JP3936148B2 - 単一電子素子評価装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一電子素子のアイランドと探針が非接触で、アイランド上に量子化した電荷量と静電容量と浮遊電荷の測定を実現することができる単一電子素子評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先端の鋭い探針により試料表面を走査することで、試料表面の情報を１０-6〜１０-11 ｍの分解能で調べる技術として、従来、様々なタイプの走査形プローブ顕微鏡が提案されている。この走査形プローブ顕微鏡の代表的なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用する走査形トンネル顕微鏡（以下、「ＳＴＭ」と称す）や、探針と試料間に働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡（以下、「ＡＦＭ」と称す）や、探針と試料間の静電容量を計測する走査形静電容量顕微鏡（以下「ＳＣＭ」と称す）などがある。
【０００３】
ＳＣＭは主としてＡＦＭをベースにしており、ＡＦＭにより探針を試料表面に走査させながら同時に静電容量の情報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振回路、検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより、探針−試料間のキャパシタンス変化をＬＣ共振回路の共振周波数の変化として検出する。この静電容量の電圧依存性を測定できる特徴を利用して、ＳＣＭはこれまでに半導体のキャリア密度の評価装置として用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしでなら、ＳＣＭでは、ＬＣ共振回路を用いてキャパシタンスの変化を測定しているので、試料の容量変化は評価できるものの、試料表面の電荷量が分からないという問題がある。すなわち、ＳＣＭでは、単一電子素子のアイランド上の電荷量を測定することができない。また、ＳＣＭでは導電性材料からなる探針を試料表面に接触させ走査させるため、単一電子素子の容量を測定するためには、試料表面に絶縁層を設ける必要があるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑み、単一電子素子表面に積極的に絶縁層を設けることなく、測定点のアイランドの電荷量と、アイランドと基板及び探針間の静電容量と、アイランドと容量を介して接続された探針及び基板間のトンネル抵抗と、アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備する単一電子素子評価装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕単一電子素子評価装置において、少なくとも先端部を導電性材料で形成した探針と、導電性基板と、この導電性基板上に導電性材料で形成したアイランドと、前記探針を一端側に取り付けると共に、この探針と前記導電性基板との間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能な探針ホルダーと、この探針ホルダーを前記導電性基板に対して相対的に移動させる手段と、前記探針と前記導電性基板間に探針電圧を印加する手段と、前記導電性基板と前記探針の相対距離を周期的に変化させた時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段と、前記探針と導電性基板間の相対距離を周期的に変化させた時に検出された変位電流の探針電圧依存性に基づき、測定点のアイランドの電荷量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間の静電容量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、前記アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の単一電子素子評価装置において、前記探針を水平方向に走査する時に前記導電性基板に対する前記探針の平均高さを一定に保つよう制御し、前記探針の水平走査時の前記変位電流と前記探針の平均変位量を画像信号データとして読み込み、１次元の変位電流ならびに前記探針のＺ軸方向の変位量の断面画像あるいは２次元の変位電流ならびに変位量の画像として表示する手段と、前記探針ホルダーの探針を前記画像を用いて決定された場所に位置決めし、前記変位電流の探針電圧およびバイアス電圧依存性を測定することにより、所望の該測定点のアイランドの電荷量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び少なくとも一つ以上の導電体間の静電容量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、前記アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００９】
本発明の基本的な形態は、先端部を導電性材料で形成した探針と、導電性基板とを設けて、この導電性基板上に導電性材料で形成したアイランドを有するいわゆる単一電子トランジスタにおけるような量子構造体を有する試料に探針を近づけ、前記試料とこの探針の相対距離を周期的に変化させると、この探針と前記試料間の静電容量の変化と、この探針と前記導電性基板への電束の収束条件の変化に応じて外部回路に流れる前記アイランド上の電荷の変位電流を測定するものである。
【００１０】
この探針と導電性基板間に印加する電圧を変化させて変位電流を測定することにより、アイランドの電荷量と、アイランドと容量を介して接続された探針及び導電性基板間の静電容量と、アイランドの補償電荷の定量測定が可能となる。本単一電子素子評価装置における変位電流測定方法には、本出願人による変位電流測定手法〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．６２（２０００）１９７１−１９７７〕、および既に提案された、特願平１１−８３００４号などを適用することができる。
【００１１】
ところで、図１に示すような微小な静電容量を有するダブル・バリア・トンネリング・接合（Ｄｏｕｂｌｅ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）におけるトンネル電流の端子間電圧依存性を測定すると、クーロンブロッケードに起因した階段状の単一電子トンネル電流が観察される〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．４４（１９９１）５９１９−５９２２〕。
