放射光第巻第号()

解説■

キャパシタンス XAFS 法
局在電子を利用した自己サイト選択石井真史

高輝度光科学研究センター

Capacitance XAFS Method: Self Site-Selection Using Localized Electron
Masashi ISHIIJapan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI)

A capacitance x-ray absorption ˆne structure (capacitance XAFS) method using the x-ray induced photoionization is proposed for the local structure analysis of low dimensional structures such as, defects, surfaces, electrically active regions in semiconductor devices. The concept of x-ray induced displacement current orthogonal to the conduction current, i.e., the conventional photocurrent, is introduced to explain thesite-selectivity involved in capacitance XAFS method. The absorption signal of the proposed capacitance
XAFS measurement using a Schottky barrier gate is shown to reproduce the depth modulation of the x-ray
intensity. This experimental ˆnding can be explained by the Schottky barrier theory considering the photoionization of the low dimensional structure.

.

序

線形和近似する場合もあるが，基本的には試料内での構造

特定元素の内殻吸収端エネルギー近傍における吸収スペの均一性は XAFS 測定の大前提である。試料に要求されクトルの振動構造， X 線吸収微細構造（ X-ray absorption

る均一性は，検出方法光子エネルギー試料に含まれる

ˆne structure; XAFS）に，その元素周辺の局所構造情報

元素等に依存するものの，材料によっては100 mm 以上にが織り込まれることが明らかになり，分析手法として確立

及ぶ硬 X 線の減衰長を考慮すると，極めて深い領域にましたのが1970年頃1)であるから，以来ほぼ30年の月日が流で及ぶと考えてよい。すなわち， XAFS 測定はバルクのれたことになる。この間，放射光科学は格段の進歩を遂構造を観るには良いが，僅か数 nm 程度に埋め込まれていげ，今日では SPring-8 のようないわゆる第三世代の放射る人工構造を観るには適当ではない。 X 線を斜入射する

光施設が共同利用施設として稼動するに至っている。またという方法もあるが，その場合は照射面積が増大し，試料放射光を取り巻く環境も著しく変化した。特に材料科学に

面内の均一性や光子密度が問題になる。高透過率は X 線

ついて考えてみると，半導体量子デバイスに代表されるよ固有の性質であるから変える事は出来ないが，構造均一性

うに，nm オーダーで制御された人工材料2,3)が自然界の材の前提を取り払い，興味深い領域を選択的に観測する工夫

料に無い機能性を持つことが次々と明らかになり，次世代が， XAFS 法を最新の科学技術の流れに沿ったものにすを担うことが確実視されている。実際に 1970 年代には思る上で必要不可欠であろう。本稿では近年提案した，欠陥

いもよらなかった極微細構造が，研究室レベルでは勿論の構造4) から表面構造5) ，電子デバイス構造6) まで，様々なこと，一部については商業ベースでもごく日常的に作製さサイト選択性を持つ新しい XAFS 測定方法であるキャパれている。これに対して XAFS 測定は実験技術や解析手

シタンス XAFS 法48)について，最近の研究成果を交えて法の発展や変遷はあったものの，非常に大雑把に言うなら紹介する。

ば，単一あるいは平均構造の吸収量の測定という意味では
本質的な変化はなかったように思われる。よく分かった二.

三の構造からの信号の重ね合わせと考えてスペクトルをキャパシタンス XAFS 法の原理
ここではキャパシタンス XAFS 法の原理，特に本方法

11 SPring-8
高輝度光科学研究センター 〒6795198 兵庫県佐用郡三日月町光都 1
58
0832（代表) FAX: 0791
58
0830 E-mail: ishiim＠spring8.or.jp
TEL: 0791

――(C) 2001 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

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放射光

第巻第号()

ち込むかオージェ過程などによって放出され， Nt が増加する。この内殻吸収による増加量を DNt とすると，式(1)はC＋DC＝[qere0S2(Nt＋DNt)/2(Vd－Vb）]1/2(2 )となる。ここで DC は DNt による静電容量の変化分であり，l 領域の X 線吸収量に対応した量になる。この DC の照射 X 線エネルギー依存性がキャパシタンス XAFS スペ
クトルになる。
ここで，l 領域の半導体表面からの深さ dl は

dl＝[2ere0(Vd－Vb)/qNt]1/2(3 )で与えられ，後で示すように数 100 nm のオーダーである。特に重要なことは，高透過率の X 線が SBD を突き通Figure 1. Concept of capacitance XAFS method using the x-ray induced photoionization of the trap centers. (a) Schematic band diagram. (b) Comparison of observable areas between the capacitance
XAFS method using the photoionization of defects (upper diagram)and the photoionization of the dopant (lower diagram).

