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

Research Project

Project/Area Number 22K04926
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionNara Institute of Science and Technology

Principal Investigator

武田 さくら  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (30314537)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords半導体 / 空間電荷層 / 電子状態 / 光電子分光 / カソードルミネッセンス / p型反転層 / 角度分解光電子分光 / 発光分光 / Si(111) / Si(001) / 量子化
Outline of Research at the Start

IV族半導体の表面・界面から10 nm程度の表面直下領域に存在する電子は、表面ポテンシャルや侵入ポテンシャルの影響を受け、半導体内部とは異なる状態を持つ。本研究では表面直下領域の電子の状態を角度分解光電子分光と電子励起発光(カソードルミネッセンス)を用いて包括的に解明する。これにより、IV族半導体の表面直下の電子状態に関する物理モデルを構築し、デバイス動作予測に有用な指針を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、半導体デバイス動作で重要な役割を果たす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明らかにし、正確な物理モデルを構築することを目的とした研究を行っている。
本年度は、レーザーを励起光に用いた時間分解2光子光電子分光を用い、シリコン表面直下の価電子閉じ込め型空間電荷層について、ポンプ光を照射し生成される光起電力によってバンド湾曲曲線を変化させた場合の、空間電荷層内の量子化電子状態の変化及びその時間変化の観測に成功した。また、サブバンドの光電子強度の入射光偏光性を測定し、サブバンドを原子軌道成分ごとに分けるために必要なデータを得ることに成功した。
発光分光については、電子線低視射角条件での微弱発光を測定するための、レンズー光ファイバ系を開発し、それまで測定できなかった低視射角条件でのカソードルミネッセンスを測定することに成功した。
更に、サブバンドが形成されている空間電荷層中に存在するバンド湾曲ポテンシャルを、実測したサブバンドの離散エネルギー準位を用いて、有効質量近似の範囲で数値計算を行い、推定する手法の構築を進めた。これは、実験で得たシュレディンガー方程式Hψ=Eψの固有値Eを実験で求め、得られたEを使ってハミルトニアン中のポテンシャル項Vを推定することに対応する。バンド湾曲ポテンシャルに閉じ込められた電子の離散エネルギー準位は解析的に得ることができない。固有値EからポテンシャルVを求めるには探索的に求める必要がある。本年度は特にポテンシャル曲線を表現する試行関数の選定と、探索方法の選定を行い、リーズナブルな時間で探索を行うことができる手法を編み出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

サブバンドの軌道成分を調べるための、ARPESの入射光偏光依存性の測定の実施は計画通りである。2光子光電子分光の時間分解のデータを得られたことは計画以上の進展である。
実測サブバンド準位からバンド湾曲ポテンシャルを探索する手法を編み出せたことも、計画以上の進展である。

Strategy for Future Research Activity

実測したサブバンド準位から、ポテンシャル曲線を推定する手法の開発を進める。また本手法を用いて、光起電力によるバンド湾曲ポテンシャルの変化を、時間分解光電子分光で得られたサブバンドのエネルギー準位を用いて推定する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Presentation] 角度分解2光子光電子分光法を用いたホールサブバンドの高分解能測定2024

    • Author(s)
      坂田智裕, 武田さくら, 山本勇, 東純平, 小野太智, 堀江里茉, 奥村勇斗, 市川涼太, 山田敬一, 宮田洋明
    • Organizer
      第29回 電子デバイス界面テクノロジー研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Nb:SrTiO3の角度分解カソードルミネッセンス2024

    • Author(s)
      堀江里茉, 奥村勇斗, 武田さくら
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 粒子群最適化を用いた実測Si(001)サブバンド準位を満たす空間電荷層ポテンシャル形状の探索2024

    • Author(s)
      小野太智, 市川涼太, Brian Godwin Lim, 湯川龍, 比嘉友大, Renzo Tan, 池田和司, 坂本一之, 筒井一生, 武田さくら
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Search of Band Bending Potential Curve Consistent with the Observed Electronic States2024

