WO2022014380A1 - 蛍光素子 - Google Patents

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WO2022014380A1
WO2022014380A1 PCT/JP2021/025170 JP2021025170W WO2022014380A1 WO 2022014380 A1 WO2022014380 A1 WO 2022014380A1 JP 2021025170 W JP2021025170 W JP 2021025170W WO 2022014380 A1 WO2022014380 A1 WO 2022014380A1
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main
light emitting
fractal structure
substrate
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紘太郎 大
啓 篠塚
純也 前田
悟 大河原
友洋 中村
稔 近藤
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Hamamatsu Photonics KK
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    • C09K11/00—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent
    • C09K11/08—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/62—Luminescent materials, e.g. electroluminescent or chemiluminescent containing inorganic luminescent materials containing gallium, indium or thallium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor

Definitions

  • This disclosure relates to a fluorescent element.
  • Patent Document 1 discloses a technique relating to a light emitting body that converts incident electrons into fluorescence.
  • This light emitter includes a substrate that is transparent to fluorescence and a nitride semiconductor layer formed on one surface of the substrate.
  • the nitride semiconductor layer has a quantum well structure that emits fluorescence due to the incident of electrons.
  • Patent Document 2 discloses a technique relating to a charged particle beam device.
  • the device comprises a detector that detects charged particles obtained based on irradiation of a charged particle beam emitted from a charged particle source.
  • the detector comprises a substrate and a light emitting layer formed on the substrate and made of a material containing Ga 1-xy Al x In y N (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • a plurality of protrusions for increasing the light extraction efficiency are formed on the surface of the substrate facing the light emitting layer.
  • Patent Documents 3, 4 and 5 disclose techniques relating to a substrate for a semiconductor light emitting device.
  • This semiconductor light emitting device substrate has a light emitting structure forming surface on which a light emitting structure including a semiconductor layer is formed.
  • the light emitting structure forming surface includes a flat portion extending along one crystal plane, a plurality of large-diameter convex portions protruding from the flat portion, and a plurality of small-diameter convex portions smaller than the large-diameter convex portion. At least a part of the plurality of small-diameter convex portions protrudes from the outer surface of the large-diameter convex portion.
  • Patent Document 6 discloses a technique relating to a semiconductor light emitting device.
  • This semiconductor light emitting device includes a semiconductor laminated portion including a light emitting layer and a diffraction surface. Light emitted from the light emitting layer is incident on the diffractive surface. On the diffraction surface, concave portions or convex portions are formed at a period larger than the optical wavelength of the light and smaller than the coherent length of the light.
  • the diffraction surface reflects the incident light in a plurality of modes according to Bragg's diffraction conditions, and transmits the incident light in a plurality of modes according to Bragg's diffraction conditions.
  • Non-Patent Document 1 discloses that a fractal structure is formed on the semiconductor growth surface of an LED sapphire substrate obtained by growing a GaN-based semiconductor on a sapphire substrate. It has been reported that this fractal structure increased the light output intensity.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-298603 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-230195 International Publication No. 2015/053333
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-165261 International Publication No. 2020/054792 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-42162
  • Fluorescent elements that output fluorescence having a light intensity corresponding to the amount of input electron beam current are often used in electron beam detectors and the like.
  • the electron beam detector measures the amount of current of an electron beam by converting the intensity of fluorescence output from the fluorescent element into an electric signal.
  • Such an electron beam detector can be used in a device such as a scanning electron microscope.
  • the fluorescent element includes a semiconductor layer for converting an input electron beam into fluorescence.
  • the semiconductor layer is, for example, a group III nitride semiconductor layer.
  • the fluorescence output from the semiconductor includes a main light emitting component and a deep level light emitting component having a longer wavelength than the main light emitting component.
  • the deep-level emission component is emission from a deep-level energy level higher than the emission energy level of the main emission component, and its fluorescence lifetime is longer than that of the main emission component.
  • group III nitride semiconductors have difficulty in crystal growth and relatively many lattice defects, such deep-level emission components tend to be large. Therefore, when the semiconductor layer is a group III nitride semiconductor layer, the above problem becomes particularly remarkable.
  • an object of the present disclosure is to provide a fluorescence element capable of reducing the deep level emission component contained in fluorescence relative to the main emission component.
  • the fluorescent element is provided on a substrate having a first main surface and a second main surface facing the first main surface, and on the first main surface of the substrate, and emits fluorescence by the incident of electrons III.
  • a group nitride semiconductor layer is provided. Fluorescence is output through the first and second main surfaces of the substrate. Fluorescence includes a main emission component and a deep level emission component having a longer wavelength and a longer life than the main emission component.
  • One or more interfaces including the first main surface existing between the second main surface and the group III nitride semiconductor layer and at least one of the second main surfaces have a fractal structure.
  • the fractal structure includes a plurality of first convex portions and a plurality of second convex portions formed on the surface of each first convex portion.
  • the mode of the pitch of the second convex portion of the fractal structure is smaller than the mode of the pitch of the first convex portion, and is 3.2 times or less the value obtained by converting the peak wavelength of the main light emitting component into the optical wavelength.
  • the present inventor has a fractal structure including a plurality of first convex portions and a plurality of second convex portions formed on the surface of each first convex portion and having a pitch smaller than the pitch (center spacing) of the first convex portions.
  • it has been found that it has an action of selectively reducing a specific wavelength component with respect to another wavelength component. That is, by appropriately setting the mode value of the pitch of the second convex portion, the light transmittances of the two wavelength components can be made different from each other.
  • the mode of the pitch of the second convex portion is set to the optical wavelength
  • the peak wavelength of the main emission component is set to the optical wavelength. It should be 3.2 times or less of the converted value.
  • the above-mentioned fluorescent element has such a fractal structure at least one of one or more interfaces including the first main surface existing between the second main surface and the group III nitride semiconductor layer and the second main surface. It has one surface, that is, a surface through which fluorescence passes. Therefore, the deep level light emitting component contained in the fluorescence extracted from the fluorescent element can be relatively reduced with respect to the main light emitting component.
  • the mode of the pitch of the second convex portion of the fractal structure may be 1.5 times or more the value obtained by converting the peak wavelength of the main light emitting component into the optical wavelength. In this case, it is possible to suppress a decrease in the light transmittance of the main light emitting component in the fractal structure.
  • the mode of the pitch of the first convex portion of the fractal structure may be 5 times or more the value obtained by converting the peak wavelength of the main light emitting component into the optical wavelength. In this case, the efficiency of taking out the main light emitting component La can be improved by the diffraction action of the first convex portion 12.
  • the light transmittance of the fractal structure at the peak wavelength of the main light emitting component may be larger than the light transmittance of the fractal structure at the peak wavelength of the deep level light emitting component.
  • At least the second main surface may have a fractal structure, and in the fractal structure of the second main surface, adjacent first convex portions may be in contact with each other.
  • the area of the flat portion between the first convex portions is reduced, Fresnel reflection by the flat portions can be reduced, and the efficiency of extracting the main light emitting component can be further improved.
  • the group III nitride semiconductor layer may have a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately laminated.
  • the above-mentioned fractal structure is particularly useful because a large amount of deep-level emission is generated from the lattice defects contained in the barrier layer.
  • the fluorescent element may be provided between the group III nitride semiconductor layer and the substrate, and may further include a buffer layer mainly containing the group III nitride semiconductor.
  • the above-mentioned fractal structure is particularly useful because a large amount of deep-level emission is generated from the lattice defects contained in the buffer layer.
  • a fluorescence element capable of reducing the deep level emission component contained in fluorescence relative to the main emission component.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the cross-sectional structure of the fluorescent element which concerns on 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows the fractal structure of the 2nd main surface enlarged. It is a top view which shows the fractal structure of the 2nd main surface in an enlarged manner. It is an SEM photograph of a fractal structure. It is sectional drawing which shows the fractal structure of the 2nd main surface enlarged. It is a figure which shows the typical example of the spectrum of fluorescence output from a multiple quantum well structure.
  • the group III nitride semiconductor refers to a compound containing at least one of Ga, In, and Al as a group III element and N as a main group V element.
  • having light transmission means a property of transmitting target light by 50% or more.
  • the term "wavelength" simply refers to the wavelength in vacuum.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional configuration of the fluorescent element 10 according to the first embodiment, and shows a cross section along the thickness direction.
  • the fluorescent element 10 includes a substrate 11, a semiconductor laminated portion 15 provided on the first main surface 11a of the substrate 11, and a conductive layer 18 provided on the semiconductor laminated portion 15. Be prepared.
  • the surface of the conductive layer 18 constitutes an electron input surface 10a.
  • the semiconductor laminated portion 15 is provided on the first buffer layer 15A provided on the first main surface 11a of the substrate 11, the second buffer layer 15B provided on the first buffer layer 15A, and the second buffer layer 15B.
  • the multiple quantum well structure 15C converts the input electrons into fluorescence.
  • the substrate 11 is a plate-shaped member having light transmission to a main light emitting component (described later) among the wavelengths of fluorescence output from the multiple quantum well structure 15C.
  • the constituent material of the substrate 11 is not particularly limited as long as it transmits the main light emitting component of fluorescence output from the semiconductor laminated portion 15 and is capable of epitaxially growing the semiconductor laminated portion 15.
  • the substrate 11 is a sapphire substrate or a GaN substrate.
  • the substrate 11 has a flat first main surface 11a and a second main surface 11b located on the opposite side (that is, opposed to) the first main surface 11a.
  • the first main surface 11a and the second main surface 11b extend along a plane that intersects (for example, is orthogonal to) the stacking direction of the semiconductor laminated portion 15.
  • the second main surface 11b has a fractal structure (described later).
  • the fluorescence output from the multiple quantum well structure 15C passes through the first main surface 11a and the second main surface 11b of the substrate 11 and is output to the outside of the fluorescent element 10. That is, the second main surface 11b is the light output surface of the fluorescent element 10.
  • the first buffer layer 15A and the second buffer layer 15B are provided between the multiple quantum well structure 15C and the substrate 11.
  • the first buffer layer 15A is a layer for alleviating the lattice mismatch with the substrate 11 and growing the multiple quantum well structure 15C with good crystallinity, and is in contact with the first main surface 11a.
  • the first buffer layer 15A is grown at a relatively low temperature (for example, 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower), and has an amorphous structure mainly containing, for example, gallium (Ga) and nitrogen (N).
  • the first buffer layer 15A is made of amorphous GaN.
  • the thickness of the first buffer layer 15A is, for example, 5 nm or more and 500 nm or less, and in one embodiment, it is 20 nm.
  • the second buffer layer 15B is also a layer for growing the multiple quantum well structure 15C with good crystallinity, and mainly contains crystals of a group III nitride semiconductor (for example, GaN).
  • the second buffer layer 15B is made of GaN crystals.
  • the second buffer layer 15B is epitaxially grown at a higher temperature (for example, 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower) than the first buffer layer 15A.
  • the thickness of the second buffer layer 15B is, for example, 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and 2.5 ⁇ m in one embodiment. As shown in the figure, the second buffer layer 15B may be in contact with the first buffer layer 15A.
  • the multiple quantum well structure 15C is an example of the group III nitride semiconductor layer in the present disclosure, and fluoresces when an electron is input.
  • the multiple quantum well structure 15C is a layer epitaxially grown on the second buffer layer 15B.
  • the multiple quantum well structure 15C has a structure in which well layers 151 and barrier layers 152 are alternately laminated.
  • the well layer 151 is composed of a material that receives electrons and emits fluorescence, and in this embodiment, it mainly contains crystals of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the well layer 151 consists of Si-doped In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) crystals.
  • the Si doping concentration is, for example, 2 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the well layer 151 when electrons are input to the multiple quantum well structure 15C from the electron input surface 10a side, the well layer 151 emits light having a wavelength of about 400 nm. That is, when an electron enters the multiple quantum well structure 15C, a pair of an electron and a hole is formed, and light is emitted in the process of recombination in the well layer 151 (cathodoluminescence).
  • the compositions of the plurality of well layers 151 constituting the multiple quantum well structure 15C are the same as each other, and the above composition x is equal to each other. In one example, the composition x is 0.13. Further, the thicknesses of the plurality of well layers 151 constituting the multiple quantum well structure 15C are equal to each other. The thickness of each well layer 151 is, for example, 0.2 nm or more and 5 nm or less, and 1.5 nm in one example.
  • the bandgap energy of the barrier layer 152 is larger than the bandgap energy of the well layer 151.
  • the barrier layer 152 mainly contains GaN crystals.
  • the barrier layer 152 consists of Si-doped GaN crystals.
  • the Si doping concentration is, for example, 2 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the barrier layer 152 may further contain Group III atoms (for example, In) other than Ga. Even in that case, the compositions of the plurality of barrier layers 152 constituting the multiple quantum well structure 15C are equal to each other.
  • each barrier layer 152 is, for example, 5 nm or more and 500 nm or less, and 9 nm in one embodiment.
  • At least one of the first buffer layer 15A and the second buffer layer 15B may be omitted if necessary.
  • the substrate 11 is a GaN substrate
  • the multiple quantum well structure 15C can be grown with good crystallinity, the first buffer layer 15A and the second buffer layer 15B are omitted, and the multiple quantum wells are placed on the first main surface 11a. Structure 15C may be grown directly.
  • the conductive layer 18 is used as one electrode for guiding electrons to the fluorescent element 10.
  • the conductive layer 18 mainly contains, for example, a metal, and in one embodiment, mainly contains Al. In one example, the conductive layer 18 is a metal film.
