連載企画

表面科学 Vol. 28, No. 2, pp. 111―114, 2007

我々は，走査トンネル顕微鏡（STM）と量子光学の光励起 STM と局所分光―光変調トンネル分光法による局所バンド構造解析とキャリアダイナミクス計測―技術を融合することによって，例えば，ナノスケールの光誘起応答を高い空間・時間分解能で解析することが可能な技術の開発を進めてきた4〜11）。本稿では，こうした一連の手法の中から，「光変調トンネル分光法」と名付けた手法の原理と同手法を使用する際の技術的なノウハ

吉田昭二・蟹谷裕也
武内 修・重川秀実＊

ウについて概略を紹介する4，10，11）。
光変調トンネル分光法では，レーザー光照射により発生する表面光起電力（Surface Photovoltage＝SPV）を計

筑波大学数理物質科学研究科! 305―8573 茨城県つくば市天王台 1―1―1

測するが，これによりナノスケールのドーパントプロフ（2006 年 11 月 30 日受理）

ァイルやキャリアのダイナミックスを，実空間で観察し解析することが可能になる。

Light-Modulated Scanning Tunneling Spectroscopy

2．光変調トンネル分光法と表面光起電力計測

on the Analysis of Nanoscale Band Structure
and Carrier Dynamics

Fig. 1（a）に示した STM トンネル接合部の 1 次元バンド図を用い SPV の測定原理を説明する。STM の探針

Shoji YOSHIDA, Yuya KANITANI, Osamu TAKEUCHI（金属），トンネルギャップ，試料（半導体）は，金属―and Hidemi SHIGEKAWA

絶縁体―半導体構造（MIS 構造）を構成し，暗状態ではInstitute of Applied Physics, CREST-JST, 21st COE,
University of Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki 305―8573

左図に示すように探針―試料の仕事関数の差や印加する(Received November 30, 2006)（ Tip-Induced Band Bending ＝ TIBB ）が誘起されていトンネル電圧により探針直下で局所的なバンド 湾曲る11，12）。TIBB は，表面の電子状態によるフェルミ準位

Light-modulated scanning tunneling spectroscopy(LM-STS), a potential method that provides us withthe technique to investigate spatially resolved carrier
dynamics such as surface photovoltage is discussed.
With the results obtained for a GaAs(110) p-n junction
as an example, the basic principle and experimental
techniques of LM-STM are introduced.のピニングがない GaAs（110）や水素終端 Si 表面などでは大きな値となりトンネル分光（STS）のスペクトル形状に強い影響を及ぼすが，通常の測定ではその正確な値を計測することができないため，STS の定量評価を難しくする要因となる11）。しかし一方で，TIBB は試料の局所的なドーピングの度合いやキャリア密度，表面状態密度などを反映するため，正確な量を計測できれば，こ1．はじめにナノスケールで構造を制御し新しい機能（物性）を実うした対象について有益な情報を引き出すことが可能になる。以下に LM-STM を 用 い，SPV を 計 測 し て TIBBを求め，これら情報を得る方法を述べる。

現するには，微細構造の作製・制御技術の開発とあわせ実験では探針―試料間に試料のバンドギャップを上回て，これら機能を正しく評価する技術の確立が必要不可

るエネルギーを持つレーザー光を照射することによって欠である。例えば，半導体デバイスは微細化技術の進展SPV を発生させる。生成した光キャリア（電子―正孔対）によりナノスケール領域に達し，離散したドーパントのは Fig. 1（a）の右図に示すように電界ドリフトにより分布や界面のラフネスなど原子スケールの揺らぎや局所分離される。こうして生じた非平衡なキャリア分布はバ的な構造が機能に影響を与えるだけでなく，素子全体のンド湾曲を緩和する方向に電場を生むため，光照射によ動作特性そのものを左右する段階に至っている。こうしり表面の電位が変化する。この変化が SPV である12，13）。

