Electronic structures beneath IV semiconductor surfaces probed by photoelectron and luminescence spectroscopies

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空間電荷層を形成する10nm程度の厚さの半導体表面直下領域は電界効果トランジスタの要であり、また低次元電子系を研究する舞台として重要である。反転層内の電子状態は、第一原理計算で取り扱うことが極めて困難であり、これまで近似的に計算する手法はあったものの、精密な電子状態は明らかでなかった。本課題では、上述のようにこれまで未開拓の領域であった半導体表面直下領域に着目し、この領域に存在する特殊な電子状態を実験的に明らかにし、精密なモデルを構築することを目的とした研究を行っている。初年度は、これまでに手掛けてきたSi(111)表面直下p型反転層に加え、Si(001)表面直下p型反転層についても、角度分解光電子分光で得られた価電子バンド分散の量子準位を満たす反転層ポテンシャルの探索を通じ、表面直下でバンド湾曲が平坦になっていることを見出した。これは、Si(111)同様、表面直下に価電子の量子化によって胃生じる負電荷蓄積のためとして説明することが可能であり、ナノ構造では価電子内のキャリアをホール描像で捉えることができないことを示している。この成果をもとに本研究結果を取り入れた空間電荷層の電子状態の新しいモデル構築を行うことが可能となると考えられる。また、本課題が目的の一つに掲げる、伝導帯の情報を得るための電子励起発光分光については、まず試料とレンズの位置調整をシリコンの高温発光検出を通じて行う手法を確立した。得られた実験結果から、通説として知られてきたシリコン通電加熱に用いる電流と、シリコン温度が両対数グラフで直線となる関係が、350℃の低温領域まで適応されることを見出した。