JP2022115300A - 発光素子、光検出モジュール、発光素子の製造方法、及び走査型電子顕微鏡 - Google Patents

発光素子、光検出モジュール、発光素子の製造方法、及び走査型電子顕微鏡 Download PDF

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Abstract

【課題】クロストークを低減でき、且つ用途を広げることが可能な発光素子、光検出モジュール、発光素子の製造方法、及びこれを用いた走査型電子顕微鏡を提供する。【解決手段】発光素子１は、蛍光に対する透明性を有するファイバオプティクプレート基板２と、量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる発光層３と、を備えている。この発光素子１では、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３とが直接接合されている。【選択図】図１

Description

本開示は、発光素子、光検出モジュール、発光素子の製造方法、及び走査型電子顕微鏡に関する。
従来の発光素子として、例えば特許文献１に記載の発光体がある。この従来の発光体は、入射する電子を蛍光に変換する発光体である。発光体は、蛍光に対して透明な基板と、基板の一方面に形成され、電子の入射によって蛍光を発生する量子井戸構造及びバッファ層を有する窒化物半導体層とを備えている。窒化物半導体層上には、当該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ーの大きい材料で構成されたキャップ層が設けられている。
特許第４３６５２５５号公報
従来の発光素子において、窒化物半導体層を結晶成長によって構成する場合、主にサファイア基板やＧａＮ基板が用いられている（例えば上記特許文献１参照）。これらの基板は、単結晶である。そのため、発光層からの光の一部が基板及びバッファ層に入射した後に大気や真空中に取り出されるまでの間に、当該光の一部が基板及びバッファ層を導波路として拡散し、拡散した成分がクロストークの要因となり得るという課題があった。
また、従来の発光素子では、多チャンネルの光検出器やイメージセンサとの組み合わせで多チャンネルの光検出モジュールやイメージングユニットを構築するにあたってレンズカップリングが必須となる。そのため、検出モジュールやイメージングユニットの小型化が難しく、用途の制限を受け易いという課題があった。また、レンズカップリングでは、発光層からの光を光検出モジュールやイメージングユニットに伝達する効率の改善が求められていた。
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、クロストークを低減でき、且つ用途を広げることが可能な発光素子、光検出モジュール、発光素子の製造方法、及びこれを用いた走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る発光素子は、蛍光に対する透明性を有するファイバオプティクプレート基板と、量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる発光層と、を備え、ファイバオプティクプレート基板と発光層とが直接接合されている。
この発光素子では、ファイバオプティクプレート基板と発光層とが直接接合されている。この発光素子では、サファイア基板上にバッファ層を介して発光層を設ける従来の構成とは異なり、発光素子に入射した光の一部がサファイア基板及びバッファ層を導波路として拡散することを回避できるため、クロストークの低減が図られる。サファイア基板に代えてファイバオプティクプレート基板を用いることで、発光層で発生した蛍光の収集効率が高められる。また、光検出モジュールを構築するにあたってレンズカップリングが必須となることを回避でき、用途を広げることが可能となる。
ファイバオプティクプレート基板と発光層とは、熱圧着によって接合されていてもよい。これにより、ファイバオプティクプレート基板と発光層とを接着剤を用いずに好適に直接接合することができる。
ファイバオプティクプレート基板と発光層とは、常温接合によって接合されていてもよい。これにより、ファイバオプティクプレート基板と発光層とを接着剤を用いずに好適に直接接合することができる。また、常温接合では、熱による歪みがファイバオプティクプレート基板に生じることも抑制される。
発光層の構成元素は、ファイバオプティクプレート基板内に拡散していてもよい。この場合、ファイバオプティクプレート基板内への発光層の構成元素の拡散によって、ファイバオプティクプレート基板と発光層との接合強度を十分に高めることができる。
発光層は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に積層された積層構造を有していてもよい。この場合、発光層において、発光層において効率良く蛍光を発生させることができる。また、積層構造がファイバオプティクプレート基板に直接接合されているため、発生した蛍光をファイバオプティクプレート基板側に効率良く取り出すことができる。