た状況を受けて，電子顕微鏡（SEM,TEM）や走査プロ

十分な強度の光源を用いれば明状態でバンドをほぼフラーブ顕微鏡（SPM）を利用した様々な先端計測技術の開ットにすることが可能で，このとき SPV は暗状態のバ発が進められてきたが1〜3），必ずしも十分とは言えない。

ンド湾曲の量と等しくなる。
SPV の発生によりトンネルギャップに掛かる実効的＊http:／／dora.ims.tsukuba.ac.jp

なトンネル電圧が変化するため（ ∆ V ＝SPV），明状態と

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表面科学

第 28 巻

第 2 号 （2007）

Fig. 1. (a) 1-D MIS model of a dark and illuminated tunnel
junction. (b) I-V curve obtained under chopped laser
illumination (left axis) and SPV spectra (green opencircles, right axis). The inset shows the experimental
setup. (c) Magnification of (b). (d) Laser-intensity
dependence of SPV obtained on a n-GaAs sample
with Vs＝＋2.5 V.

Fig. 2. (a) Schematic illustration of the LM-STM measurement over a GaAs p-n junction. (b) SPV mappings ofthe zero-bias (VF＝0) p-n junction obtained at Vs＝−2.5 V (top) and Vs ＝−2.5 V (bottom), respectively(1000 nm×200 nm, 80×20 LM-STS spectra). SCR:
space charge region. (c) SPV images of the p-n junction with forward bias voltages. (d) Images of the minority carrier flow calculated from (c).

暗状態の 2 本の I-V 曲線を計 測 す る と，2 本 の 曲線は不可欠な情報であり，固定電圧で SPV のみを計測可能

SPV 分だけ電圧方向にシフトする。光変調トンネル分な従来の手法12，13）に比べて大きな利点である。

光法では，100 Hz 程度でチョッピングしたレーザー光

さて，光変調トンネル分光法では，従来の手法と同様を探針―試料間に照射しながら 1 秒程度時間を掛けて電に光をチョッピングしながら計測を行うため，光照射に圧を変化させ，この明・暗の両状態の I-V 曲線を同時により発生する探針の熱膨張が問題となる14〜16）。トンネ計測する（Fig. 1（b）挿入図）。

ル電流は探針・試料間の距離に指数関数的に依存するた

Fig. 1（b）に真空中で劈開して準備した n-GaAs（110）め，光のオン・オフを繰り返すことにより生じる探針の表面で計測した I-V 曲線を，また Fig. 1（c）に正バイア熱膨張が引き起こす探針―試料間距離の僅かな変化によ

ス部分の拡大図を示す。実線（黒色）で示した I-V 曲線

りトンネル電流は大きく変化する。これにより，微弱なをみると，正バイアス側ではトンネル電流は光のオン・信号が隠されてしまったり，SPV がなくてもトンネルオフに同期して明状態（赤点線）・暗状態（青点線）の電流の振動が観測されてしまうので注意が必要である。

2 つの状態間で周期的に振動していることがわかる。こ我々の実験では，熱膨張の影響を抑えるため，レーザうして得られる明状態と暗状態の 2 つの I-V 曲線の電圧

ーのスポットサイズを可能なだけ小さく絞り（2 µm 程方向のシフト量を暗状態のバイアス電圧に対してプロッ度），探針へのレーザーの照射面積を小さくすることでトすることでバイアス電圧に依存した SPV の情報を得この問題を回避している。実際，Fig. 1（b）の負バイアる（Fig. 1（b）の緑色の丸印点）。

ス領域では，光チョッピングに同期したトンネル電流のバンド構造とフェルミ準位の関係を見ればわかるように，n 型 MIS 構造の逆方向電圧に対応する試料正バイ変調成分が観測されておらず，熱膨張の影響は無視できるほど小さくなっていることがわかる。