  • the thickness of the conductive layer 18 is, for example, 10 nm or more and 1000 nm or less, and in one embodiment, it is about 300 nm.
  • the conductive layer 18 also functions as a light reflecting film.
  • a part of the fluorescence generated in the multiple quantum well structure 15C reaches the substrate 11 directly from the multiple quantum well structure 15C, passes through the substrate 11 and is output to the outside of the fluorescent element 10, but the multiple quantum well structure 15C
  • the remainder of the fluorescence generated in the above reaches the conductive layer 18 from the multiple quantum well structure 15C, is reflected in the conductive layer 18, passes through the substrate 11, and is output from the second main surface 11b to the outside of the fluorescent element 10.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the fractal structure of the second main surface 11b.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view showing the fractal structure of the second main surface 11b.
  • FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph having a fractal structure.
  • the fractal structure is a concavo-convex structure composed of a large number of fine concavities and convexities. The fine unevenness is repeated along the spreading direction of the second main surface 11b.
  • the fractal structure of the second main surface 11b includes a large number of first convex portions 12, a large number of second convex portions 13, and a flat portion 14.
  • Each first convex portion 12 protrudes from the flat portion 14 in the normal direction of the second main surface 11b.
  • Each first convex portion 12 has a conical shape that narrows from the base end connected to the flat portion 14 toward the tip end.
  • a part of the plurality of second convex portions 13 protrudes from the flat portion 14.
  • the rest of the plurality of second convex portions 13 is formed on the surface of the first convex portion 12 and protrudes from the surface of the first convex portion 12.
  • Each second convex portion 13 has a cone shape that narrows from the base end to the tip connected to the first convex portion 12 or the flat portion 14.
  • the diameter of the contour of the second convex portion 13 is smaller than the diameter of the contour of the first convex portion 12 when viewed from the normal direction of the second main surface 11b.
  • the mode of the pitch (center spacing) P2 of the second convex portion 13 in the direction along the second main surface 11b is the mode of the pitch P1 of the first convex portion 12 in the direction along the second main surface 11b. Smaller than.
  • the mode of the pitch P1 of the first convex portion 12 is, for example, 1.0 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less.
  • the mode of the pitch P2 of the second convex portion 13 is, for example, less than 1.0 ⁇ m, or 300 nm or more and 800 nm or less, and further 600 nm or more and 700 nm or less.
  • the mode of the pitch P1 of the first convex portion 12 is obtained by, for example, image processing based on an atomic force microscope image.
  • an atomic force microscope image is obtained for a rectangular region arbitrarily selected on the surface along the second main surface 11b.
  • the length of one side of the rectangular region is set to 30 to 40 times the mode of the pitch P1.
  • the waveform separation of the atomic force microscope image using the Fourier transform obtains a fast Fourier transform image based on the atomic force microscope image.
  • the distance between the 0th-order peak and the 1st-order peak in the fast Fourier transform image is obtained, and the reciprocal of the distance is treated as the pitch P1 in one rectangular region.
  • the pitch P1 is measured for 25 or more rectangular regions different from each other, and the average value of the measured values thus obtained is the mode of the pitch P1.
  • the rectangular regions can be separated by at least 1 mm, and may be separated by 5 mm to 10 mm.
  • the most frequent value of the pitch P2 of the second convex portion 13 is an atomic force microscope image obtained for a rectangular region arbitrarily selected on the second main surface 11b, and the atomic force microscope image is used. Based on this, the same image processing as described above is performed to obtain the image.
  • the mode of the height H1 of the first convex portion 12 from the flat portion 14 is, for example, 100 nm or more and 4.0 ⁇ m or less.
  • the mode of the height H2 from the outer surface or the flat portion 14 of the first convex portion 12 to which the second convex portion 13 is connected in the second convex portion 13 is, for example, 10 nm or more and 800 nm or less.
  • each of the convex portions 12 and 13 may be a hemispherical shape, a conical shape, or a pyramid shape.
  • the bus line appearing in the vertical cross section which is the cross section thereof, may be a curved line or a straight line, and may be a triangle having the vertices of the convex portions 12 and 13 as vertices and a semicircle passing through the vertices of the convex portions 12 and 13. It suffices to be located in the area surrounded by.
  • the shapes of the first convex portion 12 and the second convex portion 13 may be the same or different from each other.
  • the shapes of each of the first convex portions 12 may be the same as or different from each other.
  • the shapes of each of the second convex portions 13 may be the same as or different from each other.
  • the plurality of first convex portions 12 may be arranged regularly or may be arranged irregularly.
  • the plurality of second convex portions 13 may also be regularly arranged or irregularly arranged. Further, as shown in FIG. 5, adjacent first convex portions 12 may be in contact with each other. Similarly, adjacent second convex portions 13 may be in contact with each other. At least one of the first convex portion 12 and the second convex portion 13 may be two-dimensionally close-packed when viewed from the normal direction of the second main surface 11b.
  • FIG. 6 is a diagram showing a typical example of a fluorescence spectrum output from the multiple quantum well structure 15C.
  • the vertical axis represents light intensity (normalized value with a maximum value of 1), and the horizontal axis represents wavelength (unit: nm).
  • the acceleration voltage of the incident electrons is, for example, 12 kV.
  • the spectrum of fluorescence output from the multiple quantum well structure 15C includes a main emission component La and a deep level emission component Lb having a wavelength longer than that of the main emission component La.
  • the main light emitting component La has a light intensity in the range of 380 nm to 450 nm, its full width at half maximum is 15 nm to 20 nm, and its peak wavelength is 400 nm.
  • the deep level emission component Lb has a light intensity in the range of 500 nm to 700 nm, and its peak wavelength is 570 nm.
  • the fluorescence lifetime of the main light emitting component La is, for example, 10 nanoseconds or less.
  • the deep-level emission component Lb is emission from an energy level (Deep-level) deeper than the energy level of emission of the main emission component La, and is induced by lattice defects of the barrier layer 152 and the second buffer layer 15B. To. Therefore, the fluorescence lifetime of the deep-level emission component Lb is longer than the fluorescence lifetime of the main emission component La.
  • an afterimage ghost
  • the present inventor has a plurality of first convex portions 12 and a plurality of second convex portions having a pitch P2 formed on the surface of each of the first convex portions 12 and having a pitch P2 smaller than the pitch P1 of the first convex portions 12. It has been found that the fractal structure containing 13 has an action of relatively reducing the deep level light emitting component Lb with respect to the main light emitting component La.
  • FIG. 7 shows the relationship between the ratio (P / ⁇ ) of the arrangement period P of the convex portions arranged periodically and the optical wavelength ⁇ of the transmitted light and the brightness of the transmitted light with respect to the plane after passing through the fractal structure. It is a graph which shows.
  • the luminance of the transmitted light is standardized with the arrangement period being zero, that is, a flat state in which no convex portion is formed as 100.
  • the brightness of the transmitted light increases as the arrangement period increases.
  • the larger the arrangement period the larger the light transmittance of the fractal structure.
  • the brightness of the transmitted light decreases as the arrangement period increases.
  • the larger the arrangement period the smaller the light transmittance of the fractal structure.
  • the light transmittance of the fractal structure increases again as the arrangement period increases.
  • Such a phenomenon is considered to be due to the following reasons, for example.
  • the arrangement period is 1 times or less of the optical wavelength
  • the larger the arrangement period the higher the probability that the incident angle of light will be less than the total reflection critical angle, the Frenel reflection will be suppressed, and the light transmittance will increase. ..
  • the arrangement period is from 1 times to 2.7 times the optical wavelength ⁇
  • a new diffraction action is generated for the incident light, and this diffraction action and the Fresnel reflection suppressing action overlap, and the larger the arrangement period is, the more light is transmitted. The rate will be even higher.
  • the Fresnel reflection inhibitory effect gradually disappears as the arrangement period increases, so that the light transmittance gradually decreases.
  • the arrangement period exceeds 4 times the optical wavelength ⁇ , the larger the arrangement period, the higher the probability that the incident angle of light satisfies the diffraction condition, so that the light transmittance increases again.
  • the wavelength transmission characteristics of the surface having a periodic convex portion are that the peak B1 has the maximum light transmittance at a certain wavelength and the light transmittance is the minimum at a certain wavelength on the longer wavelength side than the wavelength. It can be seen that it has a bottom B2.
  • Each wavelength at these peaks B1 and bottom B2 depends on the arrangement period (that is, pitch) of the convex portions.
  • the peak B1 is obtained when the arrangement period is 2.7 times the optical wavelength ⁇
  • the bottom B2 is obtained when the arrangement period is 4.0 times the optical wavelength ⁇ .
  • (P2 / ⁇ ) is set in or around the peak B1, and is calculated from the most frequent value of the pitch P2 of the second convex portion 13, the peak wavelength ⁇ b of the deep level light emitting component Lb, and the refractive index of the substrate 11.
  • the ratio (P2 / ⁇ ) to the optical wavelength ⁇ may be set at or near the bottom B2.
  • the ratio (P1 / ⁇ ) of the most frequent value of the pitch P1 of the first convex portion 12 to the optical wavelength ⁇ calculated from the peak wavelength ⁇ a of the main light emitting component La and the refractive index of the substrate 11 is set in the range A3. It is advisable to set it within the range where the light transmittance is as large as possible. Thereby, the light transmittance of the fractal structure at the peak wavelength ⁇ a of the main light emitting component La can be made larger than the light transmittance of the fractal structure at the peak wavelength ⁇ b of the deep level light emitting component Lb.
  • the fluorescence spectrum shown in FIG. 6 is a typical example of a group III nitride semiconductor, and the peak wavelength ⁇ a is close to the above even if the composition of the well layer 151 is different. Therefore, when the multiple quantum well structure 15C that emits fluorescence is a group III nitride semiconductor layer, the most frequent value of the pitch P2 of the second convex portion 13 is the peak wavelength ⁇ a of the main light emitting component La and based on FIG. If the optical wavelength ⁇ calculated from the refractive index of the substrate 11 is 3.2 times or less (for example, 3.0 times or less, or 2.7 times or less, 2.7 times in one example), the above conditions are satisfied.
  • the light transmittance of the deep level light emitting component Lb With respect to the light transmittance of the main light emitting component La in the fractal structure. Therefore, the light extraction efficiency of the deep level light emitting component Lb is reduced with respect to the light extraction efficiency of the main light emitting component La, and the light intensity of the deep level light emitting component Lb contained in the fluorescence output from the fluorescence element 10 is used as the main light emitting component La. It can be relatively reduced with respect to the light intensity of.
  • the mode of the pitch P2 of the second convex portion 13 is 1.5 times or more the optical wavelength ⁇ calculated from the peak wavelength ⁇ a of the main light emitting component La and the refractive index of the substrate 11 (more than 1.5 times. For example, if it is 2.0 times or more, further 2.5 times or more), the diffraction action of the main light emitting component La can be sufficiently enhanced to suppress the decrease in the light extraction efficiency, and the above effect can be suitably exhibited. ..
  • FIG. 8 is a chart showing a specific example of the pitch P2 of the second convex portion 13 according to the wavelength of the light transmitted through the fractal structure.
  • the vacuum wavelengths of the light transmitted through the fractal structure are 380 nm, 420 nm, and 460 nm
  • the optical wavelengths are 1.5 times, 2.7 times, and 3.2 times, respectively.
  • the numerical value of the pitch P2 of is shown.
  • the mode of the pitch P2 of the second convex portion 13 can be in the range of 300 nm to 800 nm, and may be in the range of 600 nm to 700 nm.
  • the mode of the pitch P1 of the first convex portion 12 may be 5 times or more the peak wavelength ⁇ a of the main light emitting component La. In this case, the efficiency of extracting the main light emitting component can be improved by the scattering action of the first convex portion 12. Further, the mode of the pitch P1 of the first convex portion 12 may be 30 times or less the peak wavelength ⁇ a of the main light emitting component La. In this case, the efficiency of extracting the main light emitting component can be further improved.
  • the adjacent first convex portions 12 may be in contact with each other.
  • the Fresnel reflection by the flat portion 14 can be reduced, and the extraction efficiency of the main light emitting component La can be further improved.
  • the group III nitride semiconductor layer that emits fluorescence may have a multiple quantum well structure 15C in which well layers 151 and barrier layers 152 are alternately laminated.
  • the fractal structure is particularly useful because a large amount of deep-level emission is generated from the lattice defects contained in the barrier layer 152.
  • the fluorescent element 10 may be provided between the multiple quantum well structure 15C and the substrate 11 and may include a second buffer layer 15B mainly containing a group III nitride semiconductor.
  • the fractal structure is particularly useful because a large amount of deep-level light emission is generated from the lattice defects contained in the second buffer layer 15B.
  • the present inventor produced the fluorescent device of the present embodiment and the comparative example in order to confirm the above effect.
  • the second main surface 11b is roughened by precision blasting instead of the fractal structure (surface roughness Ra is 1.0 ⁇ m or close to it), and other of the comparative examples.
  • the configuration was the same as that of the present embodiment.
  • FIG. 9 shows the integrated luminance ratio (La / Lb) of the deep level light emitting component Lb to the main light emitting component La in the fluorescent elements of the present embodiment and the comparative example. As shown in FIG. 9, the ratio of the deep level light emitting component Lb to the main light emitting component La is reduced to 8.5% in this embodiment as compared with 9.2% in the comparative example.
  • the integrated brightness of the fluorescent element of the present embodiment was 143% of the integrated brightness of the fluorescent element of the comparative example. That is, according to the present embodiment, it is possible to reduce the light intensity of the deep level light emitting component Lb while maintaining the light intensity of the main light emitting component La.