発光層において、ファイバオプティクプレート基板と発光層との接合面と反対側の面には、金属層が設けられていてもよい。これにより、発光層に電子等が入射する際の帯電を防止できる。また、金属層での光の反射により、発生した蛍光をファイバオプティクプレート基板側に効率良く取り出すことができる。
ファイバオプティクプレート基板と発光層との接合面において、ファイバオプティクプレート基板及び発光層の少なくとも一方には、蛍光に対する屈折率がファイバオプティクプレート基板と発光層との間の屈折率となる中間層が設けられていてもよい。この場合、中間層での屈折率の調整により、ファイバオプティクプレート基板と発光層との接合面において、中間層を反射防止膜等の機能的な層として機能させることができる。
中間層は、ＳｉＮ層、Ｔａ３Ｏ５層、ＨｆＯ２層、又はこれらの組み合わせによって構成されていてもよい。これにより、中間層を反射防止膜として機能させることができる。また、他の高屈折率材料を含む多層膜設計も容易となる。
本開示の一側面に係る光検出モジュールは、上記発光素子と、発光素子に対してファイバオプティクプレート基板側に配置された光検出器と、を備える。
この光検出モジュールを構成する発光素子では、ファイバオプティクプレート基板と発光層とが直接接合されている。このため、サファイア基板上にバッファ層を介して発光層を設ける従来の構成とは異なり、発光素子に入射した光の一部がサファイア基板及びバッファ層を導波路として拡散することを回避できるため、クロストークの低減が図られる。サファイア基板に代えてファイバオプティクプレート基板を用いることで、発光層で発生した蛍光の収集効率が高められる。また、光検出モジュールを構築するにあたってレンズカップリングが必須となることを回避でき、用途を広げることが可能となる。
光検出器は、固体検出素子又は電子管デバイスによって構成されていてもよい。これにより、光検出モジュールを多様な用途に対応させることができる。
本開示の一側面に係る発光素子の製造方法は、バッファ層と、量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる発光層とを補助基板上に結晶成長させる発光層形成工程と、蛍光に対する透明性を有するファイバオプティクプレート基板と、補助基板上の発光層とを直接接合して接合体を形成する接合工程と、接合体から補助基板及びバッファ層を除去する除去工程と、を備える。
この発光素子の製造方法によれば、ファイバオプティクプレート基板と発光層とが直接接合された発光素子を簡便に得ることができる。得られた発光素子では、サファイア基板上にバッファ層を介して発光層を設ける従来の構成とは異なり、発光素子に入射した光の一部がサファイア基板及びバッファ層を導波路として拡散することを回避できるため、クロストークの低減が図られる。サファイア基板に代えてファイバオプティクプレート基板を用いることで、発光層で発生した蛍光の収集効率が高められる。また、光検出モジュールを構築するにあたってレンズカップリングが必須となることを回避でき、用途を広げることが可能となる。
発光層は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に積層された積層構造を有し、バッファ層は、ＧａＮ層によって構成されていてもよい。これにより、補助基板上に発光層を好適に結晶成長させることができる。得られた発光素子では、発光層において、効率良く蛍光を発生させることができる。また、積層構造がファイバオプティクプレート基板に直接接合されているため、発生した蛍光をファイバオプティクプレート基板側に効率良く取り出すことができる。
発光層におけるファイバオプティクプレート基板と発光層との接合面と反対側の面に金属層を形成する金属層形成工程を、除去工程の後に備えていてもよい。これにより、得られた発光素子において、発光層に電子等が入射する際の帯電を防止できる。また、金属層での光の反射により、発生した蛍光をファイバオプティクプレート基板側に効率良く取り出すことができる。
ファイバオプティクプレート基板及び発光層の少なくとも一方に蛍光に対する屈折率がファイバオプティクプレート基板と発光層との間の屈折率となる中間層を形成する中間層形成工程を、発光層形成工程と接合工程との間に備えていてもよい。この場合、中間層での屈折率の調整により、ファイバオプティクプレート基板と発光層との接合面において、中間層を反射防止膜等の機能的な層として機能させることができる。
中間層は、ＳｉＮ層、Ｔａ３Ｏ５層、ＨｆＯ２層、又はこれらの組み合わせによって構成されていてもよい。これにより、中間層を反射防止膜として機能させることができる。また、他の高屈折率材料を含む多層膜設計も容易となる。
本開示の一側面に係る走査型電子顕微鏡は、一次電子線を試料に向けて出射する電子線源と、一次電子線の照射によって試料で発生する二次電子線の入射によって蛍光を発生させる上記発光素子と、発光素子で発生した蛍光を検出する検出光学系と、を備える。
