高橋 琢二教授
生産技術研究所 情報・エレクトロニクス系部門
SDGs
連携提案
この研究室では、走査プローブ顕微鏡（ナノプローブ）技術を拡張し、様々な材料・デバイスにおける局所的な物性を明らかにする研究に取り組んでいる。
これまでに、独自に開発した光援用ナノプローブ技術を適用して、太陽電池材料における光励起キャリアの微視的な振る舞いについての理解を深めることにより、太陽電池特性改善への方策を探求する研究や、複数の周波数の交流電圧を印加した導電性ナノプローブ手法により、特に半導体材料中のキャリアの振る舞いなどを局所的に明らかにする研究、などに取り組んでいる。
当研究室の技術による材料評価の共同実施や新たな計測技術の共同開発に関心のある企業との連携を希望する。
事業化プロポーザル
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光援用ナノプローブを用いた太陽電池素子等の解析・診断ナノプローブでは、微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報を得ることが可能である。この研究室では、ナノプローブを光照射下にて動作させることによって、被測定試料の光学的特性を可視化・計測する研究に取り組んでいる。このような手法を応用して、太陽電池素子等を解析・診断する技術および装置の開発を行いたい。 ケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）は原子間力顕微鏡（AFM）をベースとした顕微鏡の一種であり、試料の表面形状とポテンシャル像を同時に得ることができる。このKFMを光照射下で用いれば、光起電力特性の計測や、その空間分布の観測が可能となる。図1は、光援用KFMで観察したCu(In,Ga)Se2化合物半導体太陽電池における(a)表面形状像と(b)暗状態での表面電位像、(c)光起電力像である。1mm程度の結晶粒やその粒界付近での光起電力分布が可視化されていることが見て取れる。また、光起電力測定の応用によって、太陽電池材料における重要な特性指標である少数キャリアの寿命や拡散長などの局所的計測にも成功している。一方、光照射に伴う被測定試料の熱膨張量をAFMにて観測する光熱分光計測の開発にも取り組んでいる。図2は、多結晶Si太陽電池上で観測した(a)表面形状像と(b)光熱信号像である。特定の結晶粒界近傍で、光熱信号が増大していることがわかる。これは、この粒界付近で、太陽電池での損失に対応する光励起キャリアの非発光再結合が促進されていることを示している。 -
ナノプローブを用いた電子デバイスの解析・診断ナノプローブを用いて微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報（電気的、光学的情報等）を得るための研究を進めている。特長は、ナノプローブの持つ高い空間分解能を生かして、形状情報と同時に各種物性的情報を検知できることにあり、非破壊での評価、大気圧中での評価も可能である。これらの研究を応用して、LSI等、微細構造を有する電子デバイスに関する不良解析・診断技術の開発および装置の開発を行いたい。 磁気力顕微鏡（MFM）を用いて電流誘起磁場を観測する研究において、サブmm幅の微細金属電流路に1mA程度以下の電流を流したときの表面形状像、磁気力信号の振幅、位相成分の観測を通じて、磁気力信号強度と電流値との間によい比例関係があること、位相情報を利用して電流の向きを同定できること、などを確認している。また、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタに同様の手法を適用している。図(a)、(b)は、それぞれ、ナノチューブチャネル周囲で観測した形状像と磁気力信号像であり、ナノチューブ近傍での磁気力信号の明瞭な変化が捉えられている。また、図(c)は、様々なバイアス条件に対する磁気力信号強度の依存性であり、トランジスタの電流-電圧特性に相当する。このように、個別ナノチューブチャネルにおける閾値電圧や伝達コンダクタンス特性などの解析が可能である。さらに、ネットワーク状のナノチューブチャネルの中から主たる電流経路の同定にも成功している。 -
マイクロ・ナノエレクトロニクスに関する観察・測定技術のコンサルティングこの研究室では、以下のようなマイクロ・ナノエレクトロニクス分野における観察・測定に関する研究開発を行っている。 １．走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と光の複合的利用 光誘起電流測定、光起電力マッピング ２．走査トンネル分光法（ＳＴＳ） 低次元系半導体材料中の新しい物理現象の観察 ３．新しい走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）手法の開発 画像獲得の高速化、性能向上のための新しい動作原理の提案 ４．導電性／磁性探針を用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ） 形状と電流の同時測定、ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ）による表面 電位の測定、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を利用した微小電流計測