  • the substrate 11 is introduced into the growth chamber of the Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) apparatus, and heat-treated at 1100 ° C. for 10 minutes in a hydrogen atmosphere to clean the first main surface 11a. To become. Then, the temperature of the substrate 11 is lowered to 500 ° C., the first buffer layer 15A is deposited, and then the temperature of the substrate 11 is raised to 1100 ° C., and the second buffer layer 15B is epitaxially grown. Then, the temperature of the substrate 11 is lowered to 800 ° C., and the In x Ga 1-x N / GaN multiple quantum well structure 15C is epitaxially grown.
  • MOVPE Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy
  • the composition x is in the range of 0.1 to 0.2, which is 0.15 in this embodiment, but it is sufficient if the band gap of the well layer 151 is smaller than the band gap of the barrier layer 152, and the composition ratio is in the above range. Not limited to. Then, the substrate 11 is moved into the vapor deposition apparatus, and the conductive layer 18 is formed on the multiple quantum well structure 15C.
  • trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 : TMGa) is used as the Ga source
  • trimethylindium (In (CH 3 ) 3 : TMIn) is used as the In source
  • ammonia (NH 3 ) is used as the N source
  • carriers are used.
  • Hydrogen gas (H 2 ) or nitrogen gas (N 2 ) can be used as the gas
  • monosilane (SiH 4 ) can be used as the Si source.
  • organometallic raw materials eg, triethylgallium (Ga (C 2 H 5 ) 3 : TEIn), triethyl indium (In (C 2 H 5 ) 3 : TEIn), etc.
  • other hydrides eg, disilane). (Si 2 H 4 ) etc.
  • MOVPE device is used in the above-mentioned example, a hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) device or a molecular beam epitaxy (MBE) device may be used.
  • each growth temperature is not limited to the above-mentioned temperature.
  • a protective film is formed on the conductive layer 18 to protect the first buffer layer 15A, the second buffer layer 15B, the multiple quantum well structure 15C, and the conductive layer 18.
  • the fractal structure described above is formed on the second main surface 11b of the substrate 11.
  • the fractal structure including the first convex portion 12 and the second convex portion 13 can be formed by using, for example, the methods described in Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5. One of the methods for forming a fractal structure will be described below.
  • large-diameter particles for forming the first convex portion 12 are developed on the second main surface 11b, and a single particle film of the large-diameter particles is formed on the second main surface 11b.
  • the average particle size of the large-diameter particles is substantially equal to the average diameter of the contour of the first convex portion 12 seen from the normal direction of the second main surface 11b.
  • the density of the large-diameter particles in the single particle film is determined based on the pitch P1 of the first convex portion 12 on the second main surface 11b.
  • the Langmuir-Brojet method (LB method), the particle adsorption method, or the binder layer fixing method is used.
  • LB method a dispersion liquid in which large-diameter particles SL are dispersed in a solvent having a specific gravity lower than that of water is dropped onto the water surface W.
  • a single particle film FL composed of large-diameter particles SL is formed on the water surface W.
  • the single particle film FL formed on the water surface W is transferred to the second main surface 11b of the substrate 11 while maintaining the single layer state.
  • the hydrophobic second main surface 11b and the main surface of the single particle film FL are kept substantially parallel, and the second main surface 11b is made into the single particle film FL from above the single particle film FL. Make contact. Then, the single particle film FL is transferred to the substrate 11 by the affinity between the hydrophobic single particle film FL and the second main surface 11b which also has hydrophobicity.
  • the substrate 11 is placed in water in advance before the single particle film FL is formed, the second main surface 11b and the water surface W are made substantially parallel, and after the single particle film FL is formed on the water surface W, the water surface W is formed. Gradually lower to transfer the single particle film FL to the second main surface 11b.
  • FIG. 10B shows a state in which the single particle film FL is transferred to both sides of the substrate 11, the single particle film FL may be transferred to at least the second main surface 11b.
  • FIG. 10 (c) is an enlarged view showing the single particle film FL arranged on the second main surface 11b.
  • a fixing process for fixing the single particle film FL to the second main surface 11b may be performed.
  • a method of fixing the single particle film FL to the second main surface 11b a method of joining the large-diameter particles SL and the second main surface 11b with a binder, or a method of fusing the large-diameter particles SL to the second main surface 11b.
  • the sintering method is used.
  • the substrate 11 is first immersed in a suspension of colloidal particles.
  • the particles of the second layer and above are removed so that only the particle layer of the first layer electrostatically bonded to the second main surface 11b remains.
  • a single particle film is formed on the second main surface 11b.
  • the binder layer fixing method a binder layer is first formed on the second main surface 11b, and a dispersion liquid of particles is applied on the binder layer.
  • the binder layer is softened by heating. As a result, only the particle layer of the first layer is embedded in the binder layer, and the particles of the second layer and above are washed off. As a result, a single particle film is formed on the second main surface 11b.
  • the binder a metallic alkoxysilane, a general organic binder, an inorganic binder, or the like is used.
  • the large-diameter particle SL is at least one of organic particles, organic-inorganic composite particles, and inorganic particles.
  • the material for forming the organic particles is, for example, at least one of a thermoplastic resin such as polystyrene and PMMA, a thermosetting resin such as a phenol resin and an epoxy resin, and diamond, graphite and fullerene.
  • the material forming the organic-inorganic composite particles is, for example, at least one of SiC and boron carbide.
  • the material forming the inorganic particles is, for example, at least one of an inorganic oxide, an inorganic nitride, an inorganic boride, an inorganic sulfide, an inorganic selenium, a metal compound, and a metal.
  • the inorganic oxide is, for example, at least one of silica, alumina, zirconia, titania, ceria, zinc oxide, tin oxide, and yttrium aluminum garnet (YAG).
  • the inorganic nitride is, for example, at least one of silicon nitride, aluminum nitride, and boron nitride.
  • the inorganic boride is, for example, at least one of ZrB 2 and CrB 2.
  • the inorganic sulfide is, for example, at least one of zinc sulfide, calcium sulfide, cadmium sulfide, and strontium sulfide.
  • the inorganic selenium is, for example, at least one of zinc selenide and cadmium selenide.
  • the metal particles are particles containing at least one of Si, Ni, W, Ta, Cr, Ti, Mg, Ca, Al, Au, Ag, and Zn.
  • etching is performed on the second main surface 11b on which the single particle film FL is arranged.
  • etching may be performed under the condition that both the large-diameter particle SL and the substrate 11 are etched.
  • the large-diameter constituting the single particle film FL is formed under the etching condition that the substrate 11 is not substantially etched.
  • Etch the particle SL is realized by appropriately selecting the etching gas used for reactive etching.
  • the substrate 11 is sapphire and the large-diameter particle SL is silica, among CF 4 , SF 6 , CHF 3 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , CH 2 F 2 , and NF 3 .
  • One or more gases may be used as the etching gas.
  • the etching gas is not limited to these, and is appropriately selected depending on the material of the particles constituting the single particle film FL.
  • the second main surface 11b is etched using the reduced diameter large-diameter particles SL as a mask.
  • the second main surface 11b is exposed to etching gas plasma (ions, radicals, gas, etc.) through the voids between the large-diameter particles SL adjacent to each other, and the large-diameter particles SL constituting the single particle film FL are also exposed. It is also exposed to etching gas plasma.
  • etching gas plasma ions, radicals, gas, etc.
  • the etching rate of the second main surface 11b may be higher than the etching rate of the large-diameter particles SL.
  • Such etching conditions are realized by appropriately selecting the etching gas used for reactive etching.
  • the etching gas used for reactive etching For example, when the substrate 11 is sapphire and the large-diameter particles SL are silica, at least one of Cl 2 , BCl 3 , SiC 4 , HBr, HI, HCl, and Ar may be used as the etching gas.
  • the etching gas used for etching the second main surface 11b is not limited to these, and is appropriately selected depending on the material forming the substrate 11.
  • a prototype convex portion 16 having a hemispherical shape having a portion facing the center of the large-diameter particle SL as an apex is formed on the second main surface 11b.
  • the prototype convex portion 16 is a prototype of the first convex portion 12.
  • the pitch of the prototype convex portion 16 is equivalent to the pitch of the large-diameter particles SL adjacent to each other in the single particle film FL, and the arrangement of the prototype convex portions 16 is also the same as the arrangement of the large-diameter particles SL.
  • the small-diameter particle SS for forming the second convex portion 13 is developed on the second main surface 11b, and the single particle film FS of the small-diameter particle SS is formed into the prototype convex portion. It is formed on the second main surface 11b including the surface of 16.
  • the average particle size of the small-diameter particles SS is smaller than the average particle size of the large-diameter particles SL, and is substantially equal to the average diameter of the contour of the second convex portion 13. Further, the density of the small-diameter particles SS in the single particle film FS is determined based on the pitch P2 of the second convex portion 13.
  • any one of those exemplified as the constituent material of the large-diameter particle SL is used.
  • the formation of the single particle film FS is performed by using any of the above-exemplified methods for forming the single particle film FL.
  • etching using the single particle film FS is performed in the same manner as in the previous etching step using the single particle film FL. That is, first, the small-diameter particles SS are etched under the etching conditions in which the substrate 11 is not substantially etched, and the particle size of the small-diameter particles SS is reduced.
  • the second main surface 11b including the surface of the prototype convex portion 16 is etched using the reduced-diameter small-diameter particles SS as a mask.
  • the first convex portion 12 having a shape following the shape of the prototype convex portion 16 and the second convex portion 12 located at the portion facing the small-diameter particle SS and having a cone shape.
  • a protrusion 13 is formed (see FIG. 2).
  • the second main surface 11b Etching may be stopped, and then the single particle film FL may be removed from the second main surface 11b before proceeding to the step of forming the single particle film FS.
  • the etching of the second main surface 11b is performed. May be stopped and subsequently the single particle film FS may be removed from the second main surface 11b.
  • the protective film on the conductive layer 18 is removed.
  • a first etching mask pattern including a plurality of first etching masks for forming individual second convex portions 13 is formed on the second main surface 11b. Then, by performing dry etching on the second main surface 11b via the first etching mask pattern, a plurality of second convex portions 13 are formed on the second main surface 11b. After that, a second etching mask including a plurality of second etching masks for forming individual first convex portions 12 on the second main surface 11b and covering at least two second convex portions 13. Form a pattern. Then, by performing dry etching on the second main surface 11b via the second etching mask pattern, a plurality of first convex portions 12 are formed on the second main surface 11b.
  • the fractal structure may be formed by using the following method.
  • a first etching mask pattern including a plurality of first etching masks for forming individual second convex portions 13 is formed on the second main surface 11b.
  • a thermosetting coating material is applied onto the first etching mask pattern, and the thermosetting coating material is cured by heat treatment.
  • a second etching mask pattern is formed on the cured product, which is an etching mask for forming each first convex portion 12 and includes a plurality of second etching masks covering at least two first etching masks. do.
  • the plurality of first convex portions 12 and A plurality of second convex portions 13 are formed on the second main surface 11b.
  • thermosetting coating material examples include a coating material containing a thermosetting component, a coating material containing a resin component and a solvent, and the like.
  • a coating material containing a thermosetting component When a coating material containing a thermosetting component is applied and heat-treated, the thermosetting component reacts (for example, polymerizes) and cures.
  • a coating material containing a resin component and a solvent When a coating material containing a resin component and a solvent is applied and heat-treated, the solvent is removed and the mixture is cured.
  • the coating material containing a thermosetting component may contain a solvent.
  • an inorganic thermosetting component and an organic thermosetting component can be appropriately selected and used.
  • a silane-based alkoxide, a titane-based alkoxide, an aluminum-based alkoxide, and hydrolysis thereof can be used.
  • examples thereof include a group of alkoxide-based compounds such as substances and a group of silicone resin-based compounds.
  • the resin component include vinyl resin, polystyrene resin, polypropylene resin, polyacetal resin, acrylic resin, cellulose acetate resin, polycarbonate resin, polyethylene terephthalate resin, polyamide resin, polyurethane resin, and the like.
  • a fluororesin is mentioned.
  • FIG. 12 is a schematic view showing a cross-sectional configuration of the fluorescent element 10A according to the first modification of the present disclosure.
  • the difference between this modification and the above embodiment is the position of the fractal structure. That is, in the fluorescent element 10A of this modification, the second main surface 11b of the substrate 11 does not have a fractal structure and is flat, and the first main surface 11a has a fractal structure.
  • the fractal structure of the above embodiment is not limited to the second main surface 11b, which is the light output surface, but the second main surface 11b and the group III nitride semiconductor layer that emits fluorescence (multiple quantum well structure 15C in the above embodiment).
  • the effect of the above-described embodiment can also be obtained by providing the interface between the above and the above.
  • the interface existing between the second main surface 11b and the group III nitride semiconductor layer includes the first main surface 11a and the interface between the semiconductor layers laminated on the first main surface 11a.
  • the fractal structure is not limited to one surface, and may be provided on a plurality of surfaces (for example, the first main surface 11a and the second main surface 11b).
  • the fractal structure may have a flat portion 14 as shown in FIG.
  • the crystal growth of the semiconductor laminated portion 15 can be satisfactorily performed, and the crystal defects contained in the multiple quantum well structure 15C can be reduced.
  • FIG. 13 is a diagram showing a specific example of the pitch P2 of the second convex portion 13 according to the wavelength of the light transmitted through the fractal structure when the first main surface 11a has a fractal structure.
  • 13 shows, as in FIG. 8, 1.5 times, 2.7 times, and 3.2 times the optical wavelength in each case where the vacuum wavelengths of the light transmitted through the fractal structure are 380 nm, 420 nm, and 460 nm.
