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

通过光电子和发光光谱探测 IV 半导体表面下的电子结构

基本信息

批准号：
22K04926
负责人：
武田さくら
金额：
$ 1.66万
依托单位：
Nara Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

半导体表面正下方厚度约为10 nm的区域形成空间电荷层，是场效应晶体管的关键，也是研究低维电子系统的重要舞台。反型层内的电子态用第一性原理计算极难处理，虽然已有近似的计算方法，但确切的电子态尚未明确。在这个项目中，我们将重点关注半导体表面正下方的区域，这是如上所述的一个尚未探索的区域，旨在通过实验阐明该区域中存在的特殊电子态并构建精确的模型。关于这一点。第一年，除了我们一直在研究的Si(111)表面正下方的p型反型层之外，我们还将研究通过角分辨光电子能谱获得的价带色散量子对于Si(001)表面正下方的p型反型层，通过寻找满足能级的反型层电势，我们发现表面正下方的能带曲率是平坦的。与Si(111)类似，这可以通过由于表面下方的价电子的量子化而在胃中发生负电荷的积累来解释，并且价电子中的载流子不能被纳米结构中的空穴成像捕获。。基于这一结果，将有可能构建一个包含本研究结果的空间电荷层电子态的新模型。此外，对于本项目的目标之一的电子激发发射光谱获取导带信息，我们首先建立了一种通过硅的高温发射检测来调整样品和透镜位置的方法。从获得的实验结果来看，我们发现硅电加热电流与硅温度之间普遍接受的关系（双对数图上的直线）适用于 350°C 的低温区域。