放射光第 10巻第 2 号

189(1997年)

特集:高輝度 X 線( I)-MR 放射光利用-

~6.

利用実験

6‑2. 放射光による GaAs の内殻電子励起効果
佐藤史郎ぺ斎藤信雄ぺ川戸清爾*ぺ加藤隆典料*
杉山弘料料，篭島靖料料，安藤正海林料*NHK 放送技術研究所，料ソニー中央研究所，料*住友重機械工業 KK ， **料高エネルギ一物理学研究所

Inneトshell ElectronExcitationEffectont
heStructu
ralChangeinGalliumArsenidewithX 醐raysFumioSATO ヘ Nobuo SAITO ヘ Seiji KA明TADO 料 9TakanoriKATO*** , HiroshiSUGIYAMA 料料，
YasushiKAGOSHIMA*料* andMasamiANDO 料料*NHKScienceandTechnicalReserachLaboratories， 料Sony CorporationResearchCenter,
料ごす

Amorphouslayersofgalliumar
senidewereirradiatedwiththem
onochromatizedXｭraysusingbrilliantsynchrotronradiation.Infrar
edabsorptionmeasurement
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fr
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np
rocessesafte
rinner‑shellelectronexcitationbyX‑rays.

1. はじめに起するとどのような原子移動が期待できるのだろ

電子状態の励起がさまざまな原子移動効果をもうか。たとえば，自体表面原子の内殻電子を励起たらすことはよく知られている。通常のレーザー

すると，表面からの脱離が価電子の励起に比べて光の照射による半導体の光励起プロセスでは，価促進されることがわかっている。これは励起後の電子の励起を通して原子移動が起こる。その結オージェ過程で生成される多価イオンがクーロン

果，気相成長の低温化，高速化，高品質化，空間反発することによると考えられている 1) 。一方，選択処理など，熱的な方法では得られないいくつバルグ内部についても， Si 結品では電子線照射かの効果が実現されている。では，内殻電子を励の実験で内殻電子の励起が欠陥形成に重要な役割

牢 NH五放送技術研究所

千 157

世田谷区砧 1-10-11

TEL 03‑5494‑2381 FAX 03‑5494‑2399 e‑mailsatou@strl.nhk.
or.
jp‑97(C) 1997 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 10巻第 2 号

190(1997年)

2.
1X 10 19 ,を果たしていること 2 ，3) ，不純物原子の拡散が増ルギーを考慮すると，それぞれ，強されることなどが古くに報告されている 4， 5) 。

9keVphotons/g となる。従っ1.1X 10 19 , 1.8X 101

筆者らも以前に非品質 Si に放射光 X 線を照射すて，ると固相成長が低温で起こることを報告した 6 ， 7) 。

か違っておらず，それぞれの照射による構造変化

そこでは， Si の K 殻電子の束縛エネルギー以上は，励起レベルの相違によると考えることができのエネルギーをもっ X 線フォトンの照射が結晶る。

とくに A ， C では，吸収パワーは 1 割程麗し化に大きく寄与することを明らかにした 6) 。しかし内殻電子の励起と価電子励起とでは原子移動

3. 非晶質 GaAs の構造変化
非品の過程にどのような違いがあるのか，詳細は依然、に不純物 Si をイオン注入して作製した。イオンとして不明である。

今回， GaAs を例にとり，はノンドープ GaAs(100) 面に高濃度

トリスタン MR 放射

注入は基板ホルダーを液体窒素温度に保持して，ドース量4.1 x10 15 /cm 2 ，およ光の高輝度特性を利用して，励起レベルすなわち，加速電圧 70 keV ,K 殻電子あるいは L 殻電子の励起による照射効び20 keV ,果の相違を調べた。ここではその結果を報告すの条件で形成される非品質層の厚さは表面から約る。

100nm と推定される。

7.
8x1014/cm 2 の二段に行った。こ

図 1 には非品質試料 A， B ， C について測定した

2. 照射実験

局所振動モードの赤外吸収スペクトルを示す。解Ga および As の K 殻電子の束縛エネルギーは像度は 4 cm- 1 である。測定は 8K の温度で行っそれぞれ 10.7 keV.11.9keV であるので，照射フた。全ての試料は 362 cm- 1 および 384 cm- 1 に吸ォトンエネルギーを 10.1 keV ,11.7keV , 12.
5収ピークを示す。それぞれ欠陥および Ga サイトkeV の 3 種類とした。(それぞれ A ， B ， C 試料とに置換した Si 原子に基づく振動によるものと考し，未照射試料を R と名付けておく。)すなわ