この走査型電子顕微鏡を構成する発光素子では、ファイバオプティクプレート基板と発光層とが直接接合されている。このため、サファイア基板上にバッファ層を介して発光層を設ける従来の構成とは異なり、発光素子に入射した光の一部がサファイア基板及びバッファ層を導波路として拡散することを回避できるため、クロストークの低減が図られる。サファイア基板に代えてファイバオプティクプレート基板を用いることで、発光層で発生した蛍光の収集効率が高められる。
本開示によれば、クロストークを低減でき、且つ用途を広げることが可能となる。
発光素子の一実施形態を示す模式的な断面図である。 発光層の構成を示す模式的な断面図である。 （ａ）は、ファイバオプティクプレート基板のコアガラスと発光層との接合面近傍の拡大写真であり、（ｂ）は、ファイバオプティクプレート基板のクラッドガラスと発光層との接合面近傍の拡大写真である。 （ａ）は、ファイバオプティクプレート基板のコアガラスと発光層との接合面近傍の成分分析結果であり、（ｂ）は、ファイバオプティクプレート基板のクラッドガラスと発光層との接合面近傍の成分分析結果である。 発光素子の製造工程の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は、発光層形成工程を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は、接合工程を示す模式的な断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、除去工程を示す模式的な断面図である。 金属層形成工程を示す模式的な断面図である。 （ａ）は、比較例における蛍光のスポット形状を示す図であり、（ｂ）は、実施例における蛍光のスポット形状を示す図である。 実施例及び比較例における蛍光の輝度分布を示す図である。 （ａ）～（ｃ）は、発光素子を用いた光検出モジュールの構成例を示す模式的な図である。 走査型電子顕微鏡の構成例を示す模式的な図である。 発光素子の変形例を示す模式的な断面図である。 変形例に係る発光素子の製造工程の一例を示すフローチャートである。 中間層形成工程を示す模式的な断面図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る発光素子、光検出モジュール、発光素子の製造方法、及び走査型電子顕微鏡の好適な実施形態について詳細に説明する。
［発光素子の構成例］
図１は、発光素子の一実施形態を示す模式的な断面図である。発光素子１は、電子等の入射によって蛍光を発生させる素子である。図１に示すように、発光素子１は、ファイバオプティクプレート基板２と、発光層３と、金属層４とを備えて構成されている。
ファイバオプティクプレート基板２は、入射面２ａから入射した光を出射面２ｂに伝達する機能を有する基板である。ファイバオプティクプレート基板２は、発光層３で発生する光（蛍光）に対する透明性を有している。ファイバオプティクプレート基板２は、例えば複数のコアガラスと、当該コアガラスを被覆するクラッドガラスと、複数のコアガラス間に配置された吸光体ガラスとを含んで構成されている。コアガラスは、クラッドガラスと一体化している。コアガラスは、繊維状をなし、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａから出射面２ｂにわたって延在している。コアガラスの直径は、例えば０．００１～０．０５ｍｍ程度となっている。コアガラスの断面形状は、例えば円形状となっている。
コアガラスは、ガラスの網目を形成する網目形成酸化物、網目形成酸化物と溶融してガラスの性質に影響を与える網目修飾酸化物、網目形成酸化物及び網目修飾酸化物の中間的な性質を有する中間酸化物を含有し得る。網目形成酸化物としては、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２などが挙げられる。網目修飾酸化物としては、ＷＯ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５などが挙げられる。中間酸化物としては、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯなどが挙げられる。
クラッドガラスは、コアガラスを埋没させるように配置され、コアガラスのそれぞれの外周部を被覆している。クラッドガラスは、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａから出射面２ｂにわたって延在している。クラッドガラスは、コアガラスと同様に、ガラスの網目を形成する網目形成酸化物、網目形成酸化物と溶融してガラスの性質に影響を与える網目修飾酸化物、網目形成酸化物及び網目修飾酸化物の中間的な性質を有する中間酸化物を含有し得る。クラッドガラスの屈折率は、コアガラスの屈折率よりも小さくなっている。
吸光体ガラスは、コアガラスよりも細い繊維状をなし、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａから出射面２ｂにわたって延在している。吸光体ガラスは、コアガラス及びクラッドガラスから漏れる光（迷光）を吸収する性質を有している。吸光体ガラスは、ガラス組成物から構成されていてもよい。ガラス組成物は、ＳｉＯ２を主成分とし、Ｆｅ２Ｏ３等を含有していてもよい。
