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光電子-オージェ電子コインシデンス分光法によるSi(110)-16×2 清浄表面の原子構造と局所価電子状態（１愛媛大学理学部、２KEK-PF、３総研大）○垣内拓大１、吉崎佑也１、久保田裕之１、佐藤勇輝１、間瀬一彦２，３）

Atomic Structure and Local Valence Electronic States of Clean Si(110)-16×2 Surface
Studied by Using Photoelectron Auger-Electron Coincidence Spectroscopy（1Ehime Univ., 2KEK-PF, 3Grad. Univ. Adv. Stud.）T. Kakiuchi1, Y. Yoshizaki1, H. Kubota1, Y. Sato1, K. Mase2, 3【序】Si(110)-16×2 単一ドメイン（SD）表面は、Si(100)や Si(111)表面に比べ高いホール移動度を示すことから新規デバイス基板として注目されている。近年、Si(110)-16×2-SD の最安定構造モデルがいくつか提唱されているが[1-2]、その中でも坂本らが提唱した Adatom-Buckling (AB)モデルが有力視されている[1]。坂本らは Si(110)-16×2SD 清浄表面の５つの Si-2p 光電子ピークの表面成分を SC1：the buckled upper atoms、SC2：the unbuckled atoms with dangling bond(DBs) and the second layer atoms with DBs、SC3：the first and second layer atoms withoutDBs、SC4：the adatoms、SC5：the buckled lower atoms に帰属し、バルクのバンドギャップ中の表面状態 S1（EB = 0.2 eV）は the adatoms（SC4）の DBs に、S2（EB = 0.4 eV）は the buckledupper atoms（SC1）の DBs に、S3（EB = 0.75 eV）は the lower buckled Si atoms （SC5）とthe first layer unbuckled Si atoms（SC2）の DB に、S4（EB = 1.0 eV）は the second layer atoms（SC2）の DBs にそれぞれ局在していると結論した。本研究では、オージェ電子（光電子）－光電子（オージェ電子）コインシデンス分光法 [APECS（PEACS）] を用いて、表面サイト（SC1–SC5）と表面状態（S1–S4）の相関を観測し、AB モデルの妥当性を検討したので報告する。
【実験】Si(110)-16×2-SD 清浄表面は、1.3×10-8 Pa の超高真空中で [ 1 1 2 ]方向に電流を流して1523 K でフラッシング、1200 K で 3 秒間、927 K で 30 秒間、827 K で 10 分間のアニールを行

スペクトル（AES）および、コインシデンスス
ペクトルは、Photon Factory の BL-11D にて、放射光のエネルギー（hν）を 130 eV に設定し、電子-電子-イオンコインシデンス分光装置[3]を用いて測定した。測定前後における試料表の構造変化や汚染は、無視できる程度であった。
【考察】Si(110)-16×2SD 清浄表面の Si-2p 光電0.5T4Si-L23VV AES
Gaussian peakFitting result
Meas. APECS0.4T38T260.3
P5T5P3P60.2

P4T60.1

4T1P22Bulk

0.0-8P1-6-4-2024680Si-L23VV Auger electron count (cps)

子スペクトル（PES）、Si-L23VV オージェ電子

Si-L23VV-Si-2p APECS count (cps)

うことで作製した。Si(110)-16×2 の Si-2p 光電

Relative Auger electron kinetic energy (eV)

子の SC4 成分をトリガーシグナルとして測定

図１．Si(110)-16×2-SD の Si-2p 光電子のした Si-L23VV-Si-2p APECS（黒丸）と通常のSC4 成分をトリガーシグナルとして測定しSi-L23VV AES（実線）を図１に示す。ここでた Si-L23VV-Si-2p APECS スペクトル。