  • the numerical value of the pitch P2 when it is doubled is shown.
  • the case where the first buffer layer 15A in contact with the first main surface 11a is made of GaN is shown.
  • the refractive index of GaN was set to 2.57. According to FIG.
  • the mode of the pitch P2 of the second convex portion 13 of the fractal structure provided on the first main surface 11a may be in the range of 200 nm to 600 nm, and may be in the range of 400 nm to 500 nm. It turns out that it may be.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the electron beam detector 20 according to the second embodiment, and shows a cross section along the thickness direction.
  • the electron beam detector 20 includes the fluorescence element 10 of the first embodiment, an insulating optical member (optical guide member) 22, and a photodetector 30.
  • the optical member 22 is a light transmitting member having an insulating property, and is interposed between the fluorescent element 10 and the photodetector 30 to integrate the fluorescent element 10 and the photodetector 30.
  • the second main surface 11b of the substrate 11 of the fluorescent element 10 and the light incident surface 30a of the photodetector 30 are optically coupled to each other via an optical member 22.
  • the optical member 22 may be a light guide such as a fiber optic plate (FOP), or may be a lens that collects the light generated in the fluorescent element 10 on the light incident surface 30a.
  • FOP fiber optic plate
  • a light-transmitting adhesive layer AD2 is interposed between the optical member 22 and the photodetector 30, and the relative position between the optical member 22 and the photodetector 30 is fixed by the adhesive layer AD2. ..
  • the adhesive layer AD2 mainly contains, for example, a light-transmitting resin.
  • the adhesive layer AD1 is interposed between the second main surface 11b of the substrate 11 of the fluorescent element 10 and the optical member 22.
  • the adhesive layer AD1 includes a SiN layer ADa provided on the second main surface 11b and a SiO 2 layer ADb provided on the SiN layer ADa.
  • the second main surface 11b and the SiN layer ADa are in contact with each other, and the SiN layer ADa and the SiO 2 layer ADb are in contact with each other.
  • the SiO 2 layer ADb and the optical member 22 are fused to each other. Since both the SiO 2 layer ADb and the optical member 22 are silicified oxides, they can be fused by heating.
  • the SiO 2 layer ADb is formed on the SiN layer ADa by using a sputtering method or the like, the bonding force between the SiN layer ADa and the SiO 2 layer ADb is extremely high.
  • the SiN layer ADa is also formed on the second main surface 11b of the substrate 11 by a sputtering method or the like, the bonding force between the SiN layer ADa and the substrate 11 is extremely high. Therefore, the substrate 11 and the optical member 22 are firmly bonded to each other via the adhesive layer AD1.
  • the light generated in the multiple quantum well structure 15C in response to the input of electrons passes through the adhesive layer AD1, the optical member 22, and the adhesive layer AD2 in order to detect light. It reaches the light incident surface 30a of the vessel 30.
  • the light incident surface 30a of the photodetector 30 is on the opposite side of the electron input surface 10a in the multiple quantum well structure 15C via the substrate 11, the adhesive layer AD1, the optical member 22, and the adhesive layer AD2. It is optically coupled to the surface.
  • the photodetector 30 has sensitivity to the main emission component La of fluorescence emitted by the multiple quantum well structure 15C.
  • the photodetector 30 is, for example, a photomultiplier tube. In this case, the photodetector 30 includes a vacuum container 31.
  • the vacuum vessel 31 includes a metal side tube 31a, a light incident window (face plate) 31b that closes the opening at the top of the side tube 31a, and a stem plate 31c that closes the opening at the bottom of the side tube 31a. Will be done. Inside the vacuum vessel 31, a photocathode 32 formed on the inner surface of the light incident window 31b and an electrode portion 33 including an electron multiplier portion and an anode are arranged.
  • the electron multiplier includes, for example, a microchannel plate or a mesh-shaped dynode.
  • the light incident surface 30a is the outer surface of the light incident window 31b, and the light incident on the light incident surface 30a passes through the light incident window 31b and is incident on the photocathode 32.
  • the photocathode 32 performs photoelectric conversion in response to the incident of light, and emits the generated photoelectrons into the internal space of the vacuum vessel 31.
  • the photoelectrons are multiplied by the electron multiplier of the electrode section 33.
  • the multiplied electrons are collected at the anode of the electrode unit 33.
  • the electrons collected at the anode of the electrode portion 33 are taken out of the photodetector 30 via any one of the plurality of pins 31p penetrating the stem plate 31c.
  • a predetermined potential is applied to the electron multiplier portion of the electrode portion 33 via another pin 31p.
  • the potential of the metal side tube 31a is 0V, and the photocathode 32 is electrically connected to the side tube 31a.
  • the electron beam detector 20 of the present embodiment described above includes the fluorescent element 10 of the first embodiment. Therefore, the fluorescence deep-level emission component Lb output from the fluorescence element 10 can be relatively reduced with respect to the main emission component La to detect the fluorescence. Further, by interposing the insulating optical member 22 between the fluorescent element 10 and the photodetector 30, the photodetector 30 can be operated stably regardless of the voltage applied to the fluorescent element 10.
  • the electron beam detector 20 of the present embodiment may include the fluorescent element 10A of the first modification instead of the fluorescent element 10 of the first embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram schematically showing the configuration of the SEM 40 according to the third embodiment.
  • the SEM 40 performs calculations according to a program, an SEM main body 41 that acquires an image of an object to be inspected, a control unit 42 that controls the entire object, a storage unit 43 that stores the acquired image or the like in a magnetic disk, a semiconductor memory, or the like.
  • a calculation unit 44 for performing the operation is provided.
  • the SEM main body 41 has a movable stage 46 on which the sample wafer 45 is mounted, an electron source 47 that irradiates the sample wafer 45 with the electron beam EB1, and a plurality of detecting secondary electrons and backscattered electrons generated from the sample wafer 45 (3 in the figure).
  • the electron beam detector 20 is provided.
  • the configuration of the electron beam detector 20 is the same as that of the second embodiment.
  • the SEM main body 41 includes an electronic lens (not shown) for converging the electron beam EB1 on the sample wafer 45, a deflector for scanning the electron beam EB1 on the sample wafer 45 (not shown), and each.
  • An image generation unit 48 or the like that digitally converts a signal from the electron beam detector 20 to generate a digital image is provided.
  • the movable stage 46 Of the movable stage 46, the electron source 47, and the electron beam detector 20, at least the fluorescent element 10, the electron lens, and the deflector are housed in the vacuum chamber 50.
  • the image generator 48 and each electron beam detector 20 are electrically connected to each other via wiring.
  • the image generation unit 48, the control unit 42, the storage unit 43, and the calculation unit 44 are electrically connected to each other via the data bus 49.
  • the electron beam detector 20 converts the electron beam EB2 into an electric signal, and the electric signal is output from the pin 31p (see FIG. 14) according to the amount of current of the electron beam EB2.
  • the control unit 42 has a function of controlling the transfer of the sample wafer 45, a function of controlling the movable stage 46, a function of controlling the irradiation position of the electron beam EB1, and a function of controlling scanning of the electron beam EB1.
  • the storage unit 43 has an area for storing acquired image data and an area for storing imaging conditions (for example, acceleration voltage).
  • the calculation unit 44 has a function of calculating the dimensions (groove width, etc.) of the component based on the shading (contrast) in the image data.
  • the control unit 42 and the arithmetic unit 44 may be configured as hardware designed to realize each function, or may be implemented as software and use a general-purpose arithmetic unit (for example, CPU, GPU, etc.). May be configured to be executed.
  • the SEM 40 according to the present embodiment includes the fluorescent element 10 of the first embodiment.
  • the deep level emission component Lb of the fluorescence output from the fluorescence element 10 can be relatively reduced with respect to the main emission component La, and the fluorescence can be detected. Therefore, the strength of the afterimage (ghost) can be reduced, a clearer scanning electron microscope image can be obtained, and the resolution can be improved.
  • the electron beam detector 20 of the second embodiment can be used for a mass spectrometer.
  • FIG. 16 is a schematic explanatory view of a main part of the mass spectrometer.
  • This mass spectrometer includes the electron beam detector 20 of the second embodiment.
  • a reference potential is given to the aperture AP, for example.
  • a negative potential is applied to the first dynode DY1 located on the opposite side of the separation portion AZ with respect to the aperture AP.
  • the positive ions located in the separation portion AZ pass through the aperture AP and collide with the first dynode DY1.
  • secondary electrons are emitted from the surface of the first dynode DY1 with the collision of positive ions.
  • the secondary electrons are guided to the electron beam detector 20 as the electron beam e3.
  • an electric signal is output from the electron beam detector 20 through the pin 31p.
  • a positive potential is given to the second dynode DY2, and when a negative ion is extracted from the separation portion AZ, this negative ion collides with the second dynode DY2.
  • secondary electrons are emitted from the surface of the second dynode DY2 with the collision of negative ions.
  • the secondary electrons are guided to the electron beam detector 20 as the electron beam e3.
  • an electric signal is output from the electron beam detector 20 through the pin 31p.
  • the separation part AZ is a flight tube
  • the time required for the ions to pass inside the flight tube differs depending on the mass of the ions.
  • the arrival time of the ions to the dynode DY1 or DY2 depends on the mass, and therefore, by monitoring the time change of the current value output from the pin 31p, the mass of each ion can be found. That is, this current value indicates the amount of ions of each mass for each time.
  • the separation unit AZ changes the flight trajectory of each ion according to the mass due to the magnetic field
  • the ions passing through the aperture AP differ depending on the mass by changing the magnetic flux density of the separation unit AZ, therefore.
  • the mass of each ion can be found. That is, if the magnetic flux density is swept or the position of the aperture AP is scanned, this current value indicates the amount of ions of each mass for each hour.
  • the mass spectrometer is generated from a vacuum chamber (not shown) in which at least the fluorescent element 10 of the electron beam detector 20 is arranged and a sample (not shown) in the vacuum chamber. It includes a separation unit AZ that separates ions spatially or temporally according to their mass, and dynodes DY1 and DY2 that are irradiated with the ions separated by the separation unit AZ.
  • the electron beam e3 generated from the dynodes DY1 and DY2 is guided to the electron beam detector 20, and the mass spectrometry of the sample is performed from the output of the electron beam detector 20.
  • the deep-level emission component Lb of fluorescence output from the fluorescence element 10 is relatively reduced with respect to the main emission component La.
  • the fluorescence can be detected. Therefore, it is possible to improve the mass resolution.
  • the fluorescent device according to the present disclosure is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various other modifications are possible.
  • the composition, dopant concentration, and thickness of the well layer 151 and the barrier layer 152 constituting the multiple quantum well structure 15C are not limited to the above-mentioned examples.
  • an example in which the first buffer layer 15A and the second buffer layer 15B are used as a GaN layer is shown, but it contains at least one or more of In, Al, and Ga as a group III element, and is a main group V element. Any other composition may be applied as long as it is a nitride semiconductor that contains N and has light transmittance with respect to the emission wavelength of the multiple quantum well structure 15C.
  • the well layer 151 and barrier layer 152 of multiple quantum well structure 15C may be constituted by In x Al y Ga 1-xy N (0 ⁇ x ⁇ 1,0 ⁇ y ⁇ 1,0 ⁇ x + y ⁇ 1). Therefore, in addition to the above-mentioned combination of InGaN / GaN, for example, combinations of InGaN / AlGaN, InGaN / InGaN, GaN / AlGaN and the like are possible.
  • 10A ... fluorescent element 10a ... electron input surface, 11 ... substrate, 11a ... first main surface, 11b ... second main surface, 12 ... first convex portion, 13 ... second convex portion, 14 ... flat portion, 15 ... semiconductor laminated portion, 15A ... first buffer layer, 15B ... second buffer layer, 15C ... multiplex quantum well structure, 16 ... prototype convex portion, 18 ... conductive layer, 20 ... electron beam detector, 22 ... optical member, 30 ... Photodetector, 30a ... Light incident surface, 31 ... Vacuum container, 31a ... Side tube, 31b ... Optical incident window, 31c ... Stem plate, 31p ... Pin, 32 ... Photocathode, 33 ...

