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放射光第巻第号()

放射光ニュース
新博士紹介

同期して発振する。試料上での放射光とレーザーの入射タ.

氏名（UVSOR の場合，マルチバンチにおいて約 11 ナノ秒）で.

論文提出大学.

学位種類

博士（理学）

幅によって制限され，約1.5 ナノ秒であった。Fig. 2 は，

.

取得年月日

2003年 3 月

time-to-amplitude converter ( TAC ) を用いたマイクロ秒.

題目

イミングを調節することにより，放射光の繰り返し時間内田中仙君
総合研究大学院大学の時間分解測定が可能となる。時間分解能は放射光の時間

Surface Photovoltage in Semiconductors Stu-領域での光電子信号の時間変化測定システムの概略図であdied with Photoelectron Spectroscopy Using

る。光電子アナライザーの測定エネルギーを適当な値で固Synchrotron Radiation and Laser

定し，光電子信号をスタート信号，レーザー光をストップ

.

使用施設

.

要旨

信 号 と し て TAC を 駆 動 さ せ る 。 二 組 の TAC と multi-UVSOR BL5A, BL6A2

channel analyzer をもちいることで，レーザー照射時と非【序】

照射時の光電子強度の時間変化を測定でき，レーザーの繰

現在，放射光とレーザーは，基礎研究から応用分野にわり返し時間内での SPV の時間変化を測定することが可能たり無くてはならない重要な光源として広く利用されていとなる。この場合，時間分解能は光電子信号の測定装置のる。この二つの光源を組み合わせて用いる実験手法は，各応答速度によって制限され，約0.1マイクロ秒であった。

光源の利点を活かすことによって，これまでにないさまざ【結果と考察】Fig. 3 は，レーザー照射時と非照射時における pGaAs

まな新しい情報を得られることが期待される1)。
本研究の目的のひとつは，放射光とレーザーを組み合わ( 100 )の Ga 3d 光電子スペクトルである。室温ではレーせて用いる新しい内殻光電子分光法の開発である。この手

ザー照射時と非照射時においてスペクトルに変化は見られ法のユニークな点は，放射光を使うことで表面敏感な内殻なかったが，温度 90 K においてはレーザー照射時に光電光電子を測定することができること，レーザーと放射光の子スペクトルが高運動エネルギー側に約0.39 eV シフトす

パルス性を活かすことにより光電子スペクトルの時間変化ることを観測した。これは，レーザーの照射によって生じを測定できることである。
この手法を用いて，半導体表面での光誘起現象のひとつである Surface Photovoltage ( SPV ) のダイナミクスについて明らかにすることも本研究の目的である。バンドギャップ以上のエネルギーを持った光が半導体に吸収されると，生成された電子正孔対は表面バンドベンディング領域におけるポテンシャルの影響で空間的に分離される。その結果生じる起電力が SPV である。SPV は，スピン偏極電子源における電荷制限現象に影響していることが示唆されており2)，そのダイナミクスについての理解を深めることは応用の観点からも重要である。本研究では， p 型 GaAs

Figure 1. Schematic experimental setup for the pump-probe measurement in the range of 1.511 ns at BL 5A.

(100），およびスピン偏極電子源として設計された GaAsGaAsP 超格子表面における SPV 効果を測定した。また，
SPV 効果のナノ秒からマイクロ秒にわたる時間変化を測定した。
【実験】
実験は分子研 UVSOR BL5A と BL6A2 において行なった。放射光とレーザーの組み合わせとして，2 種類の手法を用いた。ひとつは，放射光とレーザーを同期させ，両者に時間差をつけるポンププローブ法による時間分解光電子測定法である。もうひとつは，マイクロ秒領域での光電子スペクトルの時間変化を直接測定する方法である。本研究では，励起光としてレーザーを，プローブ光として放射光を用いている。 Fig. 1 は，レーザーを放射光と同期させた時間分解光電子測定システムの概略図である。レーザー
はストレージリングのマスターオシレーターからの信号に

Figure 2. Schematic experimental setup for the measurement oftemporal structure in the range of 0.1100 ms at BL 5A. TAC: timeto-amplitude converter. MCA: multi-channel analyzer.

――(C) 2003 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号

()Figure 3. The Ga-3d core-level photoelectron spectra at (a) 295 K
and (b) 90 K in the clean surface of p-GaAs (100). Solid and dottedlines represent the spectra with and without laser excitation, respectively.

Figure 4. (a) Temporal proˆle of SPV in the p-type GaAs at 295
K. (b) Temporal proˆle of SPV in the p-type GaAs at 90 K.

クスは，ほとんど 3 段階目の表面とバルクキャリアの再た SPV が，半導体表面に存在するバンドベンディングを結合である。この再結合による SPV の消滅過程として緩和する方向に働いたためであるということを確認した。

は，ショットキーバリアモデルや WKB 近似に基づく検さらに， SPV のレーザーパワー依存性と温度依存性を測討により，室温においては熱的再結合過程が支配的であり，定した結果， SPV の大きさは，熱平衡状態でのバンドベ

90 K においてはトンネル過程が支配的であることを明らンディングの大きさ，光励起キャリア密度，試料温度をパかにした。

ラメータとした近似式で表わせることを明らかにした3)。

最後に，放射光とレーザーを組み合わせてもちいる時間

また，11ナノ秒内での SPV の時間分解光電子スペクト

分解内殻光電子分光法は，半導体表面での非平衡電子状態

ルの測定からは， SPV の消滅過程には， 1 ナノ秒以内にに対する非常に強力な測定方法であり，また，ナノ秒から減衰する過程と， 11 ナノ秒以上の寿命を持つ過程があるマイクロ秒にわたるダイナミクスについての情報が得られことがわかった。マイクロ秒領域での SPV のダイナミクるという点で非常にユニークな手法であるということを強スは，繰り返し周波数 10 kHz のレーザーを用いて測定し調したい。

た。その結果，室温では約1.5マイクロ秒で SPV が消滅するのに対して， 90 K では時定数 15 マイクロ秒程度で減衰参考文献する成分と，100 マイクロ秒以上の寿命をもつことを示す1)バックグラウンド成分を観測した（ Fig. 4 ）。この結果を3 段階の SPV 生成消滅過程モデルを使って説明を試みた。
3 段階モデルは，ステップ 1 として電子正孔対の生成，ステップ 2 として光励起キャリアの移動，ステップ 3 として表面とバルクキャリアの再結合を考えた。本実験装置のM. Kamada, S. Hirose, S. Asaka, T. Tsujibayashi, M.
Watanabe, O. Arimoto, S. Fujiwara, S. Nakanishi, H. Itoh andM. Itoh: J. Synchrotron Radiation 5, 1035 (1998).
2) A. Herrera-G áomez, G. Vergara and W. E. Spicer: J. Appl.
Phys. 79, 7318 (1996).
3) S. Tanaka, S. D. More, J. Murakami, Y. Fujii and M. Kamada: Phys. Rev. B 64, 155308 (2001).

時間分解および測定時間範囲から，観測しているダイナミ――（受付番号）