えられている 9) 。一方，ち， A 試料では Ga ， As 両原子とも L 殻電子が，ークは As サイトに置換した Si に基づく振動にB 試料では Ga の K 殻電子， As の L 殻電子が，よるといわれている 9) 。また，

また C 試料では両原子とも K 殻電子が励起されは Ga 空孔と Ga サイトに置換した Si との間の再る。照射時間はいずれも 1 時間である。また，結合によると考えられている。さらに，照射中の平均リング電流は 7mA であった。試料cm- 1 は何らかの欠陥による吸収であると予想さ面上の照射ビームサイズはおよそ 2 x10mm 2 でれる。非品質層厚さが 100nm 程度しかないのである。試料は水冷したホルダーに固定し，熱電対信号は非常に小さいが，吸収ピーク強度を表 1 ににより測定した照射中の試料温度上昇は数度程度まとめた。 362 cm- 1 および 384 cm- 1 のピーク強であった。また，照射は 10- 4 Torr の真空下で行

度は内殻を励起するほど (C 試料ほど)大きくなった。っているのがわかる。また 399 cm- 1 ピークは C

399cm- 1 に見られるピ398cm- 1 ピーク

382

これらの条件で，フォトンドース量は A ， B ， C試料にしか見られない。すなわち ， K 殻を励起5pに対してそれぞれ 3 X 10 16 , 5X 10 15 , 5X 101hoｭ

するほど Ga サイトや As サイトに Si が取り込まtons/cm 2 と見積もられた。従って，試料に吸収れることがわかる。

されるフォトン数はそれぞれの吸収断面積から

8photons/g と計
2.
1X 10 18 , 9.
8X 1017 , 1.45X 101
算され 8) ，吸収されるパワーは照射フォトンエネ

ιGaAs 結晶の構造変化
結晶試料は半絶縁 GaAs(100) 基板に分子線工‑98‑‑

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0.
65191(1997年)…

defect2K

itT(ωt・C内2)
OO
Oω
七回
同C
円以』
心〈(判ω官コ.Ag」 b 一
225J 仏interfacerelated0.
55(AO, X)

0.
45816818820822824

WAVELENGTH(nm)

0.
3
5360

Figure2. PLspectr
aofGaAscr
ystalsforspecimensA ,B, CandR.

370

380

390

400

Wav
enumber(cm 勺Figur
e1. LV Mabsor
ptionspectr
aduetothei
mplantedsilicon.Thepeakpositionsforeachabsor
ptionlineareinｭdicatedbyarrows.

ある。測定は Ar イオンレーザー (λ ロ 488 nm)を用い 2K の湿度で行った。 スペクトルには 4つのピークが認められる。それぞれ白由エキシト

Table1. Relativeintensitiesoflocalv
ibrationalmode(LVM)peaksobtaine
dfromIRabsorptionspectrafor).ThepeakintensityisheavilyimplantedGaAs (Fig.3oras‑implantｭnormalizedbythev
alueo
f362cm‑1peakfedspecimen
LVMpe拭s (cm‑1)(818.
0nm) ，界面に関連した再結合 (818.2nm)10) ，束縛励起子 (819.5 nm) ，および欠陥に関連した発光 (820.2 nm)によるものと同定される。発光のピーク位置は X 線照射によってあまり変わらないが，ピーク強度は X 線のエネル

ass刕nment

Specimen 也(X耐iayenergy)

ン

399ギーに依存する。図 3 Vこは未照射試料における自S
iiOadefectdefect SiAsvacancy S

由エキシトンピーク強度で規格化したそれぞれの362R (as潤implanted)

1A(10.
1keV).7keV)
B(11C(12.
5keV)

0.
861.021.55382384470.
24 0.
0.
430.
22 0.
590.
78398

ピークの強度の X 線フォトンエネルギー依存性0.
29を示す。

自由エキシトン，界面に関連した再結合，束縛励起子によるピークは，0.
49ギーが小さいほど，フォトンエネルすなわち L 殻電子を励起するほど強度が低下する。逆に，欠陥に起因するピークは両原子の K 殻電子を励起する場合に最もピタクシー (MBE) により作製した。 GaAs 層もの厚さは 650nm で Alo.3Gao.7As の障壁層で挟ま小さくなることがわかる。 PL の時分割測定から

K 殻電子の励起より L 殻電子の励起の方がれた構造である。試料はノンドープでホール濃度非発光再結合中心が生成されやすいことがわかっは 1014/cm 3 のオーダーである。図 2 は結品試料

アこ O

A, B, C, および未照射試料の PL スベクトルで‑99‑‑

192

放射光第 10巻第 2 号(1997年)