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Abstract

第１主面、及び前記第１主面と対向する第２主面を有する基板と、前記基板の前記第１主面上に設けられ、電子の入射により蛍光を発するＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備え、前記蛍光は、前記基板の前記第１主面及び前記第２主面を通過して出力され、前記蛍光は、主発光成分と、前記主発光成分より長波長かつ長寿命のディープレベル発光成分とを含み、前記第２主面と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との間に存在する前記第１主面を含む一又は複数の界面及び前記第２主面のうち少なくとも一つの面がフラクタル構造を有し、前記フラクタル構造は、複数の第１凸部と、各第１凸部の表面に形成された複数の第２凸部とを含み、前記フラクタル構造の前記第２凸部のピッチの最頻値は、前記第１凸部のピッチの最頻値より小さく、前記主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の３．２倍以下である、蛍光素子。

Description

蛍光素子
　本開示は、蛍光素子に関する。
　特許文献１には、入射する電子を蛍光に変換する発光体に関する技術が開示されている。この発光体は、蛍光に対して透明な基板と、基板の一方の面に形成された窒化物半導体層とを備える。窒化物半導体層は、電子の入射により蛍光を発する量子井戸構造を有する。
　特許文献２には、荷電粒子線装置に関する技術が開示されている。この装置は、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器を備える。検出器は、基板と、該基板上に形成され、Ｇａ1-x-yＡｌxＩｎyＮ（但し０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）を含む材料により構成される発光層とを備える。基板の発光層と対向する面には、光取り出し効率を高めるための複数の突起が形成されている。
　特許文献３、４及び５には、半導体発光素子用基板に関する技術が開示されている。この半導体発光素子用基板は、半導体層を含む発光構造体が形成される発光構造体形成面を有する。発光構造体形成面は、１つの結晶面に沿って広がる平坦部と、平坦部から突き出た複数の大径凸部と、大径凸部よりも小さい複数の小径凸部と、を備える。複数の小径凸部のうちの少なくとも一部は、大径凸部の外表面から突出している。
　特許文献６には、半導体発光素子に関する技術が開示されている。この半導体発光素子は、発光層を含む半導体積層部と、回折面とを備える。回折面には、発光層から発せられる光が入射する。回折面には、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成されている。回折面は、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで反射するとともに、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで透過する。
　非特許文献１には、サファイア基板上にＧａＮ系半導体を成長してなるＬＥＤのサファイア基板の半導体成長面に、フラクタル構造を形成したことが開示されている。このフラクタル構造により光出力強度が増したことが報告されている。
特開２００５－２９８６０３号公報 特開２０１５－２３０１９５号公報 国際公開第２０１５／０５３３６３号 特開２０１９－１６５２６１号公報 国際公開第２０２０／０５４７９２号 特開２０１３－４２１６２号公報
大紘太郎他、「フラクタル構造付きサファイア基板によるＬＥＤの光取り出し効率の改善」、第６１回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集、２０１４年
　入力した電子線の電流量に応じた光強度を有する蛍光を出力する蛍光素子は、電子線検出器などに多く用いられている。電子線検出器では、蛍光素子から出力される蛍光の強度を電気信号に変換することにより、電子線の電流量を測定する。このような電子線検出器は、例えば走査型電子顕微鏡などの装置に用いられ得る。蛍光素子は、入力した電子線を蛍光に変換するための半導体層を備える。半導体層は、例えばＩＩＩ族窒化物半導体層である。
　半導体から出力される蛍光には、主発光成分と、主発光成分より長波長のディープレベル発光成分とが含まれる。ディープレベル発光成分は、主発光成分の発光のエネルギー準位よりも深いエネルギー準位（Deep-level）からの発光であり、その蛍光寿命は主発光成分の蛍光寿命よりも長い。これにより、例えば走査型電子顕微鏡などにおいて、走査により得られる信号に走査タイミングが異なる成分が混在し、得られる画像に残像（ゴースト）が生じてしまう。したがって、蛍光素子から出力される蛍光に含まれるディープレベル発光成分を、主発光成分に対して相対的に低減することが望まれる。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体では結晶成長が難しく格子欠陥が比較的多く生じるので、このようなディープレベル発光成分が大きくなり易い。故に、半導体層がＩＩＩ族窒化物半導体層である場合、上記の問題は特に顕著となる。
　そこで、本開示は、蛍光に含まれるディープレベル発光成分を主発光成分に対して相対的に低減することが可能な蛍光素子を提供することを目的とする。
　一実施形態に係る蛍光素子は、第１主面、及び第１主面と対向する第２主面を有する基板と、基板の第１主面上に設けられ、電子の入射により蛍光を発するＩＩＩ族窒化物半導体層と、を備える。蛍光は、基板の第１主面及び第２主面を通過して出力される。蛍光は、主発光成分と、主発光成分より長波長かつ長寿命のディープレベル発光成分とを含む。第２主面とＩＩＩ族窒化物半導体層との間に存在する第１主面を含む一又は複数の界面及び第２主面のうち少なくとも一つの面は、フラクタル構造を有する。フラクタル構造は、複数の第１凸部と、各第１凸部の表面に形成された複数の第２凸部とを含む。フラクタル構造の第２凸部のピッチの最頻値は、第１凸部のピッチの最頻値より小さく、主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の３．２倍以下である。
　本発明者は、複数の第１凸部と、各第１凸部の表面に形成され、第１凸部のピッチ（中心間隔）より小さいピッチを有する複数の第２凸部とを含むフラクタル構造が、或る特定の波長成分を他の波長成分に対して選択的に低減する作用を有することを見出した。すなわち、第２凸部のピッチの最頻値を適切に設定することにより、２つの波長成分の光透過率を互いに異ならせることができる。ＩＩＩ族窒化物半導体が発する蛍光の場合、ディープレベル発光成分を主発光成分に対して低減するためには、第２凸部のピッチの最頻値を、主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の３．２倍以下とするとよい。上記の蛍光素子は、このようなフラクタル構造を、第２主面とＩＩＩ族窒化物半導体層との間に存在する第１主面を含む一又は複数の界面及び第２主面のうち少なくとも一つの面、すなわち蛍光が通過する面に有する。したがって、蛍光素子から取り出される蛍光に含まれるディープレベル発光成分を、主発光成分に対して相対的に低減することができる。
　上記の蛍光素子において、フラクタル構造の第２凸部のピッチの最頻値は、主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の１．５倍以上であってもよい。この場合、フラクタル構造における主発光成分の光透過率の低下を抑制できる。
　上記の蛍光素子において、フラクタル構造の第１凸部のピッチの最頻値は、主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の５倍以上であってもよい。この場合、第１凸部１２による回折作用によって主発光成分Ｌａの取り出し効率を高めることができる。
　上記の蛍光素子において、主発光成分のピーク波長におけるフラクタル構造の光透過率は、ディープレベル発光成分のピーク波長におけるフラクタル構造の光透過率よりも大きくてもよい。
　上記の蛍光素子において、少なくとも第２主面がフラクタル構造を有し、第２主面のフラクタル構造において、隣り合う第１凸部同士が接していてもよい。この場合、第１凸部間の平坦部の面積が低減するので平坦部によるフレネル反射を低減し、主発光成分の取り出し効率を更に高めることができる。
　上記の蛍光素子において、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、井戸層及び障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有してもよい。この場合、障壁層に含まれる格子欠陥からディープレベル発光が多く生じるので、上述したフラクタル構造が特に有用である。
　上記の蛍光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記基板との間に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体を主に含むバッファ層を更に備えてもよい。この場合、バッファ層に含まれる格子欠陥からディープレベル発光が多く生じるので、上述したフラクタル構造が特に有用である。
　本開示によれば、蛍光に含まれるディープレベル発光成分を主発光成分に対して相対的に低減することが可能な蛍光素子を提供することが可能となる。
第１実施形態に係る蛍光素子の断面構成を示す模式図である。 第２主面のフラクタル構造を拡大して示す断面図である。 第２主面のフラクタル構造を拡大して示す平面図である。 フラクタル構造のＳＥＭ写真である。 第２主面のフラクタル構造を拡大して示す断面図である。 多重量子井戸構造から出力される蛍光のスペクトルの典型例を示す図である。 周期的に配列された凸部のピッチ（配列周期）と透過光の光学波長との比と、フラクタル構造を透過した後の、平面に対する透過光の輝度との関係を示すグラフである。 フラクタル構造を透過する光の波長に応じた、第２凸部のピッチの具体例を示す図表である。 主発光成分に対するディープレベル発光成分の積算輝度比を示している。 （ａ），（ｂ），（ｃ）フラクタル構造の形成方法を示す図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）フラクタル構造の形成方法を示す図である。 第１変形例に係る蛍光素子の断面構成を示す模式図である。 第１主面がフラクタル構造を有する場合における、フラクタル構造を透過する光の波長に応じた第２凸部のピッチの具体例を示す図表である。 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。 第３実施形態に係るＳＥＭの構成を概略的に示す図である。 第４実施形態に係る質量分析装置の主要部の概略説明図である。
　以下、本開示の蛍光素子の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、以下の説明において、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、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。また、光透過性を有するとは、対象となる光を５０％以上透過する性質をいう。また、単に波長という場合は、真空中の波長を指す。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る蛍光素子１０の断面構成を示す模式図であって、厚み方向に沿った断面を示している。図１に示すように、蛍光素子１０は、基板１１と、基板１１の第１主面１１ａ上に設けられた半導体積層部１５と、半導体積層部１５上に設けられた導電層１８と、を備える。導電層１８の表面は、電子入力面１０ａを構成する。半導体積層部１５は、基板１１の第１主面１１ａ上に設けられた第１バッファ層１５Ａと、第１バッファ層１５Ａ上に設けられた第２バッファ層１５Ｂと、第２バッファ層１５Ｂ上に設けられた多重量子井戸構造１５Ｃとを含む。多重量子井戸構造１５Ｃは、入力した電子を蛍光に変換する。
　基板１１は、多重量子井戸構造１５Ｃから出力される蛍光の波長のうち特に主発光成分（後述）に対して光透過性を有する板状の部材である。基板１１の構成材料は、半導体積層部１５から出力される蛍光の主発光成分を透過し、且つ半導体積層部１５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１１はサファイア基板またはＧａＮ基板である。基板１１は、平坦な第１主面１１ａと、第１主面１１ａに対して反対側に位置する（すなわち対向する）第２主面１１ｂと、を有する。第１主面１１ａ及び第２主面１１ｂは、半導体積層部１５の積層方向と交差する（例えば直交する）平面に沿って延在している。第２主面１１ｂは、フラクタル構造（後述）を有する。多重量子井戸構造１５Ｃから出力された蛍光は、基板１１の第１主面１１ａ及び第２主面１１ｂを通過して蛍光素子１０の外部へ出力される。すなわち、第２主面１１ｂは蛍光素子１０における光出力面である。
　第１バッファ層１５Ａ及び第２バッファ層１５Ｂは、多重量子井戸構造１５Ｃと基板１１との間に設けられている。第１バッファ層１５Ａは、基板１１との格子不整合を緩和して多重量子井戸構造１５Ｃを結晶性良く成長させるための層であって、第１主面１１ａに接している。第１バッファ層１５Ａ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１５ＡはアモルファスＧａＮから成る。第１バッファ層１５Ａ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。
　第２バッファ層１５Ｂもまた、多重量子井戸構造１５Ｃを結晶性良く成長させるための層であって、ＩＩＩ族窒化物半導体（例えばＧａＮ）の結晶を主に含む。一例では、第２バッファ層１５ＢはＧａＮの結晶から成る。第２バッファ層１５Ｂは、第１バッファ層１５Ａ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１５Ｂの厚さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下であり、一実施例では２．５μｍである。図のように、第２バッファ層１５Ｂは、第１バッファ層１５Ａに接していてもよい。
　多重量子井戸構造１５Ｃは、本開示におけるＩＩＩ族窒化物半導体層の例であり、電子の入力により蛍光を発する。多重量子井戸構造１５Ｃは、第２バッファ層１５Ｂ上にエピタキシャル成長した層である。多重量子井戸構造１５Ｃは、井戸層１５１と障壁層１５２とが交互に積層された構成を有する。井戸層１５１は、電子を受けて蛍光を発する材料を含んで構成され、本実施形態ではＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の結晶を主に含む。一例では、井戸層１５１は、ＳｉをドープされたＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）の結晶から成る。Ｓｉドープ濃度は例えば２×１０18ｃｍ-3である。この場合、多重量子井戸構造１５Ｃに対し電子入力面１０ａ側から電子が入力されると、井戸層１５１は４００ｎｍ前後の波長の光を発する。すなわち、電子が多重量子井戸構造１５Ｃに入ると電子と正孔との対が形成され、これが井戸層１５１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１５Ｃを構成する複数の井戸層１５１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０．１３である。また、多重量子井戸構造１５Ｃを構成する複数の井戸層１５１の厚さは互いに等しい。各井戸層１５１の厚さは例えば０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、一実施例では１．５ｎｍである。
