要旨
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、原子間力顕微鏡※1カンチレバー※2と高電子移動度半導体を組み合わせた新構造のセンサを作製し、ナノメートル（nm:10-9メートル）レベルという高分解能で、材料表面の電位分布やノイズ分布を画像化する新技術の開発に成功しました。基幹研究所（玉尾皓平所長）石橋極微デバイス工学研究室の河野行雄専任研究員による研究成果です。
半導体微細化によるエレクトロニクス性能向上の限界が近づいている現在、新しい材料によるデバイス開発が急速に進展しています。しかし、これらのデバイスでは、材料そのものの欠陥や電極との接合部での障壁が電子の流れを阻害してしまいます。性能を極限まで発揮させるためには、できる限り不純物が少ないクリーンな材料を用いて、電子を制御することが求められます。一方で、これら欠陥の影響を反映する電位分布やノイズ分布を、直接的に観測する技術の開発が望まれていますが、これまで高感度・高空間分解能で可視化する装置が無いという問題に直面していました。
研究チームは、この課題解決に挑戦し、電位検出部に原子間力顕微鏡カンチレバーを、電位信号読み出し部に高電子移動度半導体を組み込んだ、新しい電位分布イメージング用センサを開発しました。このセンサを用いて、半導体（GaAs/AlGaAs※3）やグラフェン※4などのエレクトロニクス材料の電位分布を正確に観察することに成功し、さらに、電位の時間的揺らぎ（ノイズ分布）の画像計測を行うことも可能であることを実証しました。
このセンサが、現在研究段階にとどまっている有機半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンなど新規材料による電子デバイス実用化の実現を促進する強力な計測装置として機能することが期待できます。
背景
コンピュータの中核部品である半導体デバイスは、微細化によって性能が劇的に向上してきましたが、リーク電流発生の問題や微細加工の製造コスト増大のためその限界が近づいており、今後の高速情報処理にかげりが見えています。この現状を打破するために、有機半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンなど新しい材料によるデバイス開発が急速に進展しています。しかし、これらの材料を用いた電子デバイス、例えば電界効果トランジスタでは、電極との接合部や所々に存在する欠陥が電気的特性に大きく影響するという課題に直面しています。こうした局所的な電位分布やノイズ分布の状態を高感度・高空間分解能で可視化し、分析するための高性能な装置の開発が急務となっています。これまでの分析装置は、ノイズ計測には対応していない、検出感度が高くないなどの問題があり、多くの研究が電極間の電流－電圧特性から得られる情報だけで、局所的な状態を推測せざるを得ない状況にありました。このような事情から、新材料を用いたデバイス作製においては、各技術者の勘や経験に頼る部分が大きく、統一的な指標がないまま製造するため、歩留まりの低さが大きな問題となっていました。
研究手法
材料表面の電位分布を高分解能に観察し、可視化するために、原子間力顕微鏡カンチレバー（電位検出部）と高移動度半導体（GaAs/AlGaAs）によるトランジスタ（電位信号読み出し部）が結合したイメージング用センサを開発しました（図1）。このセンサでは、カンチレバー探針先端でとらえた電位を、最終的にはトランジスタの電気信号として読み出す仕組みになっています。従来は、信号読み出し用のトランジスタそのものを試料表面上で走査していたため、空間分解能はトランジスタの信号読み出し部のサイズ（マイクロメータ）に限定されていました。また、トランジスタと試料間距離を精密に一定に保つのは困難で、安定した走査ができないという問題もありました。今回開発したセンサでは、カンチレバーを介在させるため、空間分解能が先鋭化したカンチレバーの探針径で決まり、ナノメータレベルでの観測が可能となります。また、原子間力顕微鏡による測定を同時に行うことで、試料表面に対するカンチレバーの探針位置をナノメータレベルで正確に制御することができます。さらに、電位の時間的な揺らぎを測定することで、ノイズ分布の可視化というユニークな測定を行うことも可能です。
このアイディアは、もともと河野専任研究員が、2005年に米国の科学雑誌『Applied Physics Letters』で提案したものであり、約5年の年月を経て、自ら実現しました。
研究成果
まず、測定対象となる材料に半導体（GaAs/AlGaAs）を用い、材料全域における電位分布観察を行いました（図2）。この測定では、半導体材料に磁場を印加して、電子の軌道を磁場によって曲げることで、偏った電位分布の発生を予想しました。得た画像はまさしくこの予想した結果を示しており、電位分布計測が正確に行われていることが分かりました。
さらに、この計測法をグラフェン（炭素結晶の単原子膜）に適用しました（図3）。グラフェンは、従来のシリコントランジスタと比べて高い電子移動度が実証されているため、次世代のエレクトロニクス材料として大きな期待が寄せられており、2010年度ノーベル物理学賞の受賞対象にもなりました。このグラフェンの電位分布を観察したところ、50～100nm程度の周期で電位が空間的に揺らいでいることを見いだしました（図3）。この揺らぎはノイズの原因となるため、この観察結果は、グラフェンを実用化する上で重要な情報となります。また、グラフェン中の電子が結晶表面を流れるという特徴を利用して、開発したセンサの正確な空間分解能を見積もることができます。実際にこのセンサの分解能を見積もったところ、24nmであることを確認することができました。この値は、カンチレバーの先端径（20nm）にほぼ等しく、カンチレバー探針先端で試料の電位を検知するという検出原理の実証にもなりました。
この研究は、米国の科学雑誌『Applied Physics Letters』（2010年4月7日）、と日本の科学雑誌『Japanese Journal of Applied Physics』（2010年8月20日）に掲載され、後者のSPOTLIGHTS論文（Editors' Choice）に選ばれてきました（2010年10月15日）。
今後の期待
今回開発したセンサは、電界効果トランジスタなどの電子デバイスの電気的特性を評価する強力な手段になります。この計測から得られる情報を、デバイス作製へフィードバックすることで、作製の歩留まりの向上、ひいては作製コストの低下へと大きく貢献することが期待できます。また、現在まだ研究段階にとどまっている有機半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンなどによる電子デバイス実用化の実現に向けて飛躍的な発展につながると見込まれます。
さらに、このセンサのもう１つの大きな利点は、電位の時間的な揺らぎ、すなわちノイズの空間分布をも測定できることです。ノイズはトランジスタ特性に決定的な影響を与える要素で、その起源を特定することはきわめて重要です。開発したセンサにより、ノイズが試料のどこでどのように発生しているのかを調べることが可能となり、この観察結果からもトランジスタの評価に非常に有用です。