この10年間、発光ダイオード（LED）産業は、台湾と中国の両方で飛躍的に発展しました。台湾の化合物半導体エピウエハーの世界シェアは約70％を占めています。主流は白色LED用のサファイア基板上GaN/InGaNとなっています。
下図は、GaN/InGaN多重量子井戸（MQW）構造のTEM像です。通常、GaN/InGaN多重量子井戸の厚さは2〜3nm/6〜7nmしかなく、コントラストを上げるためには、(b)に示すように特定の結晶軸方向での観察が必要です。低倍率の場合（Fig.a）の回折コントラストは厚さの測定に適しています。相対的に、高倍率の位相コントラストでは、定量的な測定は難しくなります（Fig.c）。
LED の MQW構造
(a) 低倍率TEM像 (b) [11-20] 晶帯軸入射の回折パターン |
(c) 高分解能電子顕微鏡像 |
LED MQWの厚さは2〜3nmであるため、SEM/EDXでは組成を特定することができませんでした。しかし、TEM/EDXでは、プローブサイズを1nmまで絞ることができるため、このような薄膜の同定が非常に容易になります。
2010年以降、装置メーカーは電界放出電子銃（FE-gun）の効率を向上させ、EDX受光部の面積を100mm2以上に拡大し、4組の検出器を同時に設置することさえ可能にしました。その結果、EDXによる組成分析の効率が大幅に向上しました。
MQWと超格子(SL)を例にとると、下図のような結果が得られました。図aは、TEM/STEM像です。図bはMQWの組成分析結果で、主成分であるGaとNはほぼ50対50の化学量論的比率が得られています。副成分であるAlとInの含有量はいずれも従来のEDXの最低検出限界である1〜2%に近い値です。Fig.cは、SLでのInの含有量を測定した結果です。この場合、0.5%以下のInが検出されており、これはAESに匹敵します。
MQW と超格子(SL)のTEM/EDX分析
(a) TEM/STEM 像 (b) MQW の Al, In, Ga, N 組成比 (c) SLの In, Ga, N 組成比 |
従来、TEM/EDXの検出限界はSIMSの検出限界に遠く及びませんでした。しかし、装置やデータ処理ソフトウェアの開発が進み、現在ではLEDの成分分析において2つの異なる技術の間で良い相関が得られるようになりました。MQWの解析では、下図のように、AlとInの含有量の変化が非常によく一致しています。
周期的なMQWの分解能はほぼ同等でした。より深い層のAlの測定では、TEM/EDXは断面試料を直接ラインスキャンするため、SIMSのデプスプロファイルで問題になるスパッタリングによるアーティファクトがなく、より正確に測定することができます。
異なる手法による組成分析の比較
(a) TEM/EDX ラインスキャン (b) SIMS デプスプロファイル |
TEM/EDXとSIMSの分析結果はよく一致しています。
（a）AlのTEM/EDXラインスキャンとSIMSデプスプロファイル
（b）高倍率のTEM明視野像
（c）InのTEM/EDXラインスキャンとSIMSデプスプロファイル
2つの結果には高い相関が認められます。
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