JFCCら,動作中のp-n接合ダイオードの電位分布を観察

ファインセラミックスセンター(JFCC)は高空間分解能(1nm)且つ高感度(0.01V)の計測が可能な電子線ホログラフィー(位相シフト法)と電子顕微鏡内の試料への電圧印加技術を独自に開発し,古河電気工業と東京大学と共同で,動作中の砒化ガリウム(GaAs)p-n接合ダイオードの電位分布を高精度に計測することに成功した(ニュースリリース)。

昨今,高性能化が進む半導体デバイスの研究開発において,動作中の半導体素子の電位分布を正確に評価することがますます重要となっている。これまで,半導体素子の電位分布の観察には,電子線ホログラフィーが用いられてきた。

しかし,電圧印加に伴う微小な電位分布変化を正確に観察するには,従来の電子線ホログラフィー(フーリエ変換法)では空間分解能と感度が不十分だった。また,電子顕微鏡内の試料への電圧印加も技術的に困難であることから,動作中の半導体素子の電位分布を観察したという報告例はほとんど存在しなかった。

研究グループは,動作中の砒化ガリウム(GaAs)のp-n接合ダイオードの電位分布を観察した。電位分布観察は,JFCCが開発した世界最高レベルの空間分解能と感度を誇る電子線ホログラフィー(位相シフト法)を用いた。電子顕微鏡内の試料への電圧印加は,電極を取り付けたバルク試料の一部を薄膜化した後,JFCCが開発した電圧印加用試料ホルダーにセットし,外部電源と電気的に接続することで可能とした。

電子線ホログラフィーの結果,電圧印可時のGaAs p-n接合の電位分布を正確に計測することに成功した。二次元電位分布像では,電圧印加による電位分布変化が明瞭に可視化された。電位プロファイルでは,p-n間の電位差と空乏層幅が順バイアスで減少し,逆バイアスで増大している様子が定量的に示された。電圧印加によるp-n間の電位差と空乏層幅の変化量は,それぞれ0.3Vと1nm程度と微小だが,位相シフト法を用いることにより,これらを高精度に観察することができた。

研究グループでは今後,この計測技術を用いて,トランジスタや発光素子など,より複雑なデバイスについて研究を進めていく予定。実際に動作している半導体素子の電位挙動を深く理解することで,より高効率なデバイス設計が可能となり,高性能デバイスの開発に役立つことが期待されるとしている。

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