光電子分光法による半導体ヘテロ接合バンド不連続量に与える界面双極子効果の解明

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分子線エピタキシ-法に代表される最近の優れた結晶成長技術の発展により、冶金学的意味において1原子レベルで急峻な半導体ヘテロ接合を作製することが可能になった。しかし、異なる2つの物質を接合し、急峻なヘテロ接合を作製しても、電子構造は局所的に擾乱を受け、遷移領域が形成されるはずである。本研究では、X線光電子分光法(XPS)を用いて、ヘテロ界面極近傍の局所的な価電子分布、およびそれに起因する静電ポテンシャルの詳細を検討し、ヘテロ界面には界面双極子が存在すること、また電子構造の遷移領域がどの程度の厚さであるかを明らかにした。局所的な電荷分布の情報を得るために用いた試料は、分子線エピタキシ-法により作製したAlAs/d原子層GaAs/AlAsダブルへテロ(DH)構造、および逆のGaAs/d原子層AlAs/GaAs DH構造である。挿入した層の厚さdを系統的に変化させながら、Ga3d軌道とAl2p軌道のエネルギ-差をinーsituXPS法を用いて測定することにより、Ga3dおよびAl2p軌道の束縛エネルギ-をヘテロ界面からの距離の関数として、詳細に検討することができる。その結果、Ga3d軌道の内殻準位は、ヘテロ界面の極近傍ではバルクGaAs中のそれより約0.1eV深くなっていること、逆にAl2p軌道は約0.1eVだけ浅くなっていることが初めて明らかになった。このことは、GaAs/AlAsヘテロ界面には、数百meV程度の界面双極子が存在することを示している。さらに、簡単な静電ポテンシャルの計算値とのフィッティングより、価電子分布の遷移領域が、従来理論的に予測されていたよりも厚く、少なくとも約4原子層の厚さ(〜11オングストロ-ム)に及ぶことが明らかになった。