半導体中を秒速8万mで動きまわる電子を撮影

要点

• 半導体材料中の20nmスケールの領域に流れる電子を200フェムト秒間隔で測定
• 電子が半導体中を秒速約8万mで動きまわる様子の動画撮影に成功
• 半導体の新しいナノ構造の開拓や未来の新材料開発に貢献

概要

東京工業大学大学院理工学研究科の福本恵紀産学官連携研究員、恩田健流動研究員、腰原伸也教授らは、半導体中を秒速8万mで流れる電子を直接観察し、動画撮影することに成功した。新規レーザーパルス光源と光電子顕微鏡を組み合わせ、電子を20ナノメートル（nm, 1nmは10億分の1m）および200フェムト秒（fs, 1fsは1000兆分の1秒）スケールで可視化できる超高速ストロボ顕微鏡を開発して実現した。

パソコン、携帯電話や太陽電池などに幅広く利用され、必要不可欠となっている半導体材料だが、その動作性能を左右するキャリア（電子）の動きを可視化する手法はなかった。

半導体素子のナノサイズ化が進む中、それにより生じる量子サイズ効果を利用した素子開発（トランジスタ、太陽電池、LED、量子コンピュータ）が注目されている。その電気伝導特性を視覚的に評価できる装置は、 今後の半導体素子開発に大きな影響を与えると期待される。

研究成果は7日に米国の科学誌｢アプライド フィジックス レターズ (Applied Physics Letters) ｣オンライン速報版で公開された。

図1: 時間分解光電子顕微鏡による電子移動の動画撮影。(a):測定手法の概略。 (b)と(c):励起光照射後20ps及び40ps後の光電子顕微鏡像。 (d)と(e):(b)と(c)の中央付近の拡大図。 (f):(d)と(e)の縦方向の強度プロファイルにより、電子の移動が確認できる。

図2: (a)、(b)、(c)は、異なる電極間の電場勾配(電圧値÷電極間隔)において、電子の移動距離を時間に対してプロット。線形フィットによる傾きから電子の移動速度を算出している。(d)は、電子の移動速度を電場勾配に対してプロット。

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