発光層３は、量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる層である。発光層３は、ファイバオプティクプレート基板２側を向く一方面３ａと、当該一方面３ａの反対側に位置する他方面３ｂとを有している。ここでの量子井戸構造とは、一般的な量子井戸構造のほか、量子細線構造、量子ドット構造を含む。また、窒化物半導体とは、ＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｉｎ、Ａｌの少なくとも一つを含み、主たるＶ族元素としてＮを含む化合物である。
本実施形態では、発光層３は、図２に示すように、ＧａＮ層６とＩｎＧａＮ層７とが交互に積層された積層構造を有している。発光層３は、バッファ層としてのＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ≦１）層或いはＧａＮ層を有しておらず、量子井戸構造の最外層を構成するＧａＮ層６が一方面３ａ及び他方面３ｂを構成している。発光層３に電子等が入射すると、量子井戸構造において電子及び正孔の対が形成され、当該電子及び正孔の対が量子井戸構造内で再結合する過程で蛍光が発生する。発光層３で発生した蛍光の少なくとも一部は、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａに入射し、コアガラスに導光されて出射面２ｂから出射する。
金属層４は、発光層３に電子等が入射する際の帯電を防止する機能を有する層である。また、金属層４は、発光層３で発生した蛍光を反射し、当該蛍光をファイバオプティクプレート基板２側に効率良く伝達する機能を有している。金属層４は、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３との接合面Ｒと反対側の面、すなわち、発光層３の他方面３ｂに設けられている。金属層４は、例えばＡｌ等の金属の蒸着によって、発光層３の厚さよりも十分に小さい厚さで発光層３の他方面３ｂの全体にわたって設けられている。
発光素子１では、上述したファイバオプティクプレート基板２と発光層３とが直接接合され、接合面Ｒが形成されている。本実施形態では、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａと、発光層３の一方面３ａとが、熱圧着や常温接合によって接着剤などを介在することなく接合されている。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、熱圧着によって接合されたファイバオプティクプレート基板と発光層との接合面近傍の拡大写真である。図３（ａ）は、ファイバオプティクプレート基板のコアガラスと発光層との接合面近傍を走査型透過電子顕微鏡で解析したものであり、図３（ｂ）は、ファイバオプティクプレート基板のクラッドガラスと発光層との接合面近傍を走査型透過電子顕微鏡で解析したものである。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す結果から、ファイバオプティクプレート基板のコアガラス及びクラッドガラスのいずれも熱圧着によって発光層と一体化しており、接着剤などを介在することなく強固に接合されていることが確認できる。
発光素子１では、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａと、発光層３の一方面３ａとを熱圧着することにより、発光層３の構成元素がファイバオプティクプレート基板２内に拡散した状態となっている。ファイバオプティクプレート基板２の構成元素が発光層３内に拡散した状態となっていてもよい。図４（ａ）は、ファイバオプティクプレート基板のコアガラスと発光層との接合面近傍の成分分析結果である。また、図４（ｂ）は、ファイバオプティクプレート基板のクラッドガラスと発光層との接合面近傍の成分分析結果である。これらの図では、横軸に距離を示し、縦軸に強度を示している。距離５０ｎｍ付近がファイバオプティクプレート基板のコアガラスと発光層との接合面に相当しており、これより左側が発光層、右側がファイバオプティクプレート基板である。試料の加工には、集束イオンビーム法を用いた。成分分析装置としては、日本電子株式会社製の原子分解能分析電子顕微鏡（製品名：ＪＥＭ-ＡＲＭ２００Ｆ ＤＵＡＬ－Ｘ）を用い、加速電圧を２００ｋＶとした。
図４（ａ）に示す結果から、発光層３に含まれるＧａがファイバオプティクプレート基板２のコアガラス内に拡散していることが分かる。また、ファイバオプティクプレート基板２のコアガラスに含まれるＬａが発光層３内に拡散していることも分かる。図４（ｂ）に示す結果から、発光層３に含まれるＩｎやＧａがファイバオプティクプレート基板２のクラッドガラス内に拡散していることが分かる。また、ファイバオプティクプレート基板２のクラッドガラスに含まれるＳｉが発光層３内に拡散していることも分かる。ファイバオプティクプレート基板２内への発光層３の構成元素の拡散、或いは、発光層３内へのファイバオプティクプレート基板２の構成元素の拡散により、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３との接合強度が十分に高められることとなる。
