SPM による半導体表面分析の最近の展開

同一ナノ領域でのルミネッセンス測定を可能とするトンネル電子・近接場光励起一体型プローブ顕微鏡の開発
New Microscope Combines Optical and Electrical Excitation into a Single Scanning
Tunneling Microscope Unit for Simultaneous Characterization of Near-fieldLuminescence from Individual Nanostructures
尾身博雄ａ，Ilya Sychugovａ，ｃ，小林慶裕ａ，ｄ，村下達ｂ，ｅHiroo Omi, Ilya Sychugov, Yoshihiro Kobayashi and Toru MurashitaａNTT物性科学基礎研究所，ｂNTTフォトニクス研究所

ｃ

要旨

現所属：
（独）物質・材料機構，ｄ現所属：大阪大学，ｅ現所属：（株）NTTエレクトロニクス

物質の表面および表面から数ナノメータ程度のナノ領域でルミネッセンスの特性を評価することを目指し，同一のナノ領域に対してトンネル電子励起および近接場光励起によるフォトルミネッセンスを近接場で測定することを可能とする新しいタイプの走査型プローブ顕微鏡，すなわち，トンネル電子・近接場光励起一体型プローブ顕微鏡を開発したので紹介する．本装置の性能は GaAs 基
板上 GaAs/AlAs 多層構造のヘキ開面を観察することにより評価した．本装置の開発実現のポイントは，半導体表面の微弱な近接場光を検出するため，トンネル電子と光励起を同時に可能とする高い集光効率のイルミネーション・コレクションプローブをシミュレーションにより設計し，ナノメートルの精度で作製することに成功したことにある．

キーワード：走査トンネル顕微鏡，ルミネッセンス，ナノスケールイメージング，近接場光の広い範囲で連続的に変化させることができる．またバイア
1.

はじめにス電圧の極性を反転させることにより電子の打ち込みと引き原子サイズからナノメータサイズにかけての微小領域（ナ抜き（正孔の打ち込みと等価）の両方ができる．一方で，光ノ領域）では電子閉じ込め効果が顕著になることで，分子構の場合はエネルギー（波長）の可動範囲は約 1.5 eV と狭い

造やナノメータ構造における原子サイズレベルのわずかな差が高いエネルギー純度（単色性）を持つ．そこで，材料の個々異から電子や正孔の大きなエネルギーシフトが生じ，電子正のナノ構造をナノサイズレベルの三次元空間分解能で電子と孔対の再結合発光（ルミネッセンス）のスペクトルのシフト

光で複合的に測定できる顕微鏡が求められる．

や強度の増減などへ反映してそのエネルギーシフトが顕著に光励起としては，レンズ等で集光した伝播光で励起する観察される．そのため，カーボンナノチューブや化合物半導フォトルミネッセンス（Photoluminescence: PL）が，電子励体などを初めとする物質の表面および表面から数ナノメータ

起としては収束した高エネルギーの電子線で励起するカソー程度のナノ領域でルミネッセンスの特性を評価することがメドルミネッセンス（Cathodoluminescence: CL）がポピュラーソスコピックな物性研究に重要である．

であるが，3 次元で物質のナノサイズ領域に励起領域を限定

ルミネッセンス評価では電子正孔対の生成方法により電子することは困難である．なぜなら，CL で広く行われてきた励起と光励起に大別される．電子と光では電荷や運動量，伝高エネルギー電子線（電子顕微鏡）はエネルギーが高いため播特性，電荷の有無など基本的物性が異なるため，電子励起に材料中で広く散乱して分解能を上げることが難しいので密ルミネッセンスと光励起ルミネッセンスとで得られる情報が集状態で存在する個々のナノ構造を個別に評価することが難異なるので相補的な測定評価が有用である．例えばトンネルしいからである．また，レンズ等で集光する伝播光の場合も電子の場合，エネルギーに広がりを持つが，注入エネルギー材料内で広く伝播するので内部まで高い空間分解能で PL 測を物質のほとんどのエネルギー準位が存在する 0 ～数十 eV定することが困難であった．そこで，物質表面近傍のナノサイズの極微小領域に励起エネルギーを局在化させる方法としａ〒 243–0198 神奈川県厚木市森の里若宮 3–1
TEL: 046–240–3414; FAX: 0146–240–4718
E-mail: homi@will.brl.ntt.co.jp
2009 年 7 月 13 日受付
174て，光の場合は波長より小さなサイズの微小開口や物質表面に局在する近接場光を使う走査型近接場光顕微鏡（Scanning
Nearfield Optical Microscopy: SNOM）1）が，また電子の場合は顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