　障壁層１５２のバンドギャップエネルギは、井戸層１５１のバンドギャップエネルギよりも大きい。障壁層１５２の間に井戸層１５１を挟むことにより、電子を井戸層１５１に集めて効率良く蛍光に変換することができる。本実施形態では、障壁層１５２はＧａＮの結晶を主に含む。一例では、障壁層１５２は、ＳｉをドープされたＧａＮの結晶から成る。Ｓｉドープ濃度は例えば２×１０18ｃｍ-3である。なお、障壁層１５２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１５Ｃを構成する複数の障壁層１５２の組成は互いに等しい。また、多重量子井戸構造１５Ｃを構成する複数の障壁層１５２の厚さは互いに等しい。各障壁層１５２の厚さは例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、一実施例では９ｎｍである。
　第１バッファ層１５Ａ及び第２バッファ層１５Ｂのうち少なくとも一方は、必要に応じて省かれてもよい。例えば、基板１１がＧａＮ基板である場合、多重量子井戸構造１５Ｃを結晶性良く成長できるのであれば、第１バッファ層１５Ａ及び第２バッファ層１５Ｂを省き、第１主面１１ａ上に多重量子井戸構造１５Ｃを直接成長してもよい。
　導電層１８は、蛍光素子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Ａｌを主に含む。一例では、導電層１８は金属膜である。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１５Ｃにおいて発生した蛍光の一部は、多重量子井戸構造１５Ｃから直接基板１１に達し、基板１１を透過して蛍光素子１０の外部へ出力されるが、多重量子井戸構造１５Ｃにおいて発生した蛍光の残部は、多重量子井戸構造１５Ｃ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１１を透過して第２主面１１ｂから蛍光素子１０の外部へ出力される。
　ここで、第２主面１１ｂが有するフラクタル構造について詳細に説明する。図２は、第２主面１１ｂのフラクタル構造を拡大して示す断面図である。図３は、第２主面１１ｂのフラクタル構造を拡大して示す平面図である。図４は、フラクタル構造の走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）写真である。フラクタル構造は、多数の微細な凹凸から構成される凹凸構造である。微細な凹凸は、第２主面１１ｂの広がる方向に沿って繰り返されている。第２主面１１ｂが有するフラクタル構造は、多数の第１凸部１２、多数の第２凸部１３、及び平坦部１４を含んで構成されている。
　各第１凸部１２は、平坦部１４から第２主面１１ｂの法線方向に突出している。各第１凸部１２は、平坦部１４に接続する基端から先端に向かって細くなる錐体形状を有している。
　複数の第２凸部１３の一部は平坦部１４から突出している。複数の第２凸部１３の残りは、第１凸部１２の表面に形成されており、第１凸部１２の表面から突出している。各第２凸部１３は、第１凸部１２または平坦部１４に接続する基端から先端に向かって細くなる錐体形状を有している。第２主面１１ｂの法線方向から見て、第２凸部１３の輪郭の直径は、第１凸部１２の輪郭の直径よりも小さい。
　第２主面１１ｂに沿った方向における第２凸部１３のピッチ（中心間隔）Ｐ２の最頻値は、第２主面１１ｂに沿った方向における第１凸部１２のピッチＰ１の最頻値よりも小さい。第１凸部１２のピッチＰ１の最頻値は、例えば１．０μｍ以上５．０μｍ以下である。第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値は、例えば１．０μｍ未満であり、または３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、さらには６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。
　第１凸部１２のピッチＰ１の最頻値は、例えば原子間力顕微鏡イメージに基づく画像処理によって求められる。まず、第２主面１１ｂに沿った面にて任意に選択される矩形領域に対して、原子間力顕微鏡イメージが得られる。この際に、原子間力顕微鏡イメージの得られる矩形領域にて、矩形領域の一辺の長さは、ピッチＰ１の最頻値の３０倍～４０倍とされる。次に、フーリエ変換を用いた原子間力顕微鏡イメージの波形分離によって、原子間力顕微鏡イメージに基づく高速フーリエ変換像が得られる。次いで、高速フーリエ変換像における０次ピークと１次ピークとの間の距離が求められ、その距離の逆数が、１つの矩形領域におけるピッチＰ１として取り扱われる。そして、互いに異なる２５カ所以上の矩形領域についてピッチＰ１が計測され、こうして得られた計測値の平均値が、ピッチＰ１の最頻値である。なお、矩形領域同士は、少なくとも１ｍｍ離れていることができ、５ｍｍ～１０ｍｍ離れていてもよい。同様に、第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値は、第２主面１１ｂにて任意に選択される矩形領域に対して原子間力顕微鏡イメージが得られ、その原子間力顕微鏡イメージに基づいて上記と同様の画像処理が行われることによって求められる。
　第１凸部１２の平坦部１４からの高さＨ１の最頻値は、例えば１００ｎｍ以上４．０μｍ以下である。第２凸部１３におけるその第２凸部１３が接続している第１凸部１２の外表面もしくは平坦部１４からの高さＨ２の最頻値は、例えば１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。
　凸部１２，１３の各々が有する形状は、半球形状であってもよいし、円錐形状であってもよいし、角錐形状であってもよい。換言すれば、凸部１２，１３の頂点を通り、かつ、平坦部１４と垂直な平面（言い換えると、基板１１の厚さ方向に沿った平面）によって凸部１２，１３が切断された際に、その断面である垂直断面に現れる母線は、曲線であっても直線であってもよく、凸部１２，１３の頂点を頂点とする三角形と、凸部１２，１３の頂点を通る半円とによって囲まれる領域に位置すればよい。第１凸部１２と第２凸部１３との形状は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。第１凸部１２の各々が有する形状は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。第２凸部１３の各々が有する形状は、互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。
　複数の第１凸部１２は、規則的に配列されていてもよく、不規則に並んでいてもよい。複数の第２凸部１３もまた、規則的に配列されていてもよく、不規則に並んでいてもよい。また、図５に示されるように、隣り合う第１凸部１２同士が互いに接していてもよい。これと同様に、隣り合う第２凸部１３同士が互いに接していてもよい。第１凸部１２及び第２凸部１３のうち少なくとも一方が、第２主面１１ｂの法線方向から見て、２次元に最密充填されていてもよい。
　ここで、第１凸部１２のピッチＰ１、及び第２凸部１３のピッチＰ２の決定方法について詳細に説明する。図６は、多重量子井戸構造１５Ｃから出力される蛍光のスペクトルの典型例を示す図である。図６において、縦軸は光強度（最大値を１とする規格化値）を表し、横軸は波長（単位：ｎｍ）を表す。入射電子の加速電圧は例えば１２ｋＶである。図６に示されるように、多重量子井戸構造１５Ｃから出力される蛍光のスペクトルは、主発光成分Ｌａと、主発光成分Ｌａより長波長のディープレベル発光成分Ｌｂとを含む。図示例では、主発光成分Ｌａは、３８０ｎｍ～４５０ｎｍの範囲にわたって光強度を有し、その半値全幅は１５ｎｍ～２０ｎｍであり、そのピーク波長は４００ｎｍである。ディープレベル発光成分Ｌｂは、５００ｎｍ～７００ｎｍの範囲にわたって光強度を有し、そのピーク波長は５７０ｎｍである。主発光成分Ｌａの蛍光寿命は例えば１０ナノ秒以下である。
　ディープレベル発光成分Ｌｂは、主発光成分Ｌａの発光のエネルギー準位よりも深いエネルギー準位（Deep-level）からの発光であり、障壁層１５２及び第２バッファ層１５Ｂの格子欠陥等から誘発される。故に、ディープレベル発光成分Ｌｂの蛍光寿命は、主発光成分Ｌａの蛍光寿命よりも長い。これにより、例えば走査型電子顕微鏡などにおいて、走査により得られる信号に走査タイミングが異なる成分が混在し、得られる画像に残像（ゴースト）が生じてしまう。したがって、蛍光素子１０から出力される蛍光に含まれるディープレベル発光成分Ｌｂの光強度を、主発光成分Ｌａの光強度に対して相対的に低減することが望まれる。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体では結晶成長が難しく格子欠陥が比較的多く生じるので、ディープレベル発光成分Ｌｂが大きくなり易い。故に、半導体積層部１５がＩＩＩ族窒化物半導体からなる場合、上記の問題は特に顕著となる。これに対し、本発明者は、複数の第１凸部１２と、各第１凸部１２の表面に形成され、第１凸部１２のピッチＰ１より小さいピッチＰ２を有する複数の第２凸部１３とを含むフラクタル構造が、ディープレベル発光成分Ｌｂを主発光成分Ｌａに対して相対的に低減する作用を有することを見出した。
　図７は、周期的に配列された凸部の配列周期Ｐと透過光の光学波長λとの比（Ｐ／λ）と、フラクタル構造を透過した後の、平面に対する透過光の輝度との関係を示すグラフである。透過光の輝度は、配列周期がゼロ、すなわち凸部が形成されていない平坦な状態を１００として規格化されている。なお、光学波長は、真空波長λ０を、フラクタル構造を透過する直前の媒質の屈折率ｎで除算したもの（＝λ０／ｎ）として定義される。このグラフを参照すると、配列周期が光学波長λの０倍から２．７倍までの範囲Ａ１では、配列周期が大きくなるほど透過光の輝度が大きくなる。言い換えると、この範囲Ａ１では配列周期が大きくなるほどフラクタル構造の光透過率が大きくなる。そして、配列周期が光学波長λの２．７倍から４倍までの範囲Ａ２では、配列周期が大きくなるほど透過光の輝度が小さくなる。言い換えると、この範囲Ａ２では配列周期が大きくなるほどフラクタル構造の光透過率が小さくなる。配列周期が光学波長λの４倍を超える範囲Ａ３では、配列周期が大きくなるほど透過光の輝度が再び大きくなる。言い換えると、この範囲Ａ３では配列周期が大きくなるほどフラクタル構造の光透過率が再び大きくなる。
　このような現象は、例えば次のような理由に因ると考えられる。配列周期が光学波長の１倍以下である範囲においては、配列周期が大きくなるほど、光の入射角が全反射臨界角未満となる確率が高まって、フレネル反射が抑制され、光透過率が大きくなる。配列周期が光学波長λの１倍から２．７倍までの範囲においては、入射光に対する回折作用が新たに生じ、この回折作用とフレネル反射抑制作用とが重なって、配列周期が大きくなるほど光透過率が更に大きくなる。配列周期が光学波長λの２．７倍から４倍までの範囲Ａ２においては、配列周期が大きくなるほどフレネル反射抑制作用が次第に消失するので、光透過率が徐々に低下する。配列周期が光学波長λの４倍を超える範囲Ａ３においては、配列周期が大きくなるほど、光の入射角が回折条件を満たす確率が増すので、光透過率が再び大きくなる。
　このことから、周期的な凸部を有する面の波長透過特性は、或る波長において光透過率が極大となるピークＢ１と、該波長より長波長側の或る波長において光透過率が極小となるボトムＢ２とを有することがわかる。これらのピークＢ１及びボトムＢ２における各波長は、凸部の配列周期（すなわちピッチ）に依存する。図示例では、配列周期が光学波長λの２．７倍であるときにピークＢ１となり、配列周期が光学波長λの４．０倍であるときにボトムＢ２となる。したがって、蛍光素子１０が有するフラクタル構造においては、第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値と、主発光成分Ｌａのピーク波長λａ及び基板１１の屈折率から算出される光学波長λとの比（Ｐ２／λ）をピークＢ１またはその周辺に設定し、且つ、第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値と、ディープレベル発光成分Ｌｂのピーク波長λｂ及び基板１１の屈折率から算出される光学波長λとの比（Ｐ２／λ）をボトムＢ２またはその周辺に設定するとよい。また、第１凸部１２のピッチＰ１の最頻値と、主発光成分Ｌａのピーク波長λａ及び基板１１の屈折率から算出される光学波長λとの比（Ｐ１／λ）を、範囲Ａ３のできるだけ光透過率が大きい範囲内に設定するとよい。これにより、主発光成分Ｌａのピーク波長λａにおけるフラクタル構造の光透過率を、ディープレベル発光成分Ｌｂのピーク波長λｂにおけるフラクタル構造の光透過率よりも大きくすることができる。
　図６に示された蛍光スペクトルはＩＩＩ族窒化物半導体の典型例であり、井戸層１５１の組成が異なっても、ピーク波長λａは上記に近い波長となる。したがって、蛍光を発する多重量子井戸構造１５ＣがＩＩＩ族窒化物半導体層である場合、図７に基づけば、第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値が、主発光成分Ｌａのピーク波長λａ及び基板１１の屈折率から算出される光学波長λの３．２倍以下（例えば３．０倍以下、または２．７倍以下、一例では２．７倍）であれば、上記の条件を満たし、フラクタル構造における主発光成分Ｌａの光透過率に対してディープレベル発光成分Ｌｂの光透過効率を低減することができる。故に、主発光成分Ｌａの光取り出し効率に対してディープレベル発光成分Ｌｂの光取り出し効率を低減し、蛍光素子１０から出力される蛍光に含まれるディープレベル発光成分Ｌｂの光強度を主発光成分Ｌａの光強度に対して相対的に低減することができる。
　また、図７に基づけば、第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値が、主発光成分Ｌａのピーク波長λａ及び基板１１の屈折率から算出される光学波長λの１．５倍以上（例えば２．０倍以上、さらには２．５倍以上）であれば、主発光成分Ｌａの回折作用を十分に高めて光取り出し効率の低下を抑制し、上記の効果を好適に奏することができる。
　上記の条件を満たす第２凸部１３のピッチＰ２の具体例について述べる。図８は、フラクタル構造を透過する光の波長に応じた、第２凸部１３のピッチＰ２の具体例を示す図表である。図８には、フラクタル構造を透過する光の真空波長が３８０ｎｍ、４２０ｎｍ、及び４６０ｎｍである各場合において、光学波長の１．５倍、２．７倍、及び３．２倍のそれぞれとしたときのピッチＰ２の数値が示されている。なお、この例は、基板１１がサファイア基板である場合を示している。なお、サファイアの屈折率を１．７８とした。この図８によれば、第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値は３００ｎｍ～８００ｎｍの範囲内とすることができ、６００ｎｍ～７００ｎｍの範囲内であってもよい。