【００１２】
図１において、１は探針、２は導電性基板、３はアイランドである。
【００１３】
このように非常に小さなキャパシタンスを有する単一電子トンネル接合では、アイランド３に対して接合を介して電子一個のトンネル現象に起因した出し入れを行った際に、アイランド３に対する充電エネルギーの変化が、温度揺らぎｋB Ｔ（Ｔ：絶対温度、ｋB ：ボルツマン定数）に比べて無視できない大きさになる。このような状況下では、電子１個がトンネルすることによってアイランド３上の電子数が変化し、その結果エネルギー的に損をするようなトンネルは禁止される。この現象がクーロンブロッケードであり、単一電子トンネル現象の基本原理となる。
【００１４】
ダブル・バリア・トンネリング・接合において、アイランド３上に存在する電子数の計算は、本発明において測定する変位電流の電圧依存性の理論曲線を得る上で大変重要である。
【００１５】
ここでは、簡単のために、ダブル・バリア・トンネリング・接合として、図２に示されるような回路を仮定して、アイランド３上にある電子数の数を見積もることとする。アイランド３上にｎ個の電子が存在し、正の単位電荷を有する電子が接合１と接合２を介してトンネルし、アイランド上の電子がｎ＝ｎ±１に変化する際のトンネル頻度Γj ±（ｎ）は、
【００１６】
【数１】
【００１７】
で表される。ただし、ｊは接合の番号、Ｒj は接合ｊのトンネル抵抗、ｅは単位電荷（ｅ＞０）、ΔＥj ±は接合ｊにおいて正の単位電荷を有する電子数がｎ＝ｎ±１となるようにトンネルした場合のエネルギー変化である。また、ΔＥj ±は静電エネルギーより、
【００１８】
【数２】
【００１９】
【数３】
【００２０】
【数４】
【００２１】
ただし、Ｑはアイランド上にあるトンネルが起こる前の電荷量、Ｃj は接合ｊにおける静電容量、ＣΣはＣ1 ＋Ｃ2 、ΔＵはトンネルが起こる前と後の静電エネルギー変化、Ｖは電極２を基準として電極１に印加した電圧である。ΔＥj ±の第二項は接合ｊを電子１個が横切ったときのポテンシャル変化である。ところで、導電性基板上で導電性基板から離れた場所にある電荷はアイランドに対して補償電荷を誘起する。このアイランドの補償電荷Ｑ0 は、アイランド周囲の電荷から発生する電束の収束条件によって決まり、｜Ｑ0 ｜＜ｅ／２の値を取る。したがって、アイランド上の電荷量はｎｅ（ｎは整数）で表される電荷量にアイランド上の補償電荷Ｑ0 を加えた、Ｑ＝（ｎｅ−Ｑ0 ）で表されると考えることができるので、
【００２２】
【数５】
【００２３】
【数６】
【００２４】
となる。したがって、接合１と接合２を流れるトンネル電流は、それぞれ、
【００２５】
【数７】
【００２６】
【数８】
【００２７】
となる。ただし、σ（ｎ）はアイランド上にｎ個の電子があるときの確率に比例する分布関数であり、
【００２８】
【数９】
【００２９】
を満たす。また、電子数がｎから１個増えるときと、電子数がｎ＋１から１個減るときに流れるトンネル電流は同じであるから、
【００３０】
【数１０】
【００３１】
となる。上記の式を用いると、σ（ｎ）のｎ依存性を数値的に計算することが可能であり、アイランド上に存在する平均電子数Ｎ〔Ｖ，ｄ（ｔ）〕は、
【００３２】
【数１１】
【００３３】
となる。ただし、ｄ（ｔ）は、電極１と電極２の距離である。
【００３４】
ところで、電極１及び電極２に誘起される電荷量Ｑ1 〔Ｖ，ｄ（ｔ）〕は、それぞれ、
【００３５】
【数１２】
【００３６】
となる。ただし、Ｃ3 〔ｄ（ｔ）〕は電極１と電極２の間の静電容量、Ｃ2 〔ｄ（ｔ）〕は、電極２とアイランド間の静電容量である。
【００３７】
ここで、電極１と電極２の間の距離を
【００３８】
【数１３】
【００３９】
のように変化させることを考える。ただし、ｄ0 は平均距離、ｄ1 は振幅、ωは角周波数（ω＝２πｆ）である。また、電極１と電極２の間には、ｍ個のアイランドが存在するとする。このとき、電極１を通して流れる変位電流の平均値ＩD1（Ｖ）および電極２を通して流れる変位電流の平均値ＩD2（Ｖ）はそれぞれ、
【００４０】
【数１４】
【００４１】
となる。上式より変位電流は、電圧に比例する右辺の括弧で囲まれた第１項および第２項と、アイランド上の電荷の変化に起因して流れる右辺の括弧で囲まれた第３項の和で表されることが分かる。
【００４２】
したがって、クーロンブロッケードに起因してアイランド上の電荷が量子化することにより流れる電流成分は、第３項に相当することになる。また、式（１４）と式（１４′）を比較するとアイランド上の荷電に起因した電流成分は、電圧に比例する第１項および第２項に対して、式（１４）では逆向きとなり、式（１４）では同じ向きとなる。したがって、どちらの電流に流れる電流を測定するかによって、クーロンブロッケードに起因した変位電流の波形は、大きく変化することになる。
【００４３】
また、変位電流の平均値ＩD1（Ｖ）と変位電流の平均値ＩD2（Ｖ）は異なり、ＩD1（Ｖ）とＩD2（Ｖ）の和〔式（１４）と式（１４′）の和〕ＩD3（Ｖ）は
【００４４】
【数１５】
【００４５】
となり、プローブの振動に伴うアイランド上の電子数の変化に相当した電流となる。
【００４６】
ところで、図２に示された等価回路から明らかなように、接合１と接合２のトンネル抵抗の比Ｒ2 ／Ｒ1 は接合１と接合２の電圧分担比に対応するため、アイランド上の電子数を決定する上で重要である。
【００４７】
図３は、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 を１０００，１０，１，０．１，０．００１と変化させ、アイランド上に存在する平均電子数Ｎ〔Ｖ，ｄ（ｔ）〕の電圧依存性を計算した典型的な例である。ただし、Ｒ2 ／Ｒ1 以外の解析条件は、Ｃ1 ＝２．１ａＦ，Ｃ2 ＝１．２ａＦ，Ｔ＝７０Ｋ，Ｑ0 ＝０である。
【００４８】
図３より抵抗値比Ｒ2 ／Ｒ1 の変化によりアイランド上の平均電子数は大きく変化することが分かる。Ｒ2 ／Ｒ1 ≫１ではほとんどの電圧が接合１に加わり、接合２には電圧が加わらないため、平均電子数が１個分変化する電圧間隔は単位電荷をＣ1 で割った値（ｅ／Ｃ1 ）である約７６ｍＶとなり、電圧が正の時にアイランド上には正の電荷が存在することになる。一方、Ｒ2 ／Ｒ1 ≪１ではほとんどの電圧が接合２に加わり、接合１には電圧が加わらないため、平均電子数が１個分変化する電圧間隔は単位電荷をＣ2 で割った値（ｅ／Ｃ1 ）である約１３３ｍＶとなり、電圧が正の時にアイランド上には負の電荷が存在することになる。
【００４９】
図４はアイランド上の浮遊電荷Ｑ0 を変化させたときの平均電荷量の電圧依存性を示している。
【００５０】
