高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の福本恵紀特任准教授、筑波大学の吉川康介氏らの研究グループは、フェムト秒レーザーを用いた光電子顕微鏡により、半導体中を流れる正孔（ホール）の空間分布を可視化することに初めて成功した（ニュースリリース）。電界効果トランジスタが動作する状態で正孔を観測するための条件を明らかにしたもので、半導体デバイスの動作評価や高性能化につながる新たな光計測技術として期待される。
半導体デバイスでは、負の電荷を持つ電子と、正の電荷を持つように振る舞う正孔が、電流を運ぶキャリアとして重要な役割を担っている。正孔は、電子が存在していた場所から電子が抜けた状態であり、トランジスタや太陽電池、発光デバイスなどの動作に関係する。
これまで正孔の振る舞いは、ホール効果などの電気的な測定手法によって評価されてきた。しかし、こうした測定では素子全体の平均的な情報が得られるため、実際に動作しているデバイス内部で、正孔がどのように分布しているかを直接観測することは困難だった。
研究グループは、フェムト秒幅のパルスレーザーを光源とする光電子顕微鏡を利用した。この装置は、試料にレーザー光を照射した際に放出される光電子を検出し、その信号を画像化するものである。レーザーの光子エネルギーを近赤外から紫外領域にわたって調整できることが特徴で、半導体内部の電子状態を調べることができる。
今回、研究グループは光電子分光の原理や試料の厚さ、測定信号に影響する要因を検討し、正孔の観測に必要な条件を解析した。さらに、トランジスタ内部の膜厚が異なる領域を機械学習によって識別することで、埋もれた界面に蓄積された正孔を観測できることを見いだした。
光電子顕微鏡では、試料から放出される電子の量を信号として利用するため、正孔の存在によって信号が減少しても、それだけで正孔を検出したとは判断できない。研究グループは、試料構造や測定条件による影響を切り分けることで、トランジスタの動作に伴う伝導正孔の可視化に成功した。
この成果は、従来の電気計測では把握しにくかった電荷キャリアの局所的な分布を調べられる可能性を示した点に意義がある。特に、膜厚などの微細な構造の違いが正孔の観測に影響することを明らかにしたことで、半導体デバイスの動作をより詳細に評価するための新たな手法につながると考えられる。
今後は、トランジスタやダイオードに加え、太陽電池、LEDなどの発光デバイス、光触媒といった幅広い半導体材料・デバイスへの応用が期待されている。