［発光素子の製造例］
図５は、発光素子の製造工程の一例を示すフローチャートである。同図に示すように、発光素子１の製造工程は、発光層形成工程（ステップＳ０１）と、接合工程（ステップＳ０２）と、除去工程（ステップＳ０３）と、金属層形成工程（ステップＳ０４）とを含んで構成されている。
発光層形成工程は、図６（ａ）に示すように、バッファ層１２と、量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる発光層３とを補助基板１１上に結晶成長させる工程である。バッファ層１２及び発光層３の形成には、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることができる。ここでは、補助基板１１は、サファイア基板１３である。サファイア基板１３をＭＯＣＶＤ装置の成長室に導入し、水素雰囲気下で熱処理を行い、表面の清浄化を行う。次に、基板温度を１０７５℃程度に昇温してサファイア基板１３上にＧａＮによるバッファ層１２を形成する。バッファ層１２の形成後、基板温度を８００℃程度に降温し、ＧａＮ層６とＩｎＧａＮ層７とを交互に成長させて発光層３を得る。
接合工程は、ファイバオプティクプレート基板２と、補助基板１１上の発光層３とを直接接合して接合体Ｋを形成する工程である。ここでは、図６（ｂ）に示すように、補助基板１１上の発光層３の一方面３ａをファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａとを対向させ、発光層３の一方面３ａとファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａとを熱圧着する。熱圧着の条件は、例えば温度１００℃～８００℃、圧力２ｋｇ／ｃｍ２～４０ｋｇ／ｃｍ２である。得られた接合体Ｋでは、発光層３の構成元素がファイバオプティクプレート基板２内に拡散し、ファイバオプティクプレート基板２の構成元素が発光層３内に拡散することで、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３の強固な接合が実現される。
除去工程は、接合体Ｋから補助基板１１及びバッファ層１２を除去する工程である。補助基板１１であるサファイア基板１３の除去には、例えばレーザリフトオフを適用することができる。この場合、図７（ａ）に示すように、例えばパルス発振の高密度ＵＶレーザ光をサファイア基板１３に向けて照射し、ＧａＮによるバッファ層１２まで到達させる。これにより、バッファ層１２の界面付近でＧａＮがＧａとＮとに分解され、バッファ層１２からサファイア基板１３を剥離できる。
サファイア基板１３の剥離の後、図７（ｂ）に示すように、エッチングによってバッファ層１２を除去する。ＧａＮによるバッファ層１２は、化学的に安定なため、エッチング速度を確保する観点からは、ドライエッチングを用いることが好適である。ドライエッチングの手法としては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）、電子サイクロトロン共鳴エッチング（ＥＣＲＥ）などが挙げられる。なお、バッファ層１２の除去と同様に、サファイア基板１３の除去をエッチングによって実施してもよい。サファイア及びＧａＮは、化学的に安定であり、非常に硬度が硬い物質であるが、研削及び研磨による加工も可能である。したがって、サファイア基板１３及びＧａＮによるバッファ層１２を除去する手法としては、研削及び研磨による加工を採用してもよい。
金属層形成工程は、発光層３の他方面３ｂに金属層４を形成する工程である。ここでは、図８に示すように、発光層３の他方面３ｂにＡｌを蒸着して金属層４を形成する。これにより、図１に示した発光素子１が得られる。
［作用効果］
以上説明したように、発光素子１では、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３とが直接接合されている。この発光素子１では、サファイア基板１３上にバッファ層を介して発光層３を設ける従来の構成とは異なり、発光素子１に入射した光の一部がサファイア基板及びバッファ層を導波路として拡散することを回避でき、クロストークの低減が図られる。サファイア基板に代えてファイバオプティクプレート基板２を用いることで、発光層３で発生した蛍光の収集効率が高められる。また、光検出モジュールを構築するにあたってレンズカップリングが必須となることを回避でき、用途を広げることが可能となる。