ただし、解析条件は、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 ＝０．００１，Ｃ1 ＝２．１ａＦ，Ｃ2 ＝１．２ａＦ，Ｔ＝７０Ｋである。
【００５１】
図４よりアイランド上の浮遊電荷により、平均電荷量の電圧依存性は電圧軸方向に平行移動することが分かる。
【００５２】
上記（１４）式の第３項から明らかなように、変位電流成分はアイランド上の平均電荷数に大きく依存する。ところで、本発明では上記（１３）式で示したように、電極１と電極２の間隔を周期的に変化させている。アイランドが電極１に固定されているとすると、アイランドと電極２の間隔が変化することになる。トンネル抵抗Ｒ2 は間隔の増大に対して指数関数的に変化することが知られているので、接合２に相当する抵抗はアイランドと電極２の間隔が狭い時は小さく、広くなると大きくなる。したがって、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 は、間隔が狭い時はＲ2 ／Ｒ1 ≪１、間隔が広い時はＲ2 ／Ｒ1 ≫１となるような実施条件が存在する。
【００５３】
図５は、直径７ｎｍのアイランドが電極１と電極２の間に１個だけ存在し、電極２であるプローブの曲率先端半径ｒを１００，５０，２０，１０ｎｍとしたときの変位電流の平均値を上記（１４）式を用いて求めたものである。解析条件は，Ｔ＝７０Ｋ，Ｃ1 ＝２．０８ａＦであり、その他の解析条件は表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
図５より、曲率半径が、例えば１００ｎｍのように大きく、電極１と電極２の間の静電容量が大きいときには上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第１項の影響が大きく、電圧の増加に対して変位電流は増加することが分かる。一方、曲率半径が１０ｎｍのように小さくなると、電圧の増加に対して変位電流は減少することが分かる。このように曲率半径が小さくなった際に、変位電流の電圧依存性が負の傾きを持つ理由は、上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第３項のアイランド上の電子数の変化が負方向に変位電流を流すためであることが分かる。
【００５６】
したがって、電極２の曲率半径の減少によって、変位電流の電圧依存性は正から負へ連続的に変化する。さらに、図５において曲率半径が５０ｎｍの場合には、変位電流の電圧依存性は周期的に増減を繰り返している。これは、電圧の増加に対して変位電流が単調に比例して増加する上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第１項および第２項と、電圧の増加に対して変位電流が徐々に周期的に減少する上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第３項の寄与が拮抗しているために、変位電流は周期的に増減を繰り返しているものである。
【００５７】
以上述べたように、変位電流の電圧依存性は、式（１４）の変位電流を測定するかあるいは式（１４′）の変位電流を測定するか、プローブが最も基板に接近したときと遠ざかった時の、トンネル抵抗比、Ｒ2 ／Ｒ1 の大小関係、アイランドの補償電荷、測定温度など、実施条件によって大きく変化するが、変位電流の周期的な変化を解析し、実験結果にフィッティングすることにより、アイランドと容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間の静電容量と、アイランドと容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間のトンネル抵抗と、アイランドの補償電荷とを求めることができる。
【００５８】
なお、本発明の他の構成上の特徴および作用の詳細については、以下に図６を参照しながら実施例を説明するが、本発明はこれら例に限られるものではない。
【００５９】
〔実施例〕
図６は本発明の実施例を示す半導体評価装置の一実施例を示す全体システム構成図である。
【００６０】
この図において、１は少なくとも先端部を導電性材料で形成した探針、２は導電性基板、３はその導電性基板２上に導電性材料で形成したアイランド、４は前記探針１を一端側に取り付けると共に、前記導電性基板２との間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能な探針ホルダー（ここでは、導電性ＡＦＭカンチレバー）、５は探針ホルダー４を前記導電性基板２に対して相対的に移動させる手段、６は前記探針１と前記導電性基板２間に探針電圧を印加する手段（ここでは、直流電源）、７は前記導電性基板２と前記探針１の相対距離を周期的に変化させた時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段（ここでは、電流計と２位相ロックインアンプ）、８はその検出された変位電流の探針電圧依存性に基づき、その測定点のアイランド３の電荷量と、前記アイランド３と容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間の静電容量と、前記アイランド３と容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間のトンネル抵抗と、前記アイランド３の補償電荷とを評価する手段（ここでは、電気的特性評価装置）を具備することを特徴とする。
【００６１】
このように、導電性基板２は測定対象の任意の導体部分を有する電極を有する基板、例えば、シリコン、金属等を示す。探針１の下方には電極を有する導電性基板２が配置され、探針１の少なくとも先端部は導電性を有している。また、導電性基板２と探針１の間には導体部分を有するアイランド３が存在する。このアイランド３の直径は、クーロンブロッケードが観察される温度を決定する上で重要である。この直径は、例えば１０ｎｍ以下が好ましく、常温にて本発明を実施する場合は５ｎｍ以下であることが特に好ましい。アイランド３の材質としては、金、銀、半導体微粒子、有機分子、フラーレン、共役系高分子等がある。
【００６２】
この探針１の先端部の曲率半径は、変位電流検出感度および変位電流の空間分解能を決める上で重要である。この曲率半径は例えば１×１０-4〜１×１０-9ｍが好ましい。探針１の先端曲率半径は、電解研磨法を用いると先端曲率半径を制御よく形成することが可能となるので好ましい。電解研磨法にて探針１を作製することが可能な材質としては、例えばタングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等がある。導電性基板２とアイランド３の間は絶縁体で隔てられており、導電性基板２とアイランド３の距離は、例えば０．５〜２０ｎｍが好ましい。
