イオンビーム誘起高密度電子励起結晶構造変化

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本研究の目的は短パルス紫外光レーザーであるエキシマレーザを用いて、高エネルギーイオンビーム照射時に固体中に生じる過度的高密度電子励起効果を、半導体Si表面に擬似的に発生させ、レーザー照射による半導体中への物質拡散過程を解明することにより、イオンビーム照射による物質相転移現象に関する知見を得ることである。特にパルスレーザー照射により固体表面に過渡的溶融相を生じさせ、偏析係数の大きい希土類元素エルビウムを半導体表面にド-ピングし、発光センターを導入し、その発光強度の深さ分布とEr原子分布をPL及びラザフォード後方散乱法とチャネリング法を用いて明らかにすることにより、レーザー照射時の原子挙動を解明することを試みた。その結果、レーザー励起エネルギー密度の減少に伴い、Er発光センターの発光強度が増加すること、及び、表面近傍の高温度層に比べて固体内部の、表面に比べて低温度の領域において結晶性が高く、発光センターが多く形成されることを明らかにした。この結果はSi格子が高密度励起状態から急激に緩和される際に不純物を格子中に取り込みやすく、表面近傍の溶融状態にある領域においては、不純物原子の取り込み確率が小さくなることを示唆している。すなわち、格子温度を低い状態にし、格子流動性の小さい状態で高密度電子状態を生じさせることにより、新物質合成を行うことが可能となると思われる。本研究において、Si格子の結晶性を低下させることなく、1×10^<21>Er/cm^3以上の高濃度ド-ピングを行うことに、世界で初めて成功した。