発光素子１では、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３とが熱圧着によって接合されている。これにより、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３とを接着剤を用いずに好適に直接接合することができる。また、発光素子１では、発光層３の構成元素がファイバオプティクプレート基板２内に拡散しており、ファイバオプティクプレート基板２の構成元素が発光層３内に拡散している。このような構成元素の拡散によって、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３との接合強度を十分に高めることができる。
発光素子１では、発光層３がＧａＮ層６とＩｎＧａＮ層７とが交互に積層された積層構造を有している。このような積層構造を有することで、発光層３において効率良く蛍光を発生させることができる。また、積層構造がファイバオプティクプレート基板２に直接接合されているため、発生した蛍光をファイバオプティクプレート基板２側に効率良く取り出すことができる。発光素子１では、発光層３の他方面３ｂに金属層４が設けられている。この金属層４により、発光層３に電子等が入射する際の帯電を防止できる。また、金属層４での光の反射により、発生した蛍光をファイバオプティクプレート基板２側に効率良く取り出すことができる。
図９（ａ）は、比較例における蛍光のスポット形状を示す図であり、図９（ｂ）は、実施例における蛍光のスポット形状を示す図である。また、図１０は、実施例及び比較例における蛍光の輝度分布を示す図である。実施例では、図１に示した発光素子１と同様に、ファイバオプティクプレート基板と発光層とを直接接合したサンプルを用い、比較例では、サファイア基板上にＩｎＧａｎバッファ層及びＧａＮ層を介して発光層を設けたサンプルを用いた。
比較例に係るサンプルでは、図９（ａ）及び図１０に示すように、サファイア基板を透過して外部に取り出された蛍光の半値全幅は、約５０μｍであった。これに対し、実施例に係るサンプルでは、図９（ｂ）及び図１０に示すように、ファイバオプティクプレート基板から外部に取り出された蛍光の半値全幅は、約４２μｍであった。したがって、実施例では、発光層で発生した蛍光の拡散が小さくなり、クロストークの抑制効果を奏することが確認できた。
［発光素子の応用例］
上述した発光素子１は、例えばファイバオプティクプレート基板２側に光検出器２２を配置することで、各種の光検出モジュール２１を構築できる。光検出器２２は、固体検出素子又は電子管デバイスによって構成されている。固体検出素子としては、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサ、フォトダイオードアレイ、アバランシェフォトダイオードアレイ、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードアレイ、イメージインテンシファイアなどが挙げられる。電子管デバイスとしては、光電子増倍管、ストリーク管などが挙げられる。
発光素子１の性能を十分に活かす観点から、光検出器２２は、多数の光を同時に位置検出可能なマルチチャンネル型の検出器であってもよく、さらに、時間分解性能を有する検出器であってもよい。位置検出及び時間分解の双方が可能な検出器としては、例えばマルチアノード光電子増倍管、ストリークカメラ、ゲートＩＣＣＤカメラ、ゲートＩＣＭＯＳカメラなどが挙げられる。
図１１（ａ）に示す光検出モジュール２１Ａでは、発光素子１の後段側に光検出器２２が配置されている。光検出器２２は、ファイバオプティクプレート２３を入力窓として備えている。光検出モジュール２１Ａは、真空チャンバや真空管といった真空容器Ｍ内に配置されている。光検出モジュール２１Ａは、例えば走査型電子顕微鏡の検出光学系に適用され得る。真空容器Ｍ内において、発光素子１の前段側にマイクロチャンネルプレート（不図示）を配置してもよい。この場合、マイクロチャンネルプレートによって荷電粒子を電子に変換し且つ増倍できるため、微小な荷電粒子のイメージ及び時間特性の取得が可能となる。
図１１（ｂ）に示す光検出モジュール２１Ｂでは、発光素子１の後段側に光検出器２２が配置されている。光検出器２２は、ファイバオプティクプレート２３を入力窓として備えている。光検出モジュール２１Ｂでは、真空チャンバや真空管といった真空容器Ｍ内に発光素子１が配置され、真空容器Ｍの外部に光検出器２２が配置されている。発光素子１と光検出器２２との間には、ファイバオプティクプレート２４が更に配置されている。ファイバオプティクプレート２４は、発光素子１及び光検出器２２のファイバオプティクプレート２３と光学的に結合すると共に、真空容器Ｍの窓材として真空容器Ｍの真空気密を保つように構成されている。光検出モジュール２１Ｂは、例えば飛行時間型質量分析（ＴＯＦ－ＭＳ）装置において、従来の撮像装置に代えて適用され得る。図１１（ａ）の場合と同様に、真空容器Ｍ内において、発光素子１の前段側にマイクロチャンネルプレート（不図示）を配置してもよい。
図１１（ｃ）に示す光検出モジュール２１Ｃでは、発光素子１の後段側に光検出器２２が配置されている。光検出器２２は、ファイバオプティクプレート２３を入力窓として備えている。光検出モジュール２１Ｃは、例えば大気中に配置されている。光検出モジュール２１Ｃは、例えば光検出器２２をストリーク管とし、発光素子１の前段側にＸ線源やピンホールレンズなどを組み合わせることにより、Ｘ線ストリークカメラに適用することができる。発光素子１は、他の放射線についても発光可能であり、放射線の時間分解観察を実施できる。