低エネルギーのトンネル電子を使う走査型トンネル電子発光

このため，同一のナノ領域からの電子励起と光励起のルミ顕微鏡（Scanning Tunneling-electron Luminescence Microsco-ネッセンスを効率的に集光できる新たなプローブ顕微鏡が必

py: STLM）2,3）が開発されている．一方，SNOM については，要である．そこで今回，われわれはこの顕微鏡を実現するた開口型プローブを STM 動作させることにより SNOM の分解めに，トンネル電子励起によるルミネッセンスを検出できる能をさらに向上させようとする試みもなされている4,5）．

導電集光（CT）プローブの先端に近接場光を照射・集光する

半導体物性評価を例に取れば，STLM では注入されたトン，金属開口を設けた新しい構造の CT プローブを試作し（図 1）

ネル電子が再結合発光するルミネッセンスを測定することに半導体表面近傍の同一のナノ領域に対してトンネル電子励起拠り，半導体内の 8 nm 程度の短い電子拡散長を直接測定でと近接場光励起のルミネッセンスを複合的に評価した．

きる．ルミネッセンス励起手段としての電子（トンネル電子）と光（近接場光）の特徴と差異を表 1 にまとめる．

3.

集光プローブ形状のシミュレーション

プローブ先端の開口サイズと集光効率との関係を，波動方
2. ナノサイズの同一領域における電子・光励起ルミネッ
センス複合評価

程式を二次元有限要素法（2D-FEM）で解いてシミュレートした6,7）．トンネル電子ルミネッセンス用プローブの先端はこのように電子励起と光励起では得られる物性情報が異な

図 2 のような筆状の形状をしているので，図 3（a）に示するので，相補的な情報を得るために，物質上の着目する同一ように 2 段テーパーで形状を近似した．SNOM 集光特性にのナノサイズ領域で電子励起ルミネッセンスと光励起ルミ

ついては，励起光波長を Nd:YAG-SHG レーザの 532 nm，発ネッセンスの両方を評価することが非常に重要となる．しか光波長を GaAs からの波長 λ = 800 nm とした．

し，従来，これらのルミネッセンス顕微鏡はそれぞれ別個のシミュレーション結果として，開口径 a = 100 nm について，装置となっていて，両方を同時に使用できる顕微鏡がなかっ

先端角 Θ1 = 37° と 45° における付根の広がり角 Θ2 と励起光た．別個の装置では，試料上の注目する同一のナノサイズ領の透過率 T との関係を図 3（b）に示す．20° 以下の小さい域で両者を測定することは実際上きわめて困難である．

Θ2 に対しては，Θ2 のわずかな差で干渉の影響により光透過

そこで，同一のナノ領域を確実にトンネル電子励起と近接場光励起の両方でルミネッセンス測定を行える新しいプローブ顕微鏡の開発を進めた．このプローブ顕微鏡を実現する上率が大幅に変動するので，透過率が極大化するように Θ2 を精密に設定する必要がある．
一方，プローブ部先端の金属コートを外した長さ，すなわのキーポイントは励起用のトンネル電子と近接場光をそれぞれ同一点に正確に注入することと，そこからの微弱なルミネッセンスを高効率に集光して検出すること，さらにこれらを光学調整なしで行えることである．また，半導体等ではこの測定を極低温や超高真空の環境下で安定に行うことが必要であり，その実用的な対策も考慮しなければならない．
ところで，近接場光の測定方法には種々あるが，半導体のような表面プラズモンが発生し難く不透明な試料では開口形の近接場光プローブが適する．開口型 SNOM では，開口周辺の金属シールドからのギャップ制御用のトンネル電流を利用してトンネル電流発光を発生させることも可能であるが，その場合は発光が開口からずれるため集光効率が下がるので集光効率が低いうえに，近接場光の照射範囲とトンネル電流の注入領域が必ずしも一致しないので正確な測定には適さない．
表1