【００６３】
本実施例は、文献：Ｙ．Ｍａｊｉｍａ，Ｓ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ，Ｙ．Ｏｙａｍａ，Ｍ．Ｉｗａｍｏｔｏ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７（１９９８）４５５７−４５６０．と、Ｙ．Ｍａｊｉｍａ，Ｙ．Ｏｙａｍａ ａｎｄ Ｍ．Ｉｗａｍｏｔｏ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６２（２０００）１９７１−１９７７．と、特開２０００−２７７５８１に記載があるトンネル電流と変位電流を同時に分離計測するシステムを用いることができる。
【００６４】
以下、具体例について説明する。
【００６５】
１．５ｎｍの膜厚を有するＳｉＯ2 膜が表面に存在するｐ−Ｓｉ（１１１）基板（キャリア濃度は３×１０15ｃｍ-3）からなる導電性基板２上に粒径が約７ｎｍの金のコロイド粒子（真空治金製）からなるアイランド３を８００ｎｍ2 に１個の割合で分散させた試料に対して、超高真空中にて温度を７０Ｋまで冷却し、探針１の振幅ｄ1 が５ｎｍとなるように、周波数３４３２Ｈｚにて振動させ、アイランド３に探針１を近づけたときの変位電流Ｉ（Ｖ）−探針電圧Ｖ特性の測定結果例を図７に示す。図７よりクーロンブロッケードに起因した階段状の変位電流が観測されていることが分かる。また、階段状変位電流は、ほぼ原点に対して対称となっており、周期性があるものの、若干周期性に乱れがあることから、２つの周期が重畳されていることが分かる。
【００６６】
図８に上記（１４）式を用いて求められる解析結果を測定結果にフィッティングした例を示す。解析条件はＴ＝７０Ｋ，Ｃ1 ＝２．０８ａＦ，Ｑ0 ＝０Ｃであり、探針１が最もアイランド３に近づいた時のＣ2 、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 、Ｃ3 はそれぞれ、１．４３ａＦ，０．００１，２．５８ｆＦ、探針１が最もアイランド３から遠ざかった時のＣ2 、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 ，Ｃ3 はそれぞれ、０．９６ａＦ，１０００，２．４２ｆＦであり、１３０個のアイランド３が探針１下に存在し、探針１とアイランド３の距離の最小値が１．４ｎｍ、最大値が１１．４ｎｍに変化することを仮定している。図８より、解析結果は、実験結果と非常に良く一致することが分かる。
【００６７】
次に、探針１をＺ軸方向に振動させた上で、水平方向に走査させ、変位電流および探針１の平均変位量の画像を得る方法について説明する。
【００６８】
本実施例の装置では、非接触原子間力顕微鏡（ｎｃ ＡＦＭ）のいわゆるＦＭ検出法を用いたダイナミックモードを用いているため、凹凸像を探針１の高さの変化として検出することができ、さらに、外部回路を流れる変位電流像を測定することができる。この装置を用いて、本実施例の試料を観察したところ、凹凸像からアイランド３の粒径が約７ｎｍであり、導電性基板上のアイランドの密度が８００ｎｍ2 に１個であることが、凹凸像より観察された。また、探針１がアイランド３の直上にある場合と無い場合で変位電流像が大きく変化することが確認された。これは、アイランド３上にクーロンブロッケードに起因した電荷が存在することを意味する。この凹凸像並びに変位電流像から、先端曲率半径が１０ｎｍのカンチレバーをアイランド３直上に位置決めして、変位電流の電圧依存性を測定したところ、探針１の振動周波数が５０ｋＨｚにて、図９に示すような、クーロンブロッケードに起因した階段状の変位電流が、一つのアイランド３におけるクーロンブロッケード現象から観察された。
【００６９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、探針を振動させた際に流れる変位電流を測定することにより、アイランドの電荷量と、アイランドと導電性基板及び探針間の静電容量と、アイランドと容量を介して接続された探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、アイランドの補償電荷とを評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる微小な静電容量を有するダブル・バリア・トンネリング・接合におけるトンネル電流の端子間電圧依存性を測定するための模式図である。
【図２】図１に示すダブル・バリア・トンネリング・接合にかかる回路図である。
【図３】トンネル抵抗比を変化させ、アイランド上に存在する平均電子数の電圧依存性を計算した典型的例を示す図である。
【図４】アイランド上の浮遊電荷を変化させたときの平均電荷量の電圧依存性を示す図である。
【図５】直径７ｎｍのアイランドが電極１と電極２の間に１個だけ存在し、電極２であるプローブの曲率先端半径ｒを１００，５０，２０，１０ｎｍとしたときの変位電流の平均値を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す半導体評価装置の一実施例を示す全体システム構成図である。
【図７】所定の条件下でアイランドに探針を近づけたときの変位電流−探針電圧Ｖ特性の測定結果例を示す図である。
【図８】（１４）式を用いて求められる解析結果を測定結果にフィッティングした例を示す図である。
【図９】クーロンブロッケードに起因した階段状の変位電流が、一つのアイランドにおけるクーロンブロッケード現象から観察された様子を示す図である。
【符号の説明】
１ 先端部を導電性材料で形成した探針
２ 導電性基板
３ アイランド
４ 探針ホルダー
５ 探針ホルダーを移動させる手段
６ 探針電圧を印加する手段（直流電源）
７ 変位電流検出手段（電流計と２位相ロックインアンプ）
８ 電気的特性評価装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一電子素子のアイランドと探針が非接触で、アイランド上に量子化した電荷量と静電容量と浮遊電荷の測定を実現することができる単一電子素子評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先端の鋭い探針により試料表面を走査することで、試料表面の情報を１０-6〜１０-11 ｍの分解能で調べる技術として、従来、様々なタイプの走査形プローブ顕微鏡が提案されている。この走査形プローブ顕微鏡の代表的なものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用する走査形トンネル顕微鏡（以下、「ＳＴＭ」と称す）や、探針と試料間に働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡（以下、「ＡＦＭ」と称す）や、探針と試料間の静電容量を計測する走査形静電容量顕微鏡（以下「ＳＣＭ」と称す）などがある。
