CaAs成長表面の表面構造に起因した光学応答スペクトルの第一原理的理論計算

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08640410
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 中山 隆史 千葉大学, 理学部, 助教授 (70189075)
• キーワード: 半導体表面 / 界面 / 再構成構造 / 電子状態 / 反射率差スペクトル / ダイマー状態 / 異族半導体界面 / 原子空孔 / 局所場効果

研究概要

強結合及び第一原理電子状態計算に基づく、半導体表面/界面からの異方性反射スペクトル(RDS)の計算方法を開発し、(001)CaAs再構成表面及び異族原子吸着界面に適用することで、以下に示すような表面/界面の光学応答の起源と電子状態の関係を理論的に解明した。
1.CaAsβ2表面のスペクトル起源:表面1〜3原子層に局在したAs-dimer・As-dangling-bond表面電子状態間の遷移が、表面に特有なRDSスペクトルのピーク構造を形成することを明らかにした。特にこれら状態のエネルギー位置はAs-dimer距離に敏感なので、ピーク位置は距離の減少と共に高エネルギー側に0.77eV/Åのオーダーでシフトする。一方、これらの状態は基板のバルク状態と共鳴的に結合しているために、ピーク幅はAs-dimer・基板距離の減少と共に0.5eV/Å程広がる。これらの結果によって、小林ら(NTT)のAs表面変化とRDSの関係を調べた最近の実験は定量的に良く説明された。
2.ZnSe吸着GaAs界面のスペクトル起源:1.とは対照的に、一般的に界面には局在した電子状態は存在しない。故に、海面からのRDSスペクトルは、海面の幾何学的非対称性の摂動を受けたバルク状態間の遷移だけから形成され、バルクの誘電率をエネルギーにつき変調(微分)した形を示すことを明らかにした。一方、特有な原子構造が界面に存在する場合には、界面に局在した電子状態もスペクトルに検出される。結果を安田ら(JRCAT)のZnSe/GaAs界面の実験と比較することで、この界面には本来的にGaの空孔サイトが約30%存在することを解明した。
3.スペクトルにおける局所場効果:原子層厚を変えた計算を実行することにより、表面/界面に局在/非局在した電子状態はいずれも、全スペクトルに対して50%程の局所場効果を示すことを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] M.Murayama,T.Nakayama: "Effect of the Surface-Atomic Positions on RDS Spectra of (001)-GaAs β2 Structure" Jpn.J.Appl.Phys.36巻No.3A(印刷中). (1997)
• [文献書誌] T.Nakayama,M,Murayama: "Reflectance Anisotropy Calculations of Buried Heterovalent Semiconductor Interfaces" Proc.23rd Int. Conf. Phys. of Semiconductors. 2巻. 939-942 (1996)
• [文献書誌] T.Nakayama: "Electronic and Optical Properties of Alkali Halides KBr/RbCl Superlattices" J. Phys. Soc. Jpn.65巻No.7. 2188-2193 (1996)
• [文献書誌] M,Murayama,T.Nakayama: "Material-Independent Anisotropy of Two-Photon Absorption Spectra in Semiconductors" Proc. 23rd Int. Conf. Phys. of Semiconductors. 1巻. 281-284 (1996)
• [文献書誌] H.Nishizawa,T.Nakayama: "Magneto-Optic Anisotropy Effect on Photonic Band Structure" J. Phys.Soc. Jpn.66巻No.3(印刷中). (1997)
• [文献書誌] M,Murayama,T.Nakayama: "Symmetry-induced Anisotropy of Two-Photon Absorption Spectra in Zinc-blende Semiconductors" Phys. Rev.B55巻No.16(印刷中). (1997)