、Monarc Pro システムは、分光分析用に色収差のない反射光学系を使用し、深紫外線から赤外線波長まで高い光学スループットを維持する。分光分析では、電荷結合素子（CCD）はスペクトルを高速に測定することができる。しかし、従来の（前面照射型）CCDは、光がセンサーの活性領域に到達する前に吸収されるため、紫外波長での応答性が低い。裏面入射型CCDは、可視波長では96％以上の効率を示すが、波長
300 nm未満では、（薄い）活性領域内での紫外光の吸収が少ないため、応答性が悪く、ほぼゼロに近くなる。Monarc Proは、裏面照射型デバイスを使用することで可視波長の効率を最大化すると共に、300 nm以下の波長で30%以上の量子効率を提供するUV強化コーティングを使用することで、短波長の欠点を克服している。

光電子増倍管（PMT）もCL用検出器として使用でき、高解像度のCL像を短時間で得ることができる。これらの検出器は、採用する真空窓や光電面材料によって制限を受けることがある。SEMのチャンバーは高真空下で動作させる必要があるため、一般にCL測定では真空窓が問題となる。したがって、収集する光はすべて真空窓や光ファイバーを通過しなければならない。Monarc Proシステムでは、真空窓は150～2,500 nmで優れた透過率を提供するCaFから作製され、選択されたPMTは185 nmを超える波長域で高い検出効率を提供する。