【０００３】
ＳＣＭは主としてＡＦＭをベースにしており、ＡＦＭにより探針を試料表面に走査させながら同時に静電容量の情報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振回路、検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより、探針−試料間のキャパシタンス変化をＬＣ共振回路の共振周波数の変化として検出する。この静電容量の電圧依存性を測定できる特徴を利用して、ＳＣＭはこれまでに半導体のキャリア密度の評価装置として用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしでなら、ＳＣＭでは、ＬＣ共振回路を用いてキャパシタンスの変化を測定しているので、試料の容量変化は評価できるものの、試料表面の電荷量が分からないという問題がある。すなわち、ＳＣＭでは、単一電子素子のアイランド上の電荷量を測定することができない。また、ＳＣＭでは導電性材料からなる探針を試料表面に接触させ走査させるため、単一電子素子の容量を測定するためには、試料表面に絶縁層を設ける必要があるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑み、単一電子素子表面に積極的に絶縁層を設けることなく、測定点のアイランドの電荷量と、アイランドと基板及び探針間の静電容量と、アイランドと容量を介して接続された探針及び基板間のトンネル抵抗と、アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備する単一電子素子評価装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕単一電子素子評価装置において、少なくとも先端部を導電性材料で形成した探針と、導電性基板と、この導電性基板上に導電性材料で形成したアイランドと、前記探針を一端側に取り付けると共に、この探針と前記導電性基板との間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能な探針ホルダーと、この探針ホルダーを前記導電性基板に対して相対的に移動させる手段と、前記探針と前記導電性基板間に探針電圧を印加する手段と、前記導電性基板と前記探針の相対距離を周期的に変化させた時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段と、前記探針と導電性基板間の相対距離を周期的に変化させた時に検出された変位電流の探針電圧依存性に基づき、測定点のアイランドの電荷量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間の静電容量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、前記アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の単一電子素子評価装置において、前記探針を水平方向に走査する時に前記導電性基板に対する前記探針の平均高さを一定に保つよう制御し、前記探針の水平走査時の前記変位電流と前記探針の平均変位量を画像信号データとして読み込み、１次元の変位電流ならびに前記探針のＺ軸方向の変位量の断面画像あるいは２次元の変位電流ならびに変位量の画像として表示する手段と、前記探針ホルダーの探針を前記画像を用いて決定された場所に位置決めし、前記変位電流の探針電圧およびバイアス電圧依存性を測定することにより、所望の該測定点のアイランドの電荷量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び少なくとも一つ以上の導電体間の静電容量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、前記アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００９】
本発明の基本的な形態は、先端部を導電性材料で形成した探針と、導電性基板とを設けて、この導電性基板上に導電性材料で形成したアイランドを有するいわゆる単一電子トランジスタにおけるような量子構造体を有する試料に探針を近づけ、前記試料とこの探針の相対距離を周期的に変化させると、この探針と前記試料間の静電容量の変化と、この探針と前記導電性基板への電束の収束条件の変化に応じて外部回路に流れる前記アイランド上の電荷の変位電流を測定するものである。
【００１０】
この探針と導電性基板間に印加する電圧を変化させて変位電流を測定することにより、アイランドの電荷量と、アイランドと容量を介して接続された探針及び導電性基板間の静電容量と、アイランドの補償電荷の定量測定が可能となる。本単一電子素子評価装置における変位電流測定方法には、本出願人による変位電流測定手法〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．６２（２０００）１９７１−１９７７〕、および既に提案された、特願平１１−８３００４号などを適用することができる。
【００１１】
ところで、図１に示すような微小な静電容量を有するダブル・バリア・トンネリング・接合（Ｄｏｕｂｌｅ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）におけるトンネル電流の端子間電圧依存性を測定すると、クーロンブロッケードに起因した階段状の単一電子トンネル電流が観察される〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．４４（１９９１）５９１９−５９２２〕。
【００１２】
図１において、１は探針、２は導電性基板、３はアイランドである。
【００１３】
このように非常に小さなキャパシタンスを有する単一電子トンネル接合では、アイランド３に対して接合を介して電子一個のトンネル現象に起因した出し入れを行った際に、アイランド３に対する充電エネルギーの変化が、温度揺らぎｋB Ｔ（Ｔ：絶対温度、ｋB ：ボルツマン定数）に比べて無視できない大きさになる。このような状況下では、電子１個がトンネルすることによってアイランド３上の電子数が変化し、その結果エネルギー的に損をするようなトンネルは禁止される。この現象がクーロンブロッケードであり、単一電子トンネル現象の基本原理となる。
【００１４】
ダブル・バリア・トンネリング・接合において、アイランド３上に存在する電子数の計算は、本発明において測定する変位電流の電圧依存性の理論曲線を得る上で大変重要である。