トンネル電子・近接場光励起一体型 CT プローブ

ルミネッセンス励起法としての電子と光の特徴と差異
電子（トンネル電子）

光（近接場光）

電荷ありなし運動量ありなし

エネルギー単色性低い

高い

エネルギー走査範囲

広い

狭い

高バンドギャップ領域障壁

透過低バンドギャップ領域

透過障壁

励起法

特集

図1

図2

CT プローブの全景同一ナノ領域でのルミネッセンス測定を可能とするトンネル電子・近接場光励起一体型プローブ顕微鏡の開発

175【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 3 2 重テーパー型 SNOM チップの透過率のシミュレーション．
（a）チップの形，（b）面内ポインティングベクトルの強度分布，（c）
開口径 a = 100 nm に対する透過率のコーン角（Θ1，Θ2）依存性の計
算結果（D = 5.5 μm の場合）．

図 4 トンネル電子・近接場光励起一体型 CT プローブにおける集光効率のシミュレーション（開口径 a = 100 nm の場合）．（a，b）波
長 λ = 800 nm の TE 偏光した信号光の電場強度の z 成分．ここで，
図 4（a，b）に描かれているように，h はピラミッドの高さである．（c）
集光効率の h 依存性．

ちピラミッドの高さ h，と集光された信号光の強度との関係を図 4（c）に示す．ここで，開口径は 2・tanhn に相当する．

電流を安定に注入できることになる．そのため，光学系の調光の波長より小さい開口径に対しては，基本的に集光効率は整が不要であり，プローブ先端の同一点で試料への励起用の実効的に開口径の関数として制限される．

トンネル電子と近接場光の注入，さらに発生したルミネッセ

4.

トンネル電子・近接場光励起一体型プローブ顕微鏡8,9）4.1

透明導電（CT）プローブ

本顕微鏡のキーコンポーネントである新規開発した近接場ンスの近接場集光が高い効率で可能になる．
4.2

顕微鏡の全体構成

この近接場光・トンネル電子励起一体型 CT プローブを搭載した顕微鏡の光学系の全体構成を図 6 に示す．

光・トンネル電子励起一体型 CT プローブの先端部の SEM

このプローブ顕微鏡では，極低温までの広い試料温度範囲

写真を図 5 示す．プローブを作製するには，まず先端を曲と清浄な試料表面状態を確保するために 10−10 Torr 以下の超真率数十 nm 以下まで化学エッチングで先鋭化したシリカファ

空チャンバ内に，液体ヘリウム温度まで冷却可能な試料ステー

イバの表面に酸化インジウムスズ（ITO）の透明導電薄膜をジと CT プローブを設置してある．CT プローブは脱着容易な70 nm 厚程度スパッタする．この ITO 膜の上に，マグネトプローブホルダにマウントされ，STM のバイアス電源につなロンスパッタリングによって白金パラジウム（PtPd）膜をがっている．また，プローブ後端は光伝送用ファイバに無調400 ～ 500 nm 厚に蒸着する．図 5（a）の内側の濃い色の写整で接続する．そのため，CT プローブは超高真空チャンバ

真部分が ITO 膜を表し，外側の薄い色の写真部分が PtPd 層内で容易に交換できる．光ファイバは真空隔壁窓を通って大を表す．この二層に蒸着した先端部分を FIB（Focused Ion

気中の光合分波器に繋がっている．
この光合分波器はコリメーBeam）ミリング装置（SII, XVision 200TB）を用いて図中のタとバンドパスフィルタ等を組み合わせて励起光とルミネッ赤線で示すように PtPd と ITO を一緒に斜めにカットした．