アス側では TIBB が電圧に依存して大きくなるため SPV

スポットサイズを小さくすることにより単位体積あたも大きくなる。一方，順方向電圧に対応する試料負バイりの光強度は増加するので，全体の光強度が 0.1 mW 以

アス側では，n-GaAs の伝導帯がフェルミ準位にピニン下と弱い条件でも，探針直下では十分な光強度で試料のグされるため，バンド湾曲がほぼゼロとなり，SPV も励起を行うことが可能である。レーザー光強度を 0.1 mWゼロになる。

以上にすると，スポットサイズに注意しても熱膨張の影

このように，光変調トンネル分光法は簡便であること響は避けられなくなる。に加えて，SPV の電圧依存性や明・暗状態の I-V 曲線をFig. 1（d）は同試料を用いて Vs＝＋2.5 V で計測した一度に取得・解析できるという特徴がある。SPV のバ

SPV のレーザー光強度依存性を示すが，SPV の測定はイアス依存性は SPV の物理的起源を調べるために必要

点線で示した飽和領域（明状態でバンドがフラット）で吉田昭二・蟹谷裕也・武内修・重川秀実

113行っており，観測された SPV は暗状態でのバンド湾曲の関係式を用いることで10，13），Fig. 2（c）の SPV 像か量に対応する。

ら注入キャリアの空間分布（Fig. 2（d））を計算するこ

3．応用例―p-n 接合の解析とができることになる。
以上の結果は，マクロに定義されてきた再結合領域やMBE 成長した GaAs p-n 接合の（110）劈開面に対し拡散領域の様子を微視的に示す初めてのもので，拡散長光変調トンネル分光法を用いて測定を行った結果を例とについての定量的な解析や，原子欠陥，単一ドーパント（001）（Si-ドープして紹介する。p-n 接合試料は n＋-GaAsの影響を実空間で計測し解析することが可能である。

8.3×1018 cm−3）上に MBE を用いて作製した（p 層：Be-

空間的な揺らぎは，原子レベルのドーパント分布に伴ドープ 2.0×1018 cm−3，n 層：Si-ドープ 2.0×1018 cm−3）。

う局所的なポテンシャル揺らぎや界面の構造揺らぎなど

Fig. 2（a）に実験の模式図を示す。空間分布の測定では，により引き起こされるが，最初に述べたように，ナノス通常の STS 測定の場合と同様に探針を走査し STM 像をケールでの精密な計測・解析の重要性を示している。

取得しながら等間隔で I-V 曲線を計測し，それぞれの IV 曲線に対して SPV とその電圧依存性を解析する。
3. 1

p-n 接合のドーパントプロファイル

4．まとめ

以上，光変調トンネル分光法の測定原理・方法と応用

Fig. 2（b）は p-n 接合に電圧を印加していない閉回路例について概説した。今回は GaAs（110）p-n デバイス劈

状態（VF＝0）で計測した p-n 接合界面上の SPV 像であ開面の結果を例として紹介したが，SPV 自身はシリコる。上図は試料バイアス Vs＝−2.5 V，下図は試料バイン表面をはじめ様々な半導体上で計測可能である5，14）。

アス Vs＝＋2.5 V でプロットした SPV マッピング像であ

SPV は従来の STS 計測のみでは得られない試料の特性る。上述のように試料負バイアスにおいて，n 型領域（左を反映することから，今後，ナノスケールでのデバイス側）は順方向バイアスの状態になるため SPV はほとん特性の解析の他にも幅広い応用が期待される。

どゼロであるが，逆方向電圧に対応する試料負バイアス

本稿では割愛したが，超短パルスレーザーと STM をでは，p 型（右側）で SPV が大きくなっている。こ れ組み合わせると超高速現象をナノスケールで計測することは逆に，試料正バイアスでは n 型が逆方向電圧，p 型とも可能となり5〜9），光変調トンネル分光法とあわせてが順方向電圧の状態となるために，SPV は n 型で大き用いることで，キャリアダイナミックスをより詳細に調く，p 型でほとんどゼロになる。このように SPV が示べることが可能になる。