【００１５】
ここでは、簡単のために、ダブル・バリア・トンネリング・接合として、図２に示されるような回路を仮定して、アイランド３上にある電子数の数を見積もることとする。アイランド３上にｎ個の電子が存在し、正の単位電荷を有する電子が接合１と接合２を介してトンネルし、アイランド上の電子がｎ＝ｎ±１に変化する際のトンネル頻度Γj ±（ｎ）は、
【００１６】
【数１】
で表される。ただし、ｊは接合の番号、Ｒj は接合ｊのトンネル抵抗、ｅは単位電荷（ｅ＞０）、ΔＥj ±は接合ｊにおいて正の単位電荷を有する電子数がｎ＝ｎ±１となるようにトンネルした場合のエネルギー変化である。また、ΔＥj ±は静電エネルギーより、
【００１８】
【数２】
【数３】
【数４】
ただし、Ｑはアイランド上にあるトンネルが起こる前の電荷量、Ｃj は接合ｊにおける静電容量、ＣΣはＣ1 ＋Ｃ2 、ΔＵはトンネルが起こる前と後の静電エネルギー変化、Ｖは電極２を基準として電極１に印加した電圧である。ΔＥj ±の第二項は接合ｊを電子１個が横切ったときのポテンシャル変化である。ところで、導電性基板上で導電性基板から離れた場所にある電荷はアイランドに対して補償電荷を誘起する。このアイランドの補償電荷Ｑ0 は、アイランド周囲の電荷から発生する電束の収束条件によって決まり、｜Ｑ0 ｜＜ｅ／２の値を取る。したがって、アイランド上の電荷量はｎｅ（ｎは整数）で表される電荷量にアイランド上の補償電荷Ｑ0 を加えた、Ｑ＝（ｎｅ−Ｑ0 ）で表されると考えることができるので、
【００２２】
【数５】
【数６】
となる。したがって、接合１と接合２を流れるトンネル電流は、それぞれ、
【００２５】
【数７】
【数８】
となる。ただし、σ（ｎ）はアイランド上にｎ個の電子があるときの確率に比例する分布関数であり、
【００２８】
【数９】
を満たす。また、電子数がｎから１個増えるときと、電子数がｎ＋１から１個減るときに流れるトンネル電流は同じであるから、
【００３０】
【数１０】
となる。上記の式を用いると、σ（ｎ）のｎ依存性を数値的に計算することが可能であり、アイランド上に存在する平均電子数Ｎ〔Ｖ，ｄ（ｔ）〕は、
【００３２】
【数１１】
となる。ただし、ｄ（ｔ）は、電極１と電極２の距離である。
【００３４】
ところで、電極１及び電極２に誘起される電荷量Ｑ1 〔Ｖ，ｄ（ｔ）〕は、それぞれ、
【００３５】
【数１２】
となる。ただし、Ｃ3 〔ｄ（ｔ）〕は電極１と電極２の間の静電容量、Ｃ2 〔ｄ（ｔ）〕は、電極２とアイランド間の静電容量である。
【００３７】
ここで、電極１と電極２の間の距離を
【００３８】
【数１３】
のように変化させることを考える。ただし、ｄ0 は平均距離、ｄ1 は振幅、ωは角周波数（ω＝２πｆ）である。また、電極１と電極２の間には、ｍ個のアイランドが存在するとする。このとき、電極１を通して流れる変位電流の平均値ＩD1（Ｖ）および電極２を通して流れる変位電流の平均値ＩD2（Ｖ）はそれぞれ、
【００４０】
【数１４】
となる。上式より変位電流は、電圧に比例する右辺の括弧で囲まれた第１項および第２項と、アイランド上の電荷の変化に起因して流れる右辺の括弧で囲まれた第３項の和で表されることが分かる。
【００４２】
したがって、クーロンブロッケードに起因してアイランド上の電荷が量子化することにより流れる電流成分は、第３項に相当することになる。また、式（１４）と式（１４′）を比較するとアイランド上の荷電に起因した電流成分は、電圧に比例する第１項および第２項に対して、式（１４）では逆向きとなり、式（１４）では同じ向きとなる。したがって、どちらの電流に流れる電流を測定するかによって、クーロンブロッケードに起因した変位電流の波形は、大きく変化することになる。
【００４３】
また、変位電流の平均値ＩD1（Ｖ）と変位電流の平均値ＩD2（Ｖ）は異なり、ＩD1（Ｖ）とＩD2（Ｖ）の和〔式（１４）と式（１４′）の和〕ＩD3（Ｖ）は
【００４４】
【数１５】
となり、プローブの振動に伴うアイランド上の電子数の変化に相当した電流となる。
【００４６】
ところで、図２に示された等価回路から明らかなように、接合１と接合２のトンネル抵抗の比Ｒ2 ／Ｒ1 は接合１と接合２の電圧分担比に対応するため、アイランド上の電子数を決定する上で重要である。
【００４７】
図３は、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 を１０００，１０，１，０．１，０．００１と変化させ、アイランド上に存在する平均電子数Ｎ〔Ｖ，ｄ（ｔ）〕の電圧依存性を計算した典型的な例である。ただし、Ｒ2 ／Ｒ1 以外の解析条件は、Ｃ1 ＝２．１ａＦ，Ｃ2 ＝１．２ａＦ，Ｔ＝７０Ｋ，Ｑ0 ＝０である。
【００４８】
図３より抵抗値比Ｒ2 ／Ｒ1 の変化によりアイランド上の平均電子数は大きく変化することが分かる。Ｒ2 ／Ｒ1 ≫１ではほとんどの電圧が接合１に加わり、接合２には電圧が加わらないため、平均電子数が１個分変化する電圧間隔は単位電荷をＣ1 で割った値（ｅ／Ｃ1 ）である約７６ｍＶとなり、電圧が正の時にアイランド上には正の電荷が存在することになる。一方、Ｒ2 ／Ｒ1 ≪１ではほとんどの電圧が接合２に加わり、接合１には電圧が加わらないため、平均電子数が１個分変化する電圧間隔は単位電荷をＣ2 で割った値（ｅ／Ｃ1 ）である約１３３ｍＶとなり、電圧が正の時にアイランド上には負の電荷が存在することになる。
【００４９】
図４はアイランド上の浮遊電荷Ｑ0 を変化させたときの平均電荷量の電圧依存性を示している。
【００５０】
ただし、解析条件は、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 ＝０．００１，Ｃ1 ＝２．１ａＦ，Ｃ2 ＝１．２ａＦ，Ｔ＝７０Ｋである。
【００５１】
図４よりアイランド上の浮遊電荷により、平均電荷量の電圧依存性は電圧軸方向に平行移動することが分かる。
【００５２】
上記（１４）式の第３項から明らかなように、変位電流成分はアイランド上の平均電荷数に大きく依存する。ところで、本発明では上記（１３）式で示したように、電極１と電極２の間隔を周期的に変化させている。アイランドが電極１に固定されているとすると、アイランドと電極２の間隔が変化することになる。トンネル抵抗Ｒ2 は間隔の増大に対して指数関数的に変化することが知られているので、接合２に相当する抵抗はアイランドと電極２の間隔が狭い時は小さく、広くなると大きくなる。したがって、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 は、間隔が狭い時はＲ2 ／Ｒ1 ≪１、間隔が広い時はＲ2 ／Ｒ1 ≫１となるような実施条件が存在する。
【００５３】