センスを分離する機能を持ち，光励起用レーザ（Nd:YAG）とこれにより，光の波長より小さい微小開口が PtPd で形成さ信号光検出系とにファイバを介してそれぞれ繋がっている．

れるとともに，開口の中央部にプラミッド状の ITO の突起励起用レーザ光（波長 532 nm）は光合分波器を通りファが形成される（図 5（b））．このピラミッドの頂点からトンイバを経て CT プローブに送られ微小開口から近接場光に変ネル電子が放出されるので，常に微小開口の中央でトンネル換されて試料を照射する．一方，CT プローブで集光された

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顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 6 トンネル電子励起と近接場光励起を一体化したプローブ顕微
鏡の全体構成図．光励起機能を加えた STML 装置の概略構造．励起
光はビームスプリタを経て光ファイバを通り UHV チャンバ内の探針へ導かれる．波長より小さいアパーチャ探針で集光された信号は同じ経路を伝播して CCD の付いた分光器や顕微測定用の光センサへ向かう．

べることも可能である．CT プローブから励起光源や光検出
図 5 作製した一体型プローブの SEM 写真．
（a）金属薄膜を STML探針全体に蒸着した．金属膜蒸着前後の SEM 像を開口の設計のために挿入してある．
（b）FIB 探針先端にピラミッド形を形成するために用いた．光測定には波長以下のアパーチャが必要である限り，先鋭な先端形状は良好な STM 動作のために必要である．

器に到るファイバ光伝送系は光学軸調整が不要な構造になっているので，常に無調整でナノ領域の電子・光励起のルミネッセンスを高効率で集光できる．
5.

実験結果

ルミネッセンスはファイバを経て光合分波器で励起光がカッ実験結果の一例を図 7 に示す．本プローブ顕微鏡を用いトされて分光器へ送られる．分光器には CCD と PMT がそて TL と SNOM（PL）の同時発光測定を行った．試料は p

れぞれ接続されていて，フォトンカウント法などにより測定型 GaAs/AlAs 多重量子井戸（MQW）のヘキ開面で，井戸のされる．スペクトル測定の場合は冷却された CCD で測定範

幅は幅 50, 20, 10, 5 nm である．試料は 3 × 10−10 Torr 以下の囲の波長帯で一括検出され，画像測定の場合は応答速度の速超高真空内で 80 K に冷却されている．

いフォトマルで検出される．
このように，光励起ルミネッセンスを測定する場合，励起光と信号光が同一の光伝送用ファイバを通っている．しかし，

図 7 左上は FIB ミリングの前後のプローブ先端部の SEM写真を重ねたものである．開口部すなわち ITO ピラミッド
下部の直径は約 150 nmφ である．

CT プローブは集光効率が高く，弱い励起でも十分強い信号

図 7 中 央 下 は 従 来 の CT プ ロ ー ブ で 得 た MQW 断 面 の光が得られるため，光合分波器で高い SN で信号光を励起光

STM 像である．この領域を新しい一体型 CT プローブでもから分離し検出できる．

同様に安定して 5 nm 幅の井戸も含め MQW 断面の STM 像

トンネル電子励起ルミネッセンスを測定する場合は，光励が明瞭に得られる（図 7 中央上）．

起用レーザ光をオフし，トンネル電子のバイアスエネルギー

TL 測定は GaAs のバンドギャップより高いトンネル電圧を発光閾値より高くすることにより，検出する．一方，近接1.5 V，トンネル電流 0.2 nA で行った．SNOM 測定では，TL場光励起ルミネッセンスを測定する場合は，STM 動作のト測定時と同じ場所でトンネル電圧を GaAs バンドギャップよンネル電子の注入エネルギーを試料の発光閾値エネルギーより下げてギャップ制御のみの状態とし，TL を止めてから，り下げてから，励起用レーザ光をパルス照射する．画素ごと

