光アシスト二次電子放出を用いた表面光電圧効果の探索

Probing Surface Photovoltage Effect Using Photoassisted Secondary Electron Emission.

• Yu Li
• Usama Choudhry
• Jeewan Ranasinghe
• Alex Ackerman
• Bolin Liao

抄録

表面や界面の特性は、現代のデバイスにとって非常に重要であるが、バルクからの信号が表面の寄与を覆い隠してしまうことが多いため、これらの特性を調べることは一般的に困難である。ここでは、表面光電圧（SPV）に関連した効果を研究するために、材料の最上層を感知する能力を提供するパルスレーザー光源と結合した走査型電子顕微鏡（SEM）に基づく方法論を紹介する。この方法は、パルス光レーザーを用いて過渡的に表面光電圧を誘起し、連続的な一次電子ビームを用いて二次電子（SE）を発生させ、レーザー照射下でのSE収量の変化をモニターするものである。その結果、n型半導体とp型半導体では、SPVによって誘起されたSE収率の変化が対照的であることを観測した。さらに、SPVによって誘起されるSE収率の一次電子ビームエネルギー,光フルエンス,光励起の変調周波数依存性を調べたところ、表面に埋め込まれたポテンシャルの存在下での光キャリアのダイナミクスの詳細が明らかになった。この高速、非接触、バイアスフリーの技術は、表面電子現象をプローブするための便利で堅牢なプラットフォームを提供し、高い空間分解能でナノスケールの効果をプローブすることが期待されています。この結果は、走査型超高速電子顕微鏡のような新しい時間分解電子顕微鏡技術のコントラストメカニズムを理解するための基礎を提供します。

While the properties of surfaces and interfaces are crucial to modern devices, they are commonly difficult to explore since the signal from the bulk often masks the surface contribution. Here we introduce a methodology based on scanning electron microscopy (SEM) coupled with a pulsed laser source, which offers the capability to sense the topmost layer of materials, to study the surface photovoltage (SPV) related effects. This method relies on a pulsed optical laser to transiently induce an SPV and a continuous primary electron beam to produce secondary electron (SE) emission and monitor the change of the SE yield under laser illumination. We observe contrasting behaviors of the SPV-induced SE yield change on n-type and p-type semiconductors. We further study the dependence of the SPV-induced SE yield on the primary electron beam energy, the optical fluence, and the modulation frequency of the optical excitation, which reveal the details of the dynamics of the photocarriers in the presence of the surface built-in potential. This fast, contactless, and bias-free technique offers a convenient and robust platform to probe surface electronic phenomena, with great promise to probe nanoscale effects with a high spatial resolution. Our result further provides a basis to understand the contrast mechanisms of emerging time-resolved electron microscopic techniques, such as the scanning ultrafast electron microscopy.