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「存在する」から「見える」へ。半導体中を流れる伝導正孔の可視化に初めて成功
物質構造科学研究所（https://www.kek.jp/ja/press/category/institute-of-materials-structure-science）
研究成果（https://www.kek.jp/ja/press/tag/%e7%a0%94%e7%a9%b6%e6%88%90%e6%9e%9c）
公開日 2026/10/21
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）
本研究成果のストーリー
Question
電子の海に埋もれた「正孔」は、どうすれば見えるのか？
Findings
伝導正孔は、伝導電子と同様に半導体デバイスを動作させる重要な電荷キャリア。伝導正孔の観測に必要な条件を初めて特定。
Meaning
これまで見えなかった電荷キャリアの動きを捉え、半導体デバイスの動作を評価する新たな手法に。
図1 半導体デバイスは、電子と正孔、または、どちらかが電荷キャリアとして動くことで機能している。本研究では、トランジスタが動作する環境下で正孔の可視化に成功。
概要
高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の福本 恵紀 特任准教授、筑波大学の吉川 康介氏は、半導体デバイスの動作において、伝導電子と同様に重要な電荷キャリアである伝導正孔の可視化に成功しました（図1）。正孔は、ルドルフ・パイエルス博士がホール効果（※１）を量子力学的に導出する際にも導出された正の電荷です。これまでに、電気計測による素子全体の平均的な情報として伝導正孔の振る舞いが観測されてきましたが、実験的な制約により、電荷キャリアとして半導体デバイスの動作に「機能する伝導正孔」の空間的な分布を観測した例はありませんでした。今回、パルスレーザーを光源とする光電子顕微鏡（フェムト秒光電子顕微鏡（図2））を利用して、電界効果トランジスタ（※２）が動作する環境下で正孔の直接観測に成功し、観測のためのレシピを詳細に解説しました。この成果は、ホール効果などトランジスタ全体の平均として伝導正孔の流れを電気的に計測する従来手法に対し、イメージング法を用いることで、トランジスタ内の膜厚などの不均一性が正孔観測に影響することを特定した画期的な発明となりました。