図５は、直径７ｎｍのアイランドが電極１と電極２の間に１個だけ存在し、電極２であるプローブの曲率先端半径ｒを１００，５０，２０，１０ｎｍとしたときの変位電流の平均値を上記（１４）式を用いて求めたものである。解析条件は，Ｔ＝７０Ｋ，Ｃ1 ＝２．０８ａＦであり、その他の解析条件は表１に示す。
【００５４】
【表１】
図５より、曲率半径が、例えば１００ｎｍのように大きく、電極１と電極２の間の静電容量が大きいときには上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第１項の影響が大きく、電圧の増加に対して変位電流は増加することが分かる。一方、曲率半径が１０ｎｍのように小さくなると、電圧の増加に対して変位電流は減少することが分かる。このように曲率半径が小さくなった際に、変位電流の電圧依存性が負の傾きを持つ理由は、上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第３項のアイランド上の電子数の変化が負方向に変位電流を流すためであることが分かる。
【００５６】
したがって、電極２の曲率半径の減少によって、変位電流の電圧依存性は正から負へ連続的に変化する。さらに、図５において曲率半径が５０ｎｍの場合には、変位電流の電圧依存性は周期的に増減を繰り返している。これは、電圧の増加に対して変位電流が単調に比例して増加する上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第１項および第２項と、電圧の増加に対して変位電流が徐々に周期的に減少する上記（１４）式の右辺の括弧で囲まれた第３項の寄与が拮抗しているために、変位電流は周期的に増減を繰り返しているものである。
【００５７】
以上述べたように、変位電流の電圧依存性は、式（１４）の変位電流を測定するかあるいは式（１４′）の変位電流を測定するか、プローブが最も基板に接近したときと遠ざかった時の、トンネル抵抗比、Ｒ2 ／Ｒ1 の大小関係、アイランドの補償電荷、測定温度など、実施条件によって大きく変化するが、変位電流の周期的な変化を解析し、実験結果にフィッティングすることにより、アイランドと容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間の静電容量と、アイランドと容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間のトンネル抵抗と、アイランドの補償電荷とを求めることができる。
【００５８】
なお、本発明の他の構成上の特徴および作用の詳細については、以下に図６を参照しながら実施例を説明するが、本発明はこれら例に限られるものではない。
【００５９】
〔実施例〕
図６は本発明の実施例を示す半導体評価装置の一実施例を示す全体システム構成図である。
【００６０】
この図において、１は少なくとも先端部を導電性材料で形成した探針、２は導電性基板、３はその導電性基板２上に導電性材料で形成したアイランド、４は前記探針１を一端側に取り付けると共に、前記導電性基板２との間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能な探針ホルダー（ここでは、導電性ＡＦＭカンチレバー）、５は探針ホルダー４を前記導電性基板２に対して相対的に移動させる手段、６は前記探針１と前記導電性基板２間に探針電圧を印加する手段（ここでは、直流電源）、７は前記導電性基板２と前記探針１の相対距離を周期的に変化させた時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段（ここでは、電流計と２位相ロックインアンプ）、８はその検出された変位電流の探針電圧依存性に基づき、その測定点のアイランド３の電荷量と、前記アイランド３と容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間の静電容量と、前記アイランド３と容量を介して接続された探針１及び導電性基板２間のトンネル抵抗と、前記アイランド３の補償電荷とを評価する手段（ここでは、電気的特性評価装置）を具備することを特徴とする。
【００６１】
このように、導電性基板２は測定対象の任意の導体部分を有する電極を有する基板、例えば、シリコン、金属等を示す。探針１の下方には電極を有する導電性基板２が配置され、探針１の少なくとも先端部は導電性を有している。また、導電性基板２と探針１の間には導体部分を有するアイランド３が存在する。このアイランド３の直径は、クーロンブロッケードが観察される温度を決定する上で重要である。この直径は、例えば１０ｎｍ以下が好ましく、常温にて本発明を実施する場合は５ｎｍ以下であることが特に好ましい。アイランド３の材質としては、金、銀、半導体微粒子、有機分子、フラーレン、共役系高分子等がある。
【００６２】
この探針１の先端部の曲率半径は、変位電流検出感度および変位電流の空間分解能を決める上で重要である。この曲率半径は例えば１×１０-4〜１×１０-9ｍが好ましい。探針１の先端曲率半径は、電解研磨法を用いると先端曲率半径を制御よく形成することが可能となるので好ましい。電解研磨法にて探針１を作製することが可能な材質としては、例えばタングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等がある。導電性基板２とアイランド３の間は絶縁体で隔てられており、導電性基板２とアイランド３の距離は、例えば０．５〜２０ｎｍが好ましい。
【００６３】
本実施例は、文献：Ｙ．Ｍａｊｉｍａ，Ｓ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ，Ｙ．Ｏｙａｍａ，Ｍ．Ｉｗａｍｏｔｏ：Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７（１９９８）４５５７−４５６０．と、Ｙ．Ｍａｊｉｍａ，Ｙ．Ｏｙａｍａ ａｎｄ Ｍ．Ｉｗａｍｏｔｏ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６２（２０００）１９７１−１９７７．と、特開２０００−２７７５８１に記載があるトンネル電流と変位電流を同時に分離計測するシステムを用いることができる。
【００６４】
以下、具体例について説明する。
【００６５】
１．５ｎｍの膜厚を有するＳｉＯ2 膜が表面に存在するｐ−Ｓｉ（１１１）基板（キャリア濃度は３×１０15ｃｍ-3）からなる導電性基板２上に粒径が約７ｎｍの金のコロイド粒子（真空治金製）からなるアイランド３を８００ｎｍ2 に１個の割合で分散させた試料に対して、超高真空中にて温度を７０Ｋまで冷却し、探針１の振幅ｄ1 が５ｎｍとなるように、周波数３４３２Ｈｚにて振動させ、アイランド３に探針１を近づけたときの変位電流Ｉ（Ｖ）−探針電圧Ｖ特性の測定結果例を図７に示す。図７よりクーロンブロッケードに起因した階段状の変位電流が観測されていることが分かる。また、階段状変位電流は、ほぼ原点に対して対称となっており、周期性があるものの、若干周期性に乱れがあることから、２つの周期が重畳されていることが分かる。
【００６６】
図８に上記（１４）式を用いて求められる解析結果を測定結果にフィッティングした例を示す。解析条件はＴ＝７０Ｋ，Ｃ1 ＝２．０８ａＦ，Ｑ0 ＝０Ｃであり、探針１が最もアイランド３に近づいた時のＣ2 、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 、Ｃ3 はそれぞれ、１．４３ａＦ，０．００１，２．５８ｆＦ、探針１が最もアイランド３から遠ざかった時のＣ2 、トンネル抵抗比Ｒ2 ／Ｒ1 ，Ｃ3 はそれぞれ、０．９６ａＦ，１０００，２．４２ｆＦであり、１３０個のアイランド３が探針１下に存在し、探針１とアイランド３の距離の最小値が１．４ｎｍ、最大値が１１．４ｎｍに変化することを仮定している。図８より、解析結果は、実験結果と非常に良く一致することが分かる。
【００６７】
次に、探針１をＺ軸方向に振動させた上で、水平方向に走査させ、変位電流および探針１の平均変位量の画像を得る方法について説明する。
【００６８】
本実施例の装置では、非接触原子間力顕微鏡（ｎｃ ＡＦＭ）のいわゆるＦＭ検出法を用いたダイナミックモードを用いているため、凹凸像を探針１の高さの変化として検出することができ、さらに、外部回路を流れる変位電流像を測定することができる。この装置を用いて、本実施例の試料を観察したところ、凹凸像からアイランド３の粒径が約７ｎｍであり、導電性基板上のアイランドの密度が８００ｎｍ2 に１個であることが、凹凸像より観察された。また、探針１がアイランド３の直上にある場合と無い場合で変位電流像が大きく変化することが確認された。これは、アイランド３上にクーロンブロッケードに起因した電荷が存在することを意味する。この凹凸像並びに変位電流像から、先端曲率半径が１０ｎｍのカンチレバーをアイランド３直上に位置決めして、変位電流の電圧依存性を測定したところ、探針１の振動周波数が５０ｋＨｚにて、図９に示すような、クーロンブロッケードに起因した階段状の変位電流が、一つのアイランド３におけるクーロンブロッケード現象から観察された。
【００６９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、探針を振動させた際に流れる変位電流を測定することにより、アイランドの電荷量と、アイランドと導電性基板及び探針間の静電容量と、アイランドと容量を介して接続された探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、アイランドの補償電荷とを評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる微小な静電容量を有するダブル・バリア・トンネリング・接合におけるトンネル電流の端子間電圧依存性を測定するための模式図である。
【図２】図１に示すダブル・バリア・トンネリング・接合にかかる回路図である。
【図３】トンネル抵抗比を変化させ、アイランド上に存在する平均電子数の電圧依存性を計算した典型的例を示す図である。
【図４】アイランド上の浮遊電荷を変化させたときの平均電荷量の電圧依存性を示す図である。
【図５】直径７ｎｍのアイランドが電極１と電極２の間に１個だけ存在し、電極２であるプローブの曲率先端半径ｒを１００，５０，２０，１０ｎｍとしたときの変位電流の平均値を示す図である。
【図６】本発明の実施例を示す半導体評価装置の一実施例を示す全体システム構成図である。
【図７】所定の条件下でアイランドに探針を近づけたときの変位電流−探針電圧Ｖ特性の測定結果例を示す図である。
【図８】（１４）式を用いて求められる解析結果を測定結果にフィッティングした例を示す図である。
【図９】クーロンブロッケードに起因した階段状の変位電流が、一つのアイランドにおけるクーロンブロッケード現象から観察された様子を示す図である。
【符号の説明】
１ 先端部を導電性材料で形成した探針
２ 導電性基板
３ アイランド
４ 探針ホルダー
５ 探針ホルダーを移動させる手段
６ 探針電圧を印加する手段（直流電源）
７ 変位電流検出手段（電流計と２位相ロックインアンプ）
８ 電気的特性評価装置
Claims (2)
- （ａ）少なくとも先端部を導電性材料で形成した探針と、
（ｂ）導電性基板と、
（ｃ）該導電性基板上に導電性材料で形成したアイランドと、
（ｄ）前記探針を一端側に取り付けると共に、該探針と前記導電性基板との間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能な探針ホルダーと、
（ｅ）該探針ホルダーを前記導電性基板に対して相対的に移動させる手段と、
（ｆ）前記探針と前記導電性基板間に探針電圧を印加する手段と、
（ｇ）前記導電性基板と前記探針の相対距離を周期的に変化させた時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段と、
（ｈ）前記探針と導電性基板間の相対距離を周期的に変化させた時に検出された変位電流の探針電圧依存性に基づき、測定点のアイランドの電荷量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間の静電容量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、前記アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備することを特徴とする単一電子素子評価装置。 - 請求項１記載の単一電子素子評価装置において、前記探針を水平方向に走査する時に前記導電性基板に対する前記探針の平均高さを一定に保つよう制御し、前記探針の水平走査時の前記変位電流と前記探針の平均変位量を画像信号データとして読み込み、１次元の変位電流ならびに前記探針のＺ軸方向の変位量の断面画像あるいは２次元の変位電流ならびに変位量の画像として表示する手段と、前記探針ホルダーの探針を前記画像を用いて決定された場所に位置決めし、前記変位電流の探針電圧およびバイアス電圧依存性を測定することにより、所望の該測定点のアイランドの電荷量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び少なくとも一つ以上の導電体間の静電容量と、前記アイランドと容量を介して接続された前記探針及び導電性基板間のトンネル抵抗と、前記アイランドの補償電荷とを評価する手段を具備することを特徴とする単一電子素子評価装置。
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