九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1712123F

Ｂ Ｌ 番 号 ： 12（様式第 5 号）
α -酸 化 ガ リ ウ ム /サ フ ァ イ ア 界 面 の XPS 測 定
XPS study of -Ga 2 O 3 /Sapphire interface
大 島 孝 仁 1， 加 藤 勇 次 1， 小 林 英 一 2， 高 橋 和 敏 3
Takayoshi Oshima 1 , Yuji Kato 1 , Eiichi Kobayashi 2 , Kazutoshi Takahashi 3
1

佐賀大学，2 九州シンクロトロン光研究センター，3 佐賀大学シンクロトロン光応用センター
1
Saga Univ, 2 Kyushu Synchrotron Light Research Center, 3 Synchrotron Light Application
Center, Saga Univ.
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
コ ヒ ー レ ン ト な α-Ga 2 O 3 /Al 2 O 3 ヘ テ ロ 接 合 界 面 の バ ン ド ア ラ イ メ ン ト を X 線 光 電 子 分 光
で 評 価 し た ．評 価 し た サ ン プ ル は ， α-Al 2 O 3 ホ モ エ ピ タ キ シ ャ ル 膜 と α-Ga 2 O 3 /Al 2 O 3 多 重
量 子 井 戸 で あ る ．得 ら れ た ス ペ ク ト ル の 分 析 か ら ，α-Ga 2 O 3 と α-Al 2 O 3 の バ ン ド ギ ャ ッ プが そ れ ぞ れ ， 5.7 と 8.7 eV で あ り ， 伝 導 帯 と 価 電 子 帯 の オ フ セ ッ ト が 2.7 と 0.3 eV であることが分かった．
（ English ）The band alignment at a coherent α -Ga 2 O 3 /Al 2 O 3 heterointerface was evaluated by analyzing
X-ray photoemission spectra for an α -Al 2 O 3 film and an α-Ga 2 O 3 /Al 2 O 3 multi-quantum wells
grown coherently on sapphire substrates. The measured bandgaps of α -Ga 2 O 3 and α-Al 2 O 3 were
5.7 and 8.7 eV, and the conduction - and valence-band offsets were 2.7 and 0.3 eV, respectively.

２．背景と目的近年，コランダム構造を持つα型酸化ガリウム(α-Ga2O3)半導体がにわかに注目されており，その物性解明が多角的な視点から行われている．特に，コランダム構造を持つ α-Ga2O3 は，α-Al2O3 との混晶である α-(AlxGa1-x)2O3 が全組成範囲で実現可能であることから，将来的にヘテロ接合デバイス応用が期待されており，α-Ga2O3/(AlxGa1-x)2O3 接合界面における物性評価が求められている．そのヘテロ接合のバンドラインナップに関しては，これまでに組成範囲 0.1  x  0.8 におけるバンドアライメントが報告されている[1]．しかし，α-Ga2O3/Al2O3 界面における報告は，格子不整合度が大きく良好な界面を形成しづらいからか報告されていない．そのような状況で，我々は α-Ga2O3/Al2O3 コヒーレント超格子の作製に成功した[2]．そこでこの良好な界面を有する α-Ga2O3/Al2O3 ヘテロ接合のバンドアライメントを X 線光電子分光 (XPS) により評価した．

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
分子線エピタキシー法により図1に示すα-Al2O3ホモエピ
タキシャル膜とα-Ga2O3/Al2O3多重量子井戸（MQWs）サンプルを作製した．図中の膜厚は，X線反射率測定による結果である．なお，X線回折測定の結果から，MQWsが基板に対してコヒーレント成長していることを確認した．
これらの試料に対して，XPSをBL12に付属の分光器（ULVAC PHI1600）を用いて行った．

図 1 評価試料断面模式図．

４．実験結果と考察
MQWs

Intensity (arb. units)

α-Al2O3

102.6 eV71.0 eV

Intensity (arb. units)

α-Al2O3

31.3 eV

Al2p

Ga
3p

Al
2p

VB

VB

75 70 50 110 105 75 70 5x10x108.7 eV0MQWs

O1s545 540 535 530

5.7 eV
540535

Binding energy (eV)Binding energy (eV)(a)(b)

530

O1s525図 2 試料の XPS スペクトル．
XPS スペクトルを図 2 にまとめたが，図 2(a)に示すように内殻ピークと価電子帯上端のエネルギーを比較することで，α-Ga2O3/Al2O3 界面の価電子帯オフセットがΔEV = (102.6–71.0–31.3) eV = 0.3 eVと求められた．一方，図 2(b)に示す O 1s のエネルギー損失から，α-Ga2O3 と α-Al2O3 のバンドギャップがそれぞれ 5.7 と 8.7 eV と分かった．それらの結果を考慮することで，伝導帯オフセットはΔEC =(8.7–5.7–0.3) eV = 2.7 eV と算出できた．ΔEV がΔEC に対して比較的小さいが，この傾向は 0.1  x  0.8の α-Ga2O3/(AlxGa1-x)2O3 でも報告されており[1]，価電子帯上端部分が主に金属ではなく酸素により形成されているためであると考えられる．なお，α-Ga2O3/(AlxGa1-x)2O3 ヘテロ接合におけるバンドアライメントについては，過去の報告[1]と本報告により全組成のライブラリーデーターが完成したことになる．
５．今後の課題
α-Ga2O3/(AlxGa1-x)2O3 接合界面における各種組成におけるバンドオフセットのライブラリーが完成したため，本研究は完了したと考える．
６．参考文献[1] T. Uchida, R. Jinno, S. Takemoto, K. Kaneko, and S. Fujita, Jpn. J. Appl. Phys. 57, 40314 (2018).
[2] T. Oshima, Y. Kato, M. Imura, Y. Nakayama, and M. Takeguchi, Appl. Phys. Express in press (2018).
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
Takayoshi Oshima, Yuji Kato, Eiichi Kobayashi, Kazutoshi Takahashi
Measurements of the band alignment at coherent α-Ga2O3/Al2O3 heterojunctions, JJAP 投稿中.
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
酸化ガリウム，酸化アルミニウム，X 線光電子分光
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2017 年度実施課題は 2019 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

① 論文（査読付）発表の報告（報告時期：2018 年 12 月末までに報告）