波長 532 nm，出力 2 mW のレーザ光を微小開口から照射した．にこれを交互に繰り返すことにより空間位置が一致した近接いずれの信号光も開口を通して集光する．この間もプローブ場光励起光とトンネル電子励起光の画像を同時に得ることがの STM 制御は安定に継続する．図 8 はその際に獲られた発できる．トンネル電流は閾値電圧よりもバイアスを下げて発光スペクトルを示す．赤線は TL，黒線は PL である．これら光をとめても STM ギャップ制御は安定して持続する．STMのスペクトルは本プローブ顕微鏡により，ナノメータスケー電流を変化させても試料表面と開口との距離はほとんど変化

ルの同一領域で TL と PL を測定できることを示している．

しないので，安定な光照射／集光が可能である．また，トン
ネル電子励起と近接場光励起を同時に行って，相互作用を調特集

ま た， 幅 50, 20, 10 nm の MQW 断 面 が SNOM と STM 像で明瞭に得られた．

同一ナノ領域でのルミネッセンス測定を可能とするトンネル電子・近接場光励起一体型プローブ顕微鏡の開発

177【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 7 実験結果 光励起（上）と電子励起（下）による顕微鏡動作の結果．STM モード（中央）とルミネッセンスモード（右）を示す．挿入
された FIB プロセスの前後の SEM 像は全光動作（左上）用のサブ波長のアパーチャを示す．光と電子測定の両者で得られた STM 像の中に厚さ 50, 20, 10 nm の GaAs/AlAs 多層構造がはっきりと識別できる（中央）；5 nm 多層構造も光プローブ STM 像（中央上の挿入図）内に見ることができる．80 K と室温における GaAs の光励起で得られた発光スペクトル（中央上），と 80 K における電子励起で得られた発光スペクトル（中央下）．を示す．50 nm 厚 GaAs/AlAs 多層構造の電子励起ルミネッセンス像（右下挿入図）の空間分解能は 10 nm 以下である 9）．励起領域が小さいので，電子励起発光スペクトルの SN 比は悪い．

微鏡を開発した．プローブ先端に波長以下の微小開口とその6. まとめ

開口中央に正確に ITO のピラミッド形成した CT プローブ

ナノ領域における光学的および電気的物性，光と電子の相を作製した．これによりトンネル電子励起ルミネッセンスと互作用などを複合的に明らかにするために，同一のナノ領域近接場光励起ルミネッセンスを常に光学調整不要で高効率でで近接場光励起とトンネル電子励起のルミネッセンスを測定検出することが可能になった．

できる新しい一体型 CT プローブを用いた走査型プローブ顕

このプローブを用いて，同一ナノ領域からルミネッセンススペクトルを検出できることを確認した．今後はこのプローブを用いてナノ構造の物性分布のマッピング等に展開してゆく．
文

図 8 同一領域での電子励起と近接場光励起のスペクトル．トンネ
ル電子・近接場光励起一体型 CT プローブによる近接場光励起は波長 532 nm，出力 5.3 mW，トンネル電子励起は電圧 1.5 V，電流 0.2 nAで行った．

178

献1）Ohtsu, M. and Kobayashi, K.: Optical Near Field, Springer, Berlin,(2004)
2）Murashita, T.: J. Vac. Sci. Technol. B, 15, 32–37 (1997)3）Murashita, T. and Tateno, K.: Appl. Phys. Lett., 78, 3995–3997(2001)
4）Nakajima, K., Jacobsen, V., Yamasaki, Y., Noh, J., Fujita, D. and Hara,M.: Japan. J. Appl. Phys., 41, 4956–4960 (2002)5）Woolley, R.A.J., Hayton, J.A., Cavill, S., Jin, M., Beton, P.H. andMoriarty, P.: Meas. Sci. Technol., 19, 045301–045307 (2008)6）Sychugov, I., Omi, H., Murashita, T. and Kobayashi, Y.: Appl. Surf.
Sci., 254, 7861–7863 (2008)7）Grosges, T., Vial, A. and Barchiesi, D.: Opt. Express, 13, 8483–8497(2005)
8）Sychugov, I., Omi, H., Murashita, T. and Kobayashi, Y.:
Nanotechnology, 20, 145706–145709 (2009)9）Sychugov, I., Omi, H., Murashita, T. and Kobayashi, Y.: MRS Fall
Meeting, Boston (2008)
顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】