　また、第１凸部１２のピッチＰ１の最頻値は、主発光成分Ｌａのピーク波長λａの５倍以上であってもよい。この場合、第１凸部１２による散乱作用によって主発光成分の取り出し効率を高めることができる。また、第１凸部１２のピッチＰ１の最頻値は、主発光成分Ｌａのピーク波長λａの３０倍以下であってもよい。この場合、主発光成分の取り出し効率を更に高めることができる。
　また、図５に示されたように、第２主面１１ｂのフラクタル構造において、隣り合う第１凸部１２同士が互いに接していてもよい。この場合、平坦部１４の面積が低減されるので、平坦部１４によるフレネル反射を低減して、主発光成分Ｌａの取り出し効率を更に高めることができる。
　本実施形態のように、蛍光を発するＩＩＩ族窒化物半導体層は、井戸層１５１及び障壁層１５２が交互に積層された多重量子井戸構造１５Ｃであってもよい。この場合、障壁層１５２に含まれる格子欠陥からディープレベル発光が多く生じるので、フラクタル構造が特に有用である。
　本実施形態のように、蛍光素子１０は、多重量子井戸構造１５Ｃと基板１１との間に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体を主に含む第２バッファ層１５Ｂを備えてもよい。この場合、第２バッファ層１５Ｂに含まれる格子欠陥からディープレベル発光が多く生じるので、フラクタル構造が特に有用である。
　本発明者は、上記の効果を確かめるために、本実施形態及び比較例の蛍光素子を作製した。比較例の蛍光素子は、第２主面１１ｂにフラクタル構造に代えて精密ブラスト加工による粗面加工（表面粗さＲａは１．０μｍまたはそれに近い）を施したものであり、比較例の他の構成は本実施形態と同様とした。図９は、本実施形態及び比較例の蛍光素子における、主発光成分Ｌａに対するディープレベル発光成分Ｌｂの積算輝度比（Ｌａ／Ｌｂ）を示している。図９に示されるように、ディープレベル発光成分Ｌｂと主発光成分Ｌａとの比は、比較例の９．２％と比べて、本実施形態では８．５％まで低減されている。ゴースト画像の強さとしては、８．５／９．２＝約０．９２となり、比較例よりも８％程度抑制することができる。したがって、より明瞭なＳＥＭ像を得ることができ、ＳＥＭの分解能を向上することが可能となる。また、本実施形態の蛍光素子の積算輝度は、比較例の蛍光素子の積算輝度の１４３％であった。すなわち、本実施形態によれば、主発光成分Ｌａの光強度を維持しつつ、ディープレベル発光成分Ｌｂの光強度を低減することができる。
　ここで、蛍光素子１０の作製方法に関する一実施例について説明する。まず、基板１１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、第１主面１１ａを清浄化する。そして、基板１１の温度を５００℃まで降温し、第１バッファ層１５Ａを堆積した後、基板１１の温度を１１００℃まで昇温し、第２バッファ層１５Ｂをエピタキシャル成長させる。その後、基板１１の温度を８００℃まで降温し、ＩｎxＧａ1-xＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造１５Ｃをエピタキシャル成長させる。組成ｘは０．１～０．２の範囲となり、本実施例では０．１５であるが、井戸層１５１のバンドギャップが障壁層１５２のバンドギャップより小さければ良く、組成比に関しては上述の範囲に限定されるものではない。そして、基板１１を蒸着装置内に移して、多重量子井戸構造１５Ｃ上に導電層１８を成膜する。
　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。
　続いて、導電層１８上に保護膜を形成して、第１バッファ層１５Ａ、第２バッファ層１５Ｂ、多重量子井戸構造１５Ｃ、及び導電層１８を保護する。そして基板１１の第２主面１１ｂに上述したフラクタル構造を形成する。第１凸部１２及び第２凸部１３を含むフラクタル構造は、例えば特許文献３、特許文献４及び特許文献５に記載された方法を用いて形成することができる。フラクタル構造の形成方法の一つを以下に説明する。
　まず、第１凸部１２を形成するための大径粒子を第２主面１１ｂに展開して、大径粒子の単粒子膜を第２主面１１ｂに形成する。大径粒子の平均粒径は、第２主面１１ｂの法線方向から見た第１凸部１２の輪郭の直径の平均とほぼ等しい。また、単粒子膜における大径粒子の密度は、第２主面１１ｂにおける第１凸部１２のピッチＰ１に基づいて決定される。
　単粒子膜の形成には、ラングミュア－ブロジェット法（ＬＢ法）、粒子吸着法、またはバインダー層固定法を用いる。図１０（ａ）に示されるように、ＬＢ法では、水よりも比重が低い溶剤の中に大径粒子ＳＬが分散した分散液を水面Ｗに滴下する。次に、分散液から溶剤を揮発させることによって、大径粒子ＳＬからなる単粒子膜ＦＬを水面Ｗに形成する。そして、水面Ｗに形成された単粒子膜ＦＬを単層状態を保ちながら基板１１の第２主面１１ｂに移し取る。具体的には、例えば、疎水性を有する第２主面１１ｂと単粒子膜ＦＬの主面とを略平行に保ち、単粒子膜ＦＬの上方から、第２主面１１ｂを単粒子膜ＦＬに接触させる。そして、疎水性を有する単粒子膜ＦＬと、同じく疎水性を有する第２主面１１ｂとの親和力によって、単粒子膜ＦＬを基板１１に移し取る。あるいは、単粒子膜ＦＬが形成される前に予め基板１１を水中に配置し、第２主面１１ｂと水面Ｗとを略平行とし、単粒子膜ＦＬが水面Ｗに形成された後に、水面Ｗを徐々に下げて第２主面１１ｂに単粒子膜ＦＬを移し取る。
　或いは、図１０（ｂ）に示されるように、基板１１を立てた状態で、あらかじめ水面Ｗの下に基板１１を浸漬し、水面Ｗに単粒子膜ＦＬを形成する。そして、基板１１を立てた状態で、基板１１を徐々に上方に引き上げ、単粒子膜ＦＬを基板１１に移し取ってもよい。なお、図１０（ｂ）では、基板１１の両面に単粒子膜ＦＬを移し取る状態が示されているが、少なくとも第２主面１１ｂに単粒子膜ＦＬを移し取ればよい。図１０（ｃ）は、第２主面１１ｂに配置された単粒子膜ＦＬを拡大して示す図である。
　第２主面１１ｂに移し取られた単粒子膜ＦＬに対しては、単粒子膜ＦＬを第２主面１１ｂに固定する固定処理を行ってもよい。単粒子膜ＦＬを第２主面１１ｂに固定する方法には、バインダーによって大径粒子ＳＬと第２主面１１ｂとを接合する方法、または大径粒子ＳＬを第２主面１１ｂに融着する焼結法が用いられる。
　粒子吸着法では、まずコロイド粒子の懸濁液の中に基板１１を浸漬する。次に、第２主面１１ｂと静電気的に結合した第１層目の粒子層のみが残るように、第２層目以上の粒子を除去する。これによって、第２主面１１ｂに単粒子膜が形成される。また、バインダー層固定法では、まず第２主面１１ｂにバインダー層を形成し、バインダー層上に粒子の分散液を塗布する。次に、バインダー層を加熱によって軟化する。これにより、第１層目の粒子層のみがバインダー層の中に埋め込まれ、２層目以上の粒子は洗い落とされる。これにより、第２主面１１ｂに単粒子膜が形成される。バインダーには、金属アルコキシシランや一般の有機バインダー、無機バインダーなどが用いられる。
　大径粒子ＳＬは、有機粒子、有機無機複合粒子、及び無機粒子のうち少なくとも１つである。有機粒子を形成する材料は、例えば、ポリスチレン、ＰＭＭＡ等の熱可塑性樹脂と、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン類とのうち少なくとも１つである。有機無機複合粒子を形成する材料は、例えば、ＳｉＣ及び炭化硼素のうち少なくとも１つである。無機粒子を形成する材料は、例えば、無機酸化物、無機窒化物、無機硼化物、無機硫化物、無機セレン化物、金属化合物、及び金属のうち少なくとも１つである。
　無機酸化物は、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、酸化亜鉛、酸化スズ、及びイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）のうち少なくとも１つである。無機窒化物は、例えば、窒化珪素、窒化アルミニウム、及び窒化硼素のうち少なくとも１つである。無機硼化物は、例えば、ＺｒＢ２及びＣｒＢ２のうち少なくとも１つである。無機硫化物は、例えば、硫化亜鉛、硫化カルシウム、硫化カドミウム、及び硫化ストロンチウムのうち少なくとも１つである。無機セレン化物は、例えば、セレン化亜鉛及びセレン化カドミウムのうち少なくとも１つである。金属粒子は、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、及びＺｎのうち少なくとも１つを含む粒子である。
　続いて、単粒子膜ＦＬが配置された第２主面１１ｂに対してエッチングを行う。この工程では、大径粒子ＳＬと基板１１とが共にエッチングされる条件でエッチングを行ってもよいが、例えば、基板１１が実質的にエッチングされないエッチング条件で、単粒子膜ＦＬを構成する大径粒子ＳＬをエッチングする。このようなエッチング条件は、反応性エッチングに用いられるエッチングガスを適切に選択することにより実現される。例えば、基板１１がサファイアであり、大径粒子ＳＬがシリカである場合には、ＣＦ４、ＳＦ６、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＣＨ２Ｆ２、及びＮＦ３のうち１つ以上のガスをエッチングガスとして用いるとよい。エッチングガスは、これらに限定されず、単粒子膜ＦＬを構成する粒子の材質に応じて適宜選択される。
　続いて、図１１（ａ）に示されるように、縮径された大径粒子ＳＬをマスクとして、第２主面１１ｂをエッチングする。この際に、第２主面１１ｂは、互いに隣り合う大径粒子ＳＬの間の空隙を通じてエッチングガスプラズマ（イオン、ラジカル、ガス等）に曝され、単粒子膜ＦＬを構成する大径粒子ＳＬもまたエッチングガスプラズマに曝される。第２主面１１ｂでは、第２主面１１ｂと対向する大径粒子ＳＬの部位が、大径粒子ＳＬの中心から遠い部位であるほど、エッチングが速く進行する。そして、大径粒子ＳＬの消滅に伴って、大径粒子ＳＬの中心と対向する領域でも、エッチングが進行する。この工程では、第２主面１１ｂのエッチング速度が、大径粒子ＳＬのエッチング速度よりも大きくてもよい。このようなエッチング条件は、反応性エッチングに用いられるエッチングガスを適切に選択することにより実現される。例えば、基板１１がサファイアであり、大径粒子ＳＬがシリカである場合、Ｃｌ２、ＢＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＨＢｒ、ＨＩ、ＨＣｌ、及びＡｒのうち少なくとも１つのガスをエッチングガスとして用いるとよい。なお、第２主面１１ｂのエッチングに用いられるエッチングガスは、これらに限定されず、基板１１を形成する材料に応じて適宜選択される。
　結果として、図１１（ｂ）に示されるように、第２主面１１ｂでは、大径粒子ＳＬの中心と対向していた部分を頂点とした半球形状を有する原型凸部１６が形成される。原型凸部１６は、第１凸部１２の原型となる。原型凸部１６のピッチは、単粒子膜ＦＬにて互いに隣り合う大径粒子ＳＬのピッチと同等であり、原型凸部１６の配置もまた、大径粒子ＳＬの配置と同様である。
　続いて、図１１（ｃ）に示されるように、第２凸部１３を形成するための小径粒子ＳＳを第２主面１１ｂに展開して、小径粒子ＳＳの単粒子膜ＦＳを原型凸部１６の表面上を含む第２主面１１ｂ上に形成する。小径粒子ＳＳの平均粒径は、大径粒子ＳＬの平均粒径よりも小さく、第２凸部１３の輪郭の直径の平均とほぼ等しい。また、単粒子膜ＦＳにおける小径粒子ＳＳの密度は、第２凸部１３のピッチＰ２に基づいて決定される。小径粒子ＳＳの構成材料としては、大径粒子ＳＬの構成材料として例示されたもののうち何れかが用いられる。単粒子膜ＦＳの形成は、前述した単粒子膜ＦＬの形成方法として例示したもののうち何れかを用いて行われる。そして、単粒子膜ＦＬを用いた先のエッチング工程と同様にして、単粒子膜ＦＳを用いたエッチングを行う。すなわち、まず基板１１が実質的にエッチングされないエッチング条件で小径粒子ＳＳをエッチングし、小径粒子ＳＳの粒径を縮小する。次に、縮径された小径粒子ＳＳをマスクとして、原型凸部１６の表面を含む第２主面１１ｂをエッチングする。結果として、第２主面１１ｂには、原型凸部１６の形状に追従した形状を有する第１凸部１２と、小径粒子ＳＳと対向していた部分に位置し、錐体形状を有する第２凸部１３とが形成される（図２を参照）。
　なお、大径粒子ＳＬをエッチングする工程において、第２主面１１ｂのエッチングが開始された後、単粒子膜ＦＬを構成する大径粒子ＳＬがエッチングによって消滅する前に、第２主面１１ｂのエッチングを停止して、続いて単粒子膜ＦＬを第２主面１１ｂから除去してから、単粒子膜ＦＳの形成工程に進んでもよい。同様に、小径粒子ＳＳをエッチングする工程において、第２主面１１ｂのエッチングが開始された後、単粒子膜ＦＳを構成する小径粒子ＳＳがエッチングによって消滅する前に、第２主面１１ｂのエッチングを停止して、続いて単粒子膜ＦＳを第２主面１１ｂから除去してもよい。
　最後に、導電層１８上の保護膜を除去する。以上の工程を経て、本実施形態の蛍光素子１０が作製される。
　フラクタル構造の形成方法の他の一つは、例えば次のようなものである。第２主面１１ｂ上に、個々の第２凸部１３を形成するための第１のエッチングマスクを複数含む第１のエッチングマスクパターンを形成する。そして、第１のエッチングマスクパターンを介して第２主面１１ｂにドライエッチングを行うことにより、複数の第２凸部１３を第２主面１１ｂに形成する。その後、第２主面１１ｂ上に、個々の第１凸部１２を形成するためのエッチングマスクであって少なくとも２つの第２凸部１３を覆う第２のエッチングマスクを複数含む第２のエッチングマスクパターンを形成する。そして、第２のエッチングマスクパターンを介して第２主面１１ｂにドライエッチングを行うことにより、複数の第１凸部１２を第２主面１１ｂに形成する。
　或いは、次のような方法を用いてフラクタル構造を形成してもよい。第２主面１１ｂ上に、個々の第２凸部１３を形成するための第１のエッチングマスクを複数含む第１のエッチングマスクパターンを形成する。第１のエッチングマスクパターンの上に、熱硬化性塗布材料を塗布し、加熱処理により熱硬化性塗布材料を硬化させる。その硬化物の上に、個々の第１凸部１２を形成するためのエッチングマスクであって少なくとも２つの第１のエッチングマスクを覆う第２のエッチングマスクを複数含む第２のエッチングマスクパターンを形成する。そして、第１のエッチングマスクパターン、熱硬化性塗布材料の硬化物、及び第２のエッチングマスクパターンを介して第２主面１１ｂにドライエッチングを行うことにより、複数の第１凸部１２、および複数の第２凸部１３を第２主面１１ｂに形成する。
　熱硬化性塗布材料としては、例えば、熱硬化性成分を含む塗布材料、樹脂成分と溶媒とを含む塗布材料等が挙げられる。熱硬化性成分を含む塗布材料を塗布し、加熱処理すると、熱硬化性成分が反応して（例えば重合して）硬化する。樹脂成分と溶媒とを含む塗布材料を塗布し、加熱処理すると、溶媒が除去されて硬化する。熱硬化性成分を含む塗布材料は、溶媒を含んでもよい。熱硬化性成分としては、無機系熱硬化性成分及び有機系熱硬化性成分から適宜選択して使用することができ、例えばシラン系アルコキシド、チタネー卜系アルコキシド、アルミネー卜系アルコキシド及びそれらの加水分解物等のアルコキシド系の化合物群、および、シリコーン樹脂系の化合物群が挙げられる。樹脂成分としては、例えばビニル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂、酢酸セルロース系樹脂、ポリカーボネイ卜系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、及び、フッ素系樹脂が挙げられる。
　（第１変形例）