る。SC4 の Si-L23VV-Si-2p APECS は Si-L23VV
AES と比較して、高運動エネルギー（KE）側で強度が強くなった。一般に、特定内殻準位（C）に表面状態（Vs）が局在する場合、表面サイト特有のCVsVs オージェ過程が起きる。したがってこの高KE 側の成分は、SC4 ピークに対応する表面サイトに局在する表面状態が関与した CVsVs オージェ過程に由来すると考えられる。次に、図１の T1 の位置に対応するオージェ電子をトリガーシグナルとして Si 2p 光電子－Si-L23VV オージェ電子コイン
シデンススペクトル（Si-2p-Si-L23VV PEACS）を線）。SC1-SC5 の表面ケミカルシフトは文献値に固定し、ガウス幅は 0.36 eV、ローレンツ幅は 0.08 eV、およびスピン-オービットカップリングは 0.6 eV とした。通常の Si-2p PES（破線）と比較して、バルク成分の強度が大きく減少しているのは PEACS
シグナルの脱出深さ（EDPEACS）が光電子シグナルの脱出深さ（EDPES）より小さいためである。同様に図１中の T2～T6 の位置の Si-L23VV オージェ電子をトリガーシグナルとして測定した
Si-2p-Si-L23VV PEACS を成分分離し、SC1-SC5の光電子ピーク面積比のトリガー電子の運動エネルギーに対してプロットしたグラフを図３に示す。

Gaussian width: 360 meV0.15 Lorentz width: 80 meV
0.10

Si-2p XPS
20.050.00

210-1-20図２．図１中の T１のオージェ電子をトリガーシグナルとして測定した
Si(110)-16 × 2-SD

清 浄 表 面 のSi-2p-Si-L23VV PEACS スペクトル。
T645
Singles XPSbulk

40

Spectral weight (%)

SC1-SC5 とバルク成分に成分分離した（図２、実0.20

Spin-Orbit coupling : 600 meV
I1/2/I3/2 ratio : 0.5

Relative binding energy (eV)

測定した（図２、黒丸）。このスペクトルを文献[1-2]を参照し、Voigt 関数を用いて５つの表面成分10Experiment
Fitting
8SC1SC2SC36SC4SC54Bulk

0.25

Si-2p photoelectron count (kcps)（EDAPECS、EDAES）はそれぞれ 1.5 Å、5.1 Å であ

Si-2p-Si-L23VV PEACS count (cps)

AEPCS シ グ ナ ル と AES シ グ ナ ル の 脱 出 深 さ

T5 T4 T3 T2 T1Bulk

SC33530SC3 (%)

25SC420SC5SC4 (%)
SC2 (%)

151050-15SC5 (%)
SC1 (%)-10SC2SC1-505Relative Kinetic energy of trigger signal (eV)

図 ３ ． 図 １ 中 の T2 ～ T6 の 位 置 のSi-L23VV オージェ電子をトリガーシグナ
ル と し て 測 定 し た Si-2p-Si-L23VVPEACS を成分分離し、SC1-SC5 の光電子ピーク面積比のトリガー電子の運動エネルギーに対してプロットしたグラフ。

SC1 および SC2 成分の面積は、T3 のトリガーシグナル付近でピークを形成するのに対し、SC3、SC4、および SC5 の成分は、T1 のトリガーシグナル付近で最も強くなった。AB モデルの場合、CVsVs オージェ電子のうち、もっとも運動エネルギー（AeKE）が大きくなると期待されるのは、内殻準位が深く、表面準位が浅い adatom（SC4）サイトである。adatom（SC4）サイトの次にも っ と も 高 運 動 エ ネ ル ギ ー 側 に オ ー ジ ェ ピ ー ク を 持 つ と 期 待 さ れ る 表 面 サ イ ト は 、 SC3（AeKE( adatom)–AeKE(SC3)＝–0.62eV）、SC5（AeKE( adatom)–AeKE(SC5)＝–0.76eV）である。以上のように AB モデルが本実験結果を良く説明できることがわかった。その他のモデルでは、我々の結果を十分説明できなかったことから AB モデルが最も妥当であると結論した。
【参考文献】[1] K. Sakamoto et al., Phys. Rev. 79, 045304 (2009)., [2] N. D. Kim et al., Phys.
Rev. B 75, 125309 (2007)., [3] T. Kakiuchi et al., J Vac. Soc. Jpn. 51, 749 (2008).