る 12) 。従って，バルク内部でも，同様に局在ホール間のクーロン反発により原子構造変化(とくに原子結合の切断)が起こっているものと考えて-、‑。

いる。ただし，試料 A では， X 線のフォトンエh、一、圃，b

ネルギーが K 殻電子の束縛エネルギーに近いたωco

め一個の X 線フォトンが多数の L 殻電子を励起Jする。このような効果も作用している可能性もあ仏 0.1

り，さらに詳しい検討が必要である。

c

前記の非品費 GaAs を電気炉でアニールする
as蜘deposited

0.
0510と，試料深部の結晶部分を基板として関相エピタ

1112X‑rayenergy(keV)

13キシャル成長が起こる。しかし，この過程で放射光 X 線(高エ研， BL-15B ，白色光)を照射する

Figure3. Photone
negydependenceso
fthePLpeakin
ｭten
sit
yinF
ig.
2.Thepeakintensityisnormalizedbyt
heoneo
fthepeakdu
etofreeexcitonforthespecimenR.と未照射に比べて成長速度が低下する。 GaAs のエピタキシャル成長は，組成比がずれると抑制されるので，上の結果から L 殻電子励起による結合切断がミクロな組成比のずれを招いているもの

5. 照射効果のフォトンエネルギー依存性と考えられる。

非品質 GaAs で， K 殻電子を励起すると不純物 Si が悶溶されることは，熱的なアニールの効6.

まとめ果に類似している。一方， GaAs 結品で， L 殻電GaAs では， L 殻電子励起の方が結合切断など子の励起で非発光再結合中心が形成されること，の原子移動が活発で， K 殻電子を励起するとむ

K 殻電子の励起で欠陥に関連するピークの強度

しろ熱アニールに類似した効果をもたらすことがが減少するという結果は非品質 GaAs の結果と問わかった。このことは， L 殻電子励起後のオージ等である。すなわち， K 束縛エネルギーより小ェ過程， K 殻電子励起後の蛍光 X 線放出過程にさいエネルギーのフォトン照射では，むしろ原子関連があると考えたが，まだはっきりしたことは結合の切断が，大きいエネルギーのフォトンではえない。熱的なプロセスでは達し得ない，電子原子結合形成，すなわちアニールが促進されると状態の励起による原子移動効果を半導体プロセス結論できる。

として最大限に且つ効率的に活用するために，今オージェ緩和確率の原子番号依存性から 11) ，Ga (原子番号 31) および As (悶 33) の K 殻空後さらに詳しいエネルギー依存性などをしらべてゆく必要がある。

孔は主として蛍光 X 線放出によって緩和し，他方， L 殻空孔はオージェ過程により緩和するとさ文献れている。後者の場合，オージェ過程で生成され1) M.L.KnotekandP.J.Feibelman:Phys.Rev.
.
Lett.40 , 964(1978).
2) M.A.Zaikovskaya , A.E.KivandO.R.Niyazova:t.so1.(a)3, 99(1970).
phys.sta3) M.A.Zaikovskaya, A.E.KivandO.R.Niyazova:phys.stat.so.
1(a)8, K133(1971).
4) A.1.KolfmanandO.R.Niyazov
a:phys.stat.so1.
9(1972).
(a)10 , 5た多価イオンが，丁度バルク内部に埋め込まれた状態が形成されるものと推測できる。多価イオンを間体表面に照射すると表面原子との間で電荷の移動が起こり，表面原子間のクーロン反発のため，原子の脱離が促進されると報告されてい‑100‑‑‑

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5) M.A.Kaneev , A.1.Kolfmana
ndO.R.Niyazova:
1.(a)18 , K49(1973).
phys.stat.so6) F.Sato , K.GotoandJ.Chikaw
a:J
pn.J.App.
1Phys.30 , L205(1991).
7) J.ChikawaandF.Sato:App1.Surf.Science , 79/80 , 186(1994).
.M. G
ulliksonandJ.C.Davis:8) B.L.Henke , E
Atomic data and nucleardatatables 54 , 181(1993).

9) S.A.McQuaid , R.C.Newman , M.MissousandS.O'Hagan:Appl.Phys.Lett., 61 , 3008(1992).
10) V.N.Bessolov , V.V.Evstropoc , M.V.Lebedev
andV.V.Rossin:Phys.Rev.B51 , 1
681(1995).
11) N.C.MacDonald:Proc.4thScanningElectronMicroscopeSymp.p.89(1971).
12) 1.S.Bitenskii , M.N.Murakhmetova
ndE.S.Pari
ｭlis:Sov.Phys.Tech.Phys.24 , 618(1979).

‑101‑