図１２は、走査型電子顕微鏡の構成例を示す模式的な図である。同図に示す走査型電子顕微鏡３１は、マルチビーム型の走査型電子顕微鏡であり、複数の一次電子線ｅ１を出射可能な電子線源３２と、上述した発光素子１と、検出光学系３３とを含んで構成されている。電子線源３２、試料Ｓ、発光素子１は、真空チャンバ３４内に配置されている。検出光学系３３は、真空チャンバ３４の窓材として真空チャンバ３４の真空気密を保つファイバオプティクプレート３５と、光検出器３６とによって構成されている。光検出器３６は、ファイバオプティクプレート３７を入力窓として備えるマルチチャンネル型の検出器であり、大気中に配置されている。
電子線源３２は、複数の一次電子線ｅ１を試料Ｓに向けて出射する。複数の一次電子線ｅ１は、ビームスプリッタ３８を介して出射軸から軌道を変えた状態で試料Ｓに照射される。試料Ｓは、複数の一次電子線ｅ１の入射軸に対して直交する面方向に移動可能なステージ３９上に配置されている。電子線源３２から出射した複数の一次電子線ｅ１が試料Ｓに照射されると、試料Ｓの表面から複数の二次電子線ｅ２が放出される。試料Ｓの表面から放出された複数の二次電子線ｅ２は、ビームスプリッタ３８を介して複数の一次電子線ｅ１の出射軸と反対側に軌道を変え、発光素子１に入射する。発光素子１では、入射した二次電子線ｅ２に応じた蛍光が発生する。発光素子１で発生した蛍光は、ファイバオプティクプレート３７に導光されて大気中に導光され、光検出器３６に入射する。光検出器３６では、受光した蛍光に応じた検出信号が出力される。試料Ｓの表面における一次電子線ｅ１の位置と、光検出器３６からの検出信号とを同期付けることで、試料Ｓの像を得ることができる。
［変形例］
本開示は、上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３との直接接合を実現手段として熱圧着を例示したが、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３とは、常温接合によって直接接合されていてもよい。常温接合では、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａ及び発光層３の一方面３ａを研磨し、研磨面同士を当接させる。このような常温接合においても、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３とを接着剤を用いずに好適に直接接合することができる。また、常温接合では、熱による歪みがファイバオプティクプレート基板２に生じることも抑制される。なお、常温接合を行う場合は、補助基板１１としてＧａＮ基板を用いることが好ましい。補助基板１１としてＧａＮ基板を用いることで、基板の反りを比較的抑えることが可能となり、常温接合の歩留まりの向上が図られる。
図１３に示すように、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３との接合面Ｒにおいて、ファイバオプティクプレート基板２及び発光層３の少なくとも一方には、蛍光に対する屈折率がファイバオプティクプレート基板２と発光層３との間の屈折率となる中間層４１が設けられていてもよい。中間層４１は、例えばＳｉＮ層、Ｔａ３Ｏ５層、ＨｆＯ２層、又はこれらの組み合わせによって構成された層である。この場合、中間層４１での屈折率の調整により、ファイバオプティクプレート基板２と発光層３との接合面Ｒにおいて、中間層４１を反射防止膜等の機能的な層として機能させることができる。また、他の高屈折率材料を含む多層膜設計も容易となる。
中間層４１は、ファイバオプティクプレート基板２の構成要素であってもよく、発光層３の構成要素であってもよく、ファイバオプティクプレート基板２及び発光層３の双方の構成要素であってもよい。中間層４１がファイバオプティクプレート基板２の構成要素である場合、ファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａが中間層４１によって構成される。中間層４１が発光層３の構成要素である場合、ファイバオプティクプレート基板２の一方面３ａが中間層４１によって構成される。図１３の例では、中間層４１は、発光層３の構成要素として示している。
図１４は、中間層を形成する場合の発光素子の製造工程の一例を示すフローチャートである。同図に示すように、この場合の発光素子１の製造工程は、発光層形成工程と接合工程との間に中間層形成工程（ステップＳ０５）を備える。中間層形成工程は、ファイバオプティクプレート基板２及び発光層３の少なくとも一方に中間層４１を形成する工程である。図１５の例では、中間層形成工程において発光層３側に中間層４１を形成し、その後に、中間層４１からなる発光層３の一方面３ａとファイバオプティクプレート基板２の入射面２ａとを熱圧着している。中間層形成工程において、中間層４１をファイバオプティクプレート基板２側に形成してもよい。中間層４１が複数層からなる場合、一部の層を発光層３側に形成し、残りの層をファイバオプティクプレート基板２側に形成してもよい。
