Quantitative electric field observation at high spatial resolution by differential phase contrast STEM

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走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いた材料局所電磁場観察手法の開発と応用を行なっている．STEMのイメージング手法の中で，特に電磁場を可視化定量化する手法として発展を見せているのが，微分位相コントラスト(DPC) STEMである．DPC STEMでは電子が試料を透過する際に受ける運動量変化を，STEMの明視野に配置した特殊な検出器で測定することで，試料内部の電磁場を高い空間分解能で得ることができる．しかしながら，DPC STEMを一般の材料に対して応用するには大きな問題が残されていた．それが回折コントラストの問題である．本研究では電子線傾斜を複数変化させながら重ね合わせ検出することで，回折コントラストの影響を十分に低減するtDPC STEM法を開発した．さらにtDPC STEM法の効果を，電子回折シミュレーションにより定量的に評価し，それをGaN系半導体量子井戸構造に応用することで実証した．本研究成果は論文発表済みである．次に，開発手法を用いてGaN系半導体ヘテロ接合界面に形成される二次元電子ガスの局所定量観察を行った．二次元電子ガスは高電子移動度トランジスタの伝導キャリアなどに用いられる半導体デバイスの基本構造である．二次元電子ガスは試料の欠陥や不純物などにより，局所的に変化する可能性が考えられるが，その解析はこれまでホール効果測定などの平均的な手法に頼っていた．そこで本研究では，GaNとAlInNのヘテロ接合に対して，tDPC STEMによる観察を行い，二次元電子ガスのナノスケールでの局所定量観察に成功した．本手法は半導体デバイスに対して，局所観察という新たな解析手段をもたらすものであり，今後の半導体デバイスの研究開発に大きく貢献することが期待される．本研究についても論文発表済みである．