しているにもかかわらず，実際に C を変化させているのは l 領域の X 線吸収だけということである。 l 領域の幅
は局在電子によるデバイ遮蔽長程度であると考えられるが，Fig. 1 ( b )にその様子を概念的に示しておく。 Figure 1(b)の上の例では，Et が欠陥構造に起因する場合を示す。
一般的に欠陥構造に対しては， Et はエネルギー的に深くによりどのようにしてサイト選択性が実現可能であるかに電子は強く束縛される結果として，デバイ遮蔽長は短くな

ついて，電子論的および電磁気学的の二通りの視点から説り l 領域は数原子程度の欠陥極近傍に限られる。すなわ
ち，キャパシタンス XAFS 法は欠陥の X 線吸収をサイト明する。
半導体に適当な金属電極を接触させた場合，電子論的に選択的に観測することになる。一方，Fig. 1(b)下の例は，

見るとバンドダイアグラムは Fig. 1(a)のようになる。金Et が一般的な置換型の不純物準位である場合を示す。こ属半導体間の仕事関数の差から図に示すように半導体中のときの Et はエネルギー的に浅く，電子は弱く束縛されにバンドの曲がりが生じ，伝導電子の流れが一方向のみにる。その結果としてデバイ遮蔽長は広がり， l 領域は nm

なるいわゆるショットキー障壁ダイオード（Schottky bar-程度の範囲を広く見渡すことになる。実はこの場合の lrier diode; SBD）が形成される。ここで議論の中心になる

領域は，実際の電子デバイス（電界効果トランジスタ）にのは不純物や欠陥による準位 Et である。バンドの曲がり

おいてチャネルとよばれる伝導電子の通り道である。チャ

部分では Et がフェルミ準位 Ef を上回るため，捕獲されてネルはデバイスの特性を左右する重要な領域であり，本法

いた局在電子が放出され掃き出される結果，空乏層と呼ばはそのチャネル選択性を持つ XAFS となる。紙数の都合れる電気的 に高抵抗な 絶縁領域が 形成される 。従ってで詳細は省略するが，この他表面準位や界面準位など，どSBD は等価的に金属/絶縁層/導電性半導体のサンドイッの場合でも局在電子によるデバイ遮蔽長内は材料の物理

チ構造とみなすことができ，静電容量（Capacitance; C）

化学的特性上最も興味深い領域である。キャパシタンスを持つ。その値はポアソン方程式を解く事で求まり，

XAFS 法は，試料によって形態や大きさが異なる極微細領域を，それぞれに固有なデバイ遮蔽長で選び取り，原理

C＝[qere0S2Nt/2(Vd－Vb）]1/2(1)

的には全く同じ方法で測定できる。このように，キャパシ
タンス XAFS 法に内在する，特に興味深い nm 領域を自となることが知られている。ここで，q は基本電荷量，er己選択する機能を「自己サイト選択」と呼ぶことにする。

e0 は半導体の誘電率， S は金属電極面積， Nt は欠陥また

さて Fig. 1 の原理図については，都合の良い過程のみ

は不純物のイオン化濃度，Vb は印可バイアス，Vd は拡散を抽出した感が否めない。例えば最も関連が深い過程とし電位である。このような完全に電子が放出されている空乏て， X 線を照射すると試料全体の X 線吸収量 mc に比例し層に対し，図中の l で表した領域，すなわち Et が Ef を下た大量の二次電子の放出があり，従来型の XAFS 測定で回るバンドの曲がりの端では，電子が捕獲され局在化しては電子収量という形で検出している。このような二次電子いる。この構造に X 線を照射し， l 領域で内殻励起が起の放出と C は相互作用を持たないのだろうか

こった場合を考える。するとこの弱い局在電子が内殻に落

は両者の関係を電磁気学的モデルで示し，サイト選択とい

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ここで

放射光

第巻第号()と書き直せる。この式は eAC と it の位相が C によって変化することを示している。ここで相対位相差 tan－1 (vC /G) が重要なので，式(5)では exp (ivt) は省略してある。
第一項と第二項は i_ t の実部と虚部を表し，それぞれ伝導
電流と変位電流と呼ばれるものである。特に第二項は，交流回路によって初めて現れる成分であり，実際的な電子の流れではなく分極電荷による見かけ上の電流成分である。
)に示すよう式(5 )に対応して，X 線照射下では Fig. 2 (b ′に伝導電流源と変位電流源の二つの等価電流源を考える必)の X 線誘起要がある。伝導電流源については Fig. 2 ( a ′伝導電流源と同じものであるが，変位電流については新し
く「X 線誘起変位電流」id( md)として定義する必要がある。
式(5) から分かるように，これらの成分は複素平面上でic( mc)i id( md)＝0
Figure 2. (a) Schematic setup for the conventional XAFS meas) its equivaurement using a direct current power supply eDC, and (a′lent circuit. (b) By using alternating power supply eAC is used in) the system equivalently has two passive elements,
stead of eDC, (b′i.e., conductance G and capacitance C.