　図１２は、本開示の第１変形例に係る蛍光素子１０Ａの断面構成を示す模式図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、フラクタル構造の位置である。すなわち、本変形例の蛍光素子１０Ａにおいては、基板１１の第２主面１１ｂはフラクタル構造を有しておらず平坦であり、第１主面１１ａがフラクタル構造を有している。
　上記実施形態のフラクタル構造は、光出力面である第２主面１１ｂのみに限られず、第２主面１１ｂと、蛍光を発するＩＩＩ族窒化物半導体層（上記実施形態では多重量子井戸構造１５Ｃ）との間に存在する界面に設けられることによっても、上記実施形態の効果を奏することができる。第２主面１１ｂとＩＩＩ族窒化物半導体層との間に存在する界面には、第１主面１１ａと、第１主面１１ａ上に積層された半導体層同士の界面とが含まれる。また、フラクタル構造は、一つの面に限らず、複数の面（例えば第１主面１１ａ及び第２主面１１ｂ）に設けられてもよい。
　なお、第１主面１１ａがフラクタル構造を有する場合、そのフラクタル構造は、図２に示されたように平坦部１４を有するとよい。これにより、半導体積層部１５の結晶成長を良好に行い、多重量子井戸構造１５Ｃに含まれる結晶欠陥を低減することができる。
　図１３は、第１主面１１ａがフラクタル構造を有する場合における、フラクタル構造を透過する光の波長に応じた第２凸部１３のピッチＰ２の具体例を示す図表である。図１３には、図８と同様に、フラクタル構造を透過する光の真空波長が３８０ｎｍ、４２０ｎｍ、及び４６０ｎｍである各場合において、光学波長の１．５倍、２．７倍、及び３．２倍のそれぞれとしたときのピッチＰ２の数値が示されている。なお、この例は、第１主面１１ａに接する第１バッファ層１５ＡがＧａＮからなる場合を示している。なお、ＧａＮの屈折率を２．５７とした。この図１３によれば、第１主面１１ａに設けられたフラクタル構造の第２凸部１３のピッチＰ２の最頻値は２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲内であってもよく、４００ｎｍ～５００ｎｍの範囲内であってもよいことがわかる。
　（第２実施形態）
　図１４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。この電子線検出器２０は、第１実施形態の蛍光素子１０と、絶縁性の光学部材（光ガイド部材）２２と、光検出器３０とを備える。光学部材２２は、絶縁性を有する光透過部材であり、蛍光素子１０と光検出器３０との間に介在して蛍光素子１０及び光検出器３０を一体化する。蛍光素子１０の基板１１の第２主面１１ｂ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の他端面は蛍光素子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、蛍光素子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。
　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、蛍光素子１０の基板１１の第２主面１１ｂ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、第２主面１１ｂ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、第２主面１１ｂ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。
　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１１の第２主面１１ｂ上に形成されているので、ＳｉＮ層ＡＤａと基板１１との結合力も極めて高い。従って、接着層ＡＤ１を介して基板１１と光学部材２２とは強固に接合される。
　このような構造を有する電子線検出器２０において、電子の入力に応じて多重量子井戸構造１５Ｃ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。
　光検出器３０の光入射面３０ａは、上述したように、基板１１、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１５Ｃにおける電子入力面１０ａとは反対側の面と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１５Ｃが発する蛍光の主発光成分Ｌａ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（面板）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。
　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３１ｐ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。なお、電極部３３の電子増倍部には、他のピン３１ｐを介して所定の電位が与えられる。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。
　以上に説明した本実施形態の電子線検出器２０は、第１実施形態の蛍光素子１０を備える。従って、蛍光素子１０から出力される蛍光のディープレベル発光成分Ｌｂを主発光成分Ｌａに対して相対的に低減して該蛍光を検出することができる。また、絶縁性の光学部材２２が蛍光素子１０と光検出器３０との間に介在することにより、蛍光素子１０への印加電圧にかかわらず光検出器３０を安定して動作させることができる。なお、本実施形態の電子線検出器２０は、第１実施形態の蛍光素子１０に代えて第１変形例の蛍光素子１０Ａを備えてもよい。
　（第３実施形態）
　第２実施形態の電子線検出器２０は、ＳＥＭに用いることができる。図１５は、第３実施形態に係るＳＥＭ４０の構成を概略的に示す図である。ＳＥＭ４０は、被検査対象物の画像を取得するＳＥＭ本体４１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。ＳＥＭ本体４１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。更に、ＳＥＭ本体４１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。可動ステージ４６、電子源４７、電子線検出器２０のうち少なくとも蛍光素子１０、電子レンズ、及び偏向器は、真空チャンバ５０内に収容されている。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。
　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の表面からは二次電子及び反射電子が放出され、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の電流量に応じてピン３１ｐ（図１４を参照）から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の像を撮影することができる。
　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。
　本実施形態に係るＳＥＭ４０は、第１実施形態の蛍光素子１０を備える。これにより、蛍光素子１０から出力される蛍光のディープレベル発光成分Ｌｂを主発光成分Ｌａに対して相対的に低減して該蛍光を検出することができる。よって、残像（ゴースト）の強さを低減し、より明瞭な走査電子顕微鏡像を得ることができ、分解能を向上することが可能となる。
　（第４実施形態）
　第２実施形態の電子線検出器２０は、質量分析装置に用いることができる。図１６は、質量分析装置の主要部の概略説明図である。この質量分析装置は、第２実施形態の電子線検出器２０を備えている。アパーチャＡＰには例えば基準電位が与えられる。アパーチャＡＰに対して分離部ＡＺとは逆側に位置する第１ダイノードＤＹ１には負電位が与えられる。分離部ＡＺ内に位置する正イオンは、アパーチャＡＰを通過して第１ダイノードＤＹ１に衝突する。このとき、正イオンの衝突に伴って第１ダイノードＤＹ１の表面から二次電子が放出される。この二次電子は、電子線ｅ３として電子線検出器２０へと導かれる。この電子線ｅ３の入射に応じて、電子線検出器２０からピン３１ｐを通じて電気信号が出力される。
　なお、第２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、この負イオンは第２ダイノードＤＹ２に衝突する。このとき、負イオンの衝突に伴って第２ダイノードＤＹ２の表面から二次電子が放出される。この二次電子は、電子線ｅ３として電子線検出器２０へと導かれる。この電子線ｅ３の入射に応じて、電子線検出器２０からピン３１ｐを通じて電気信号が出力される。
　質量分析装置には様々なタイプがあるが、いずれもイオンを質量に応じて時間的又は空間的に分離するものである。
　分離部ＡＺが飛行管である場合、イオンが飛行管内部を通過するのに要する時間はイオンの質量に応じて異なる。結果的に、ダイノードＤＹ１又はＤＹ２へのイオンの到達時間が質量によって異なり、したがって、ピン３１ｐから出力される電流値の時間変化をモニタすれば、各イオンの質量が判明する。すなわち、この電流値は時間毎に各質量のイオンの量を示していることとなる。
　或いは、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場合、分離部ＡＺの磁束密度を変化させることにより、アパーチャＡＰを通過するイオンが質量毎に異なり、したがって、ピン３１ｐから出力される電流値の時間変化をモニタすれば各イオンの質量が判明する。すなわち、磁束密度を掃引するか、又はアパーチャＡＰの位置を走査すれば、この電流値は時間毎に各質量のイオンの量を示していることとなる。
　以上に説明したように、上記質量分析装置は、電子線検出器２０の少なくとも蛍光素子１０が配置される真空チャンバ（図示せず）と、この真空チャンバ内の試料（図示せず）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ダイノードＤＹ１，ＤＹ２とを備え、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から発生した電子線ｅ３を電子線検出器２０に導き、電子線検出器２０の出力から上記試料の質量分析を行っている。このように、第１実施形態の蛍光素子１０が採用された質量分析装置においては、蛍光素子１０から出力される蛍光のディープレベル発光成分Ｌｂを主発光成分Ｌａに対して相対的に低減して該蛍光を検出することができる。よって、質量分解能を向上させることが可能である。
　本開示による蛍光素子は、上述した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、多重量子井戸構造１５Ｃを構成する井戸層１５１及び障壁層１５２の組成、ドーパント濃度及び厚さは、上述した例に限定されない。また、上述した例では第１バッファ層１５Ａ及び第２バッファ層１５Ｂ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１５Ｃ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。
　また、多重量子井戸構造１５Ｃの井戸層１５１及び障壁層１５２は、ＩｎxＡｌyＧａ1-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。
　蛍光に含まれるディープレベル発光成分を主発光成分に対して相対的に低減することが可能な蛍光素子を提供することが可能となる。
　１０，１０Ａ…蛍光素子、１０ａ…電子入力面、１１…基板、１１ａ…第１主面、１１ｂ…第２主面、１２…第１凸部、１３…第２凸部、１４…平坦部、１５…半導体積層部、１５Ａ…第１バッファ層、１５Ｂ…第２バッファ層、１５Ｃ…多重量子井戸構造、１６…原型凸部、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、３１ａ…側管、３１ｂ…光入射窓、３１ｃ…ステム板、３１ｐ…ピン、３２…光電陰極、３３…電極部、４０…ＳＥＭ、４１…ＳＥＭ本体、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、４９…データバス、１５１…井戸層、１５２…障壁層、ＡＤ１，ＡＤ２…接着層、ＡＤａ…ＳｉＮ層、ＡＤｂ…ＳｉＯ２層、ＡＰ…アパーチャ、ＡＺ…分離部、Ｂ１…ピーク、Ｂ２…ボトム、ＤＹ１…第１ダイノード、ＤＹ２…第２ダイノード、ｅ３…電子線、ＥＢ１，ＥＢ２…電子線、ＦＬ，ＦＳ…単粒子膜、Ｗ…水面、Ｌａ…主発光成分、Ｌｂ…ディープレベル発光成分、Ｐ１，Ｐ２…ピッチ、ＳＬ…大径粒子、ＳＳ…小径粒子、λａ，λｂ…ピーク波長。

Claims (7)

  1. 　第１主面、及び前記第１主面と対向する第２主面を有する基板と、
    　前記基板の前記第１主面上に設けられ、電子の入射により蛍光を発するＩＩＩ族窒化物半導体層と、
    　を備え、
    　前記蛍光は、前記基板の前記第１主面及び前記第２主面を通過して出力され、
    　前記蛍光は、主発光成分と、前記主発光成分より長波長かつ長寿命のディープレベル発光成分とを含み、
    　前記第２主面と前記ＩＩＩ族窒化物半導体層との間に存在する前記第１主面を含む一又は複数の界面及び前記第２主面のうち少なくとも一つの面がフラクタル構造を有し、
    　前記フラクタル構造は、複数の第１凸部と、各第１凸部の表面に形成された複数の第２凸部とを含み、
    　前記フラクタル構造の前記第２凸部のピッチの最頻値は、前記第１凸部のピッチの最頻値より小さく、前記主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の３．２倍以下である、蛍光素子。
  2. 　前記フラクタル構造の前記第２凸部のピッチの最頻値は、前記主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の１．５倍以上である、請求項１に記載の蛍光素子。
  3. 　前記フラクタル構造の前記第１凸部のピッチの最頻値は、前記主発光成分のピーク波長を光学波長に換算した値の５倍以上である、請求項１または２に記載の蛍光素子。
  4. 　前記主発光成分のピーク波長における前記フラクタル構造の光透過率は、前記ディープレベル発光成分のピーク波長における前記フラクタル構造の光透過率よりも大きい、請求項１～３のいずれか１項に記載の蛍光素子。
  5. 　少なくとも前記第２主面が前記フラクタル構造を有し、
    　前記第２主面の前記フラクタル構造において、隣り合う前記第１凸部同士が接している、請求項１～４のいずれか１項に記載の蛍光素子。
  6. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、井戸層及び障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有する、請求項１～５のいずれか１項に記載の蛍光素子。
  7. 　前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記基板との間に設けられ、ＩＩＩ族窒化物半導体を主に含むバッファ層を更に備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の蛍光素子。
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