    • Author(s)
      Sakura Takeda, Ryota Ichikawa, Brian G. Lim, Taichi Ono, Ryu Yukawa, Renzo Tan, Kazushi Ikeda
    • Organizer
      International Conference on Advanced Functional Materials and Devices
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Derivation of Nonlinear Dynamics of Silicon Structure Under Indium Adsorption2024

    • Author(s)
      Yuichi Sakumura, Manuel T. Matsumoto, Kazushi Ikeda, Sakura Takeda
    • Organizer
      International Conference on Advanced Functional Materials and Devices
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] β-Ga2O3の表面欠陥由来カソードルミネッセンスピークの低視射角領域での角度依存性2023

    • Author(s)
      奥村勇斗, 市川涼太, 武田さくら
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 拡張探索空間で見出された実測サブバンド準位を満たすSi(001)p型反転層形状2023

    • Author(s)
      市川涼太, Brian Godwin Lim, 湯川龍, 比嘉友大, 奥村勇斗, Renzo Tan, 池田和司, 坂本一之, 筒井一生, 武田さくら
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 価電子が閉じ込められた半導体量子井戸構造での電荷分布2023

    • Author(s)
      武田 さくら
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 発光分光で求めた300℃?500℃におけるSiの加熱電流と温度の関係2023

    • Author(s)
      奥村 勇斗, 市川 涼太, 武田 さくら
    • Organizer
      日本物理学会 2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 実測サブバンド準位を満たすイオン打ち込みSi(001)p型反転層形状の探索的決定2023

    • Author(s)
      市川 涼太, 奥村 勇斗, 比嘉 友大, 湯川 龍, 坂本 一之, 筒井 一生, 武田 さくら
    • Organizer
      日本物理学会 2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Si(111) p型空間電荷層のバンド湾曲形状の価電子量子化による平坦化2023

    • Author(s)
      武田 さくら, Nur Idayu Ayob, 大門 寛, 稲垣 剛
    • Organizer
      応用物理学会 2023年春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] シリコン表面直下領域の価電子状態:実測と理解、デバイス応用2023

    • Author(s)
      武田 さくら
    • Organizer
      物質科学&デバイス物理研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 実測サブバンド準位を満たすイオン打ち込みSi(001)p型反転層形状の探索的決定2023

    • Author(s)
      市川 涼太, 奥村 勇斗, 比嘉 友大, 湯川 龍, 坂本 一之, 筒井 一生, 武田 さくら
    • Organizer
      「電子デバイス界面テクノロジー研究会 ―材料・プロセス・デバイス特性の物理―」 (第28回研究会) EDIT28
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 低視射角カソードルミネッセンスによるGa2O3の表面不純物の検出2023

    • Author(s)
      奥村 勇斗, 奥野 健也, 大上 丞, 市川 涼太, 加藤 有香子, 三木 一司, 山中 俊郎, 武田 さくら
    • Organizer
      「電子デバイス界面テクノロジー研究会 ―材料・プロセス・デバイス特性の物理―」 (第28回研究会) EDIT28
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 探索的に見出した極狭 Si(001)p 型反転送の実測サブバンド準位を満たすポテンシャル形状2022

    • Author(s)
      市川 涼太, 奥村 勇斗, 比嘉 友大, 湯川 龍, 坂本 一之, 筒井 一生, 武田 さくら
    • Organizer
      2022 年度 関西薄膜・表面物理セミナー
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 発光分光で求めた 300°C~500°Cにおける Si の加熱電流と温度の関係2022

    • Author(s)
      奥村 勇斗, 市川 涼太, 武田 さくら
    • Organizer
      2022 年度 関西薄膜・表面物理セミナー
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] Quantized carriers in a small world

    • URL

      https://sites.google.com/site/sntprojects/Projects/hsb

    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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