１…発光素子、２…ファイバオプティクプレート基板、３…発光層、４…金属層、６…ＧａＮ層（窒化物半導体層）、７…ＩｎＧａＮ層（窒化物半導体層）、１１…補助基板、１２…バッファ層、１３…サファイア基板（補助基板）、２１（２１Ａ～２１Ｃ）…光検出モジュール、２２…光検出器、３１…走査型電子顕微鏡、３２…電子線源、ｅ１…一次電子線、ｅ２…二次電子線、３３…検出光学系、４１…中間層、Ｒ…接合面。

Claims (16)

  1. 蛍光に対する透明性を有するファイバオプティクプレート基板と、
    量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる発光層と、を備え、
    前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層とが直接接合されている発光素子。
  2. 前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層とは、熱圧着によって接合されている請求項１記載の発光素子。
  3. 前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層とは、常温接合によって接合されている請求項１記載の発光素子。
  4. 前記発光層の構成元素は、前記ファイバオプティクプレート基板内に拡散している請求項１又は２記載の発光素子。
  5. 前記発光層は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に積層された積層構造を有している請求項１～４のいずれか一項記載の発光素子。
  6. 前記発光層において、前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層との接合面と反対側の面には、金属層が設けられている請求項１～５のいずれか一項記載の発光素子。
  7. 前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層との接合面において、前記ファイバオプティクプレート基板及び前記発光層の少なくとも一方には、前記蛍光に対する屈折率が前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層との間の屈折率となる中間層が設けられている請求項１～６のいずれか一項記載の発光素子。
  8. 前記中間層は、ＳｉＮ層、Ｔａ３Ｏ５層、ＨｆＯ２層、又はこれらの組み合わせによって構成されている請求項７記載の発光素子。
  9. 請求項１～８のいずれか一項記載の発光素子と、
    前記発光素子に対して前記ファイバオプティクプレート基板側に配置された光検出器と、を備える光検出モジュール。
  10. 前記光検出器は、固体検出素子又は電子管デバイスによって構成されている請求項９記載の光検出モジュール。
  11. バッファ層と、量子井戸構造を有する窒化物半導体層からなる発光層とを補助基板上に結晶成長させる発光層形成工程と、
    蛍光に対する透明性を有するファイバオプティクプレート基板と、前記補助基板上の前記発光層とを直接接合して接合体を形成する接合工程と、
    前記接合体から前記補助基板及び前記バッファ層を除去する除去工程と、を備える発光素子の製造方法。
  12. 前記発光層は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが交互に積層された積層構造を有し、
    前記バッファ層は、ＧａＮ層によって構成されている請求項１１記載の発光素子の製造方法。
  13. 前記発光層における前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層との接合面と反対側の面に金属層を形成する金属層形成工程を、前記除去工程の後に備える請求項１１又は１２記載の発光素子の製造方法。
  14. 前記ファイバオプティクプレート基板及び前記発光層の少なくとも一方に前記蛍光に対する屈折率が前記ファイバオプティクプレート基板と前記発光層との間の屈折率となる中間層を形成する中間層形成工程を、前記発光層形成工程と前記接合工程との間に備える請求項１１～１３のいずれか一項記載の発光素子の製造方法。
  15. 前記中間層は、ＳｉＮ層、Ｔａ３Ｏ５層、ＨｆＯ２層、又はこれらの組み合わせによって構成されている請求項１４記載の発光素子の製造方法。
  16. 一次電子線を試料に向けて出射する電子線源と、
    前記一次電子線の照射によって前記試料で発生する二次電子線の入射によって蛍光を発生させる請求項１～８のいずれか一項記載の発光素子と、
    前記発光素子で発生した前記蛍光を検出する検出光学系と、を備える走査型電子顕微鏡。
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