(6 )の直交系を形成し，独立に検出可能であることが分かる。
キャパシタンス XAFS における C 測定には実際に交流電源を使っており，原理的には id ( md ) の測定を行っている事と等価である。式(6 )の直交性は，局所的な分極電荷の変化 DNt に基づく id ( md ) が二次電子による ic ( mc) とは独
立に観測できることを意味している。従って mc と md は独う観点からその違いと独立性を議論する。

立に検出が可能であり，この電磁気学的な議論の発端にな

電子収量測定の概念図を Fig. 2(a )に示す。通常，高圧
電源 eDC と試料に対面する電極によって二次電子を検出すった通り， Fig. 1 ではまさに“都合の良い過程のみを抽出”して考えてよいことになる。

)のようになる。Xる。これを等価回路で表すと Fig. 2(a ′
線照射下にある試料は， mc に比例した出力を持つ電流源

.

実験に置き換えることが出来る。この等価回路は直流回路であFigure 3 に本研究で用いた実験装置を示す。試料台はり，電流源からの光電流は，試料とシステムによって決ま局在電子の効率的な捕獲のために He クライオスタットでる等価コンダクタンス G を流れる伝導電流として検出さ低温にした。今回紹介する実験では温度一定としたが，機れる。この電流を本稿では特に「 X 線誘起伝導電流」と構解明の観点からは温度依存を取ることも有効7)である。

呼び，ic( mc) と書くことにする。ic( mc) は内殻励起に起因必要性については後に議論するが， X 線の照射位置と照するものであり，電子の脱出深さが測定領域となる。従っ射角が変えられるようにクライオスタット全体がゴニオて，キャパシタンス XAFS 法が持つようなサイト選択性

メータに取り付けてあり，光軸に対する試料台の高さ（Zを持たない。一方， Fig. 2 ( b )に示すように， eDC の替わ軸）移動と回転（u 軸）が試料を冷却したまま行える。

りに，交流電源 eAC を用いた場合を考える。この場合，等測定試料は Se を添加した AlxGa1－xAs（x＝0.33）と Sn

価回路は G のみでは表せず，eAC の時間微分 deAC/dt に比を添加した GaAs の二種類について行った。 Se 添加 Alx

例する成分である等価サセプタンス B を導入する必要がGa1－xAs （ AlGaAs  Se ）は閃亜鉛鉱結晶構造をもつ半導ある。今回の場合， B の要素として C を考えればよいか

体固有の化学的性質により Se を添加するだけで電子を捕ら，系を流れる全電流 it は9,10)が形成されることが知獲する深い欠陥「DX センター」

られている。この DX センターが示す永続光電流などの

it＝GeAC＋CdeAC/dt(4)

特異な現象9)に対する物理学的興味も手伝って，局所構造を中心にその形成機構が 1980 年代以来多くの研究者によとなる。ここで eAC に | eAC | exp ( ivt ) で与えられる角周って議論されているが，今もって推測の域を抜け出してい波数 v のサイン波をもつ電源を用いるならば，式(4)の it

ない。このことは，欠陥のみの原子レベルの局所構造分析と eAC を複素数 i_ t と e· AC で置き換えてが XAFS 測 定に限 らず 一般的 に難しい 事を 意味し てい
る 。 キ ャ パ シ タ ン ス XAFS 法 の 研 究 も ， 当 初 DX セ ン

i_ t＝G|e· AC|＋ivC|e· AC|(5 )ターの局所構造を選択的に観測することを目的にして4)始
まった。

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放射光

第巻第号()Figure 3. Experimental setup for the proposed capacitance XAFS
measurement.

AlGaAsSe は GaAs 上に分子線エピタキシーにより成長した薄膜試料であり， Se は加熱セル（るつぼ）によっ

Figure 4. X-ray photon energy dependence of the capacitance atnear the Ga K-edge (10.375 keV). Vb was varied from －0.5 to －2.5
V.

て成長中に添加した。 Se 濃度は 5 × 1018 / cm3 である。試料の持つ電気的特性については別の論文11) にまとめてあるのでそちらを参照いただくことにする。また，もう一つの試料である Sn を添加した GaAs （ GaAs  Sn ）は通常の浅い不純物準位を持つ試料であり，Sn の濃度は 1×1017/cm3 である。これらの試料は，Fig. 1(b)の上と下の図に対応する観測領域を持つことになる。AlGaAsSe の場合
は深い準位の短いデバイ遮蔽長によって，キャパシタンス

XAFS 法は DX センターおよびそれに隣接する原子のみを観測するのに対し，GaAsSn の場合は浅い準位の長い
デバイ遮蔽長でチャネル全体を見渡す。すなわちこれらの試料はキャパシタンス XAFS 法の自己サイト選択性の代表例といえる。

AlGaAsSe と GaAsSn のいずれの試料にも，金属電極として直径 500 mm 厚さ 100 nm のアルミを真空蒸着した。特に GaAs  Sn の場合は，この電極は