す明瞭な電圧依存性とドーピング依存性から，試料のドーパントプロファイルを高い空間分解能で行うことが可能である。紙面の都合上割愛するが個々のドーパントに対応した SPV を計測することも可能になっている。
3. 2

p-n 接合を流れるキャリアの可視化

光キャリアによりバンドの湾曲が緩和することからもわかるように，SPV の大きさはその場所でのキャリア密度に関係する。したがって，例えば，p-n 接合に順方向電圧を印可した状態で Fig. 2（b）と同様の実験を行い結果を解析すると，印可したバイアスによる少数キャリアの流れを可視化することが可能になる10）。
Fig. 2（c），（d）に結果の一例を示す。p-n 接合に順方向電圧を印加すると Fig. 2（c）に観られるように SPVの分布が変化する（n 型領域でオレンジ色から黒色への変化）。これは少数キャリアである正孔注入により探針―試料間の電界が遮蔽され，TIBB，即ち SPV が減少することによる。電界が遮蔽される大きさは正孔の密度に依存するが，正孔は再結合などにより消滅するため，その密度は界面から遠ざかるにつれて指数関数的に減衰する17）。図に観られる SPV の変化は，この注入正孔密度の変化を反映しており，SPV の値と少数キャリア密度文献1) P. De Wolf, R. Stephenson, T. Trenkler, T. Clarysse, T.
Hantschel and W. Vandervorst: J. Vac. Sci. Technol. B18, 361 (2000).
2) 重川秀実： 朝倉物性物理シリー ズ・極 限 実 験 技術・走査プローブ顕微鏡 (朝倉出版，2003).
3) 重川秀実，吉村雅満，坂田 亮，河津 璋編： 実戦ナノテクノロジー・走査プローブ顕微鏡と局所分光 (裳華房，2005).
4) O. Takeuchi, S. Yoshida and H. Shigekawa: Appl. Phys.
Lett. 84, 3645 (2004).
5) O. Takeuchi, M. Aoyama, R. Oshima, Y. Okada, H. Oigawa , N . Sano , H . Shigekawa , R . Morita and M .
Yamashita: Appl. Phys. Lett. 85, 3268 (2004).
6) H. Shigekawa, O. Takeuchi and M . Aoyama : Sci . &Technol. of Advanced Materials 6, 582 (2005).
7) 重川秀実，武内 修，青山正宏，大井川治宏：応用物理 73, 1318 (2004).
8) Y. Terada, M. Aoyama, H. Kondo , A . Taninaka , O .
Takeuchi and H. Shigekawa: Nanotechnology 18, 044028(2007).
9) 寺田康彦，青山正宏，近藤博行，武内 修，重川秀
実：応物・薄膜表面物理分科会・News Letter 128, 9(2006).

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表面科学

第 28 巻10) S. Yoshida, Y. Kanitani, R. Oshima, O. Takeuchi, Y.
Okada and H. Shigekawa: Phys. Rev. Lett. 98, 026802(2007).
11) S. Yoshida, J. Kikuchi, Y. Kanitani, O. Takeuchi, H. Oigawa and H. Shigekawa: e-journal, Surf. Sci. & Technol.
4, 192 (2006).
12) M. McEllistrem, G. Haase, D. Chen and R.J. Hamers:
Phys. Rev. Lett. 70, 2471 (1993).

第 2 号 （2007）13) L. Kronik and Y. Shapira: Surf. Sci Rep. 37, 1 (1999).
14) S. Grafström: J. Appl. Phys. 91, 1717 (2002).
15) S. Grafström, P. Schuller, J. Kowalski and R. Neumann:
J. Appl. Phys. 83, 3453 (1998).
16) 重川秀実：表面科学 20, 337 (1999).
17) S.M. Sze： 半導体デバイス―基礎理論とプロセス技術 (産業図書，2004).