「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ー100年前にディラック博士が提唱した「負のエネルギーを持つ電子」を捉えるー

2026-10-21 高エネルギー加速器研究機構,科学技術振興機構

KEKと筑波大学などの研究グループは、半導体デバイスの動作中に、電荷を運ぶ「伝導正孔」がどこに存在し、どのように分布しているかを直接可視化することに初めて成功した。正孔は、電子が抜けた空席が正の電荷を持つ粒子のように振る舞うもので、トランジスタなどの半導体デバイスを動作させる重要な電荷キャリアである。研究では、パルスレーザーを光源とするフェムト秒光電子顕微鏡を用い、電界効果トランジスタが動作する条件下で正孔を観測した。さらに、半導体膜の厚さなどの不均一性が観測結果に影響することを明らかにし、可視化に必要な条件を特定した。従来の電気計測では素子全体の平均的な情報しか得られなかったが、本手法は局所的な電荷分布の評価を可能にする。トランジスタ、太陽電池、発光デバイス、光触媒などの性能評価や開発への応用が期待される。

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。

＜関連情報＞

電界効果トランジスタにおける伝導性ホールのイメージング
Imaging conducting holes in field-effect transistors

Keiki Fukumoto;Kosuke Yoshikawa;Konoha Shimizu;Elizaveta Pyatenko;Yoichi Yamada;Yutaka Wakayama;Ryoma Hayakawa
Applied Physics Review Published:October 21 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0335842

Holes and electrons are indispensable charge carriers in various electronic and optoelectronic devices. However, holes are quasiparticles described as the absence of electrons, and their signals are often buried under strong electron-derived signals, making observation challenging. In this study, we propose a highly sensitive imaging method based on photoemission electron microscopy with a photon-energy-tunable laser source to visualize hole accumulation at the organic semiconductor–insulator interface in an organic field-effect transistor. By tuning the photon energy of the excitation source to the energy level corresponding to the top of the highest occupied molecular orbital, hole accumulation in an organic semiconductor could be detected as a decrease in photoemission intensity under an applied gate voltage. The proposed method has the potential to unveil the carrier transport mechanism in a wide range of semiconductor-based devices with real-time imaging of hole transport and accumulation. It thus paves the way for the development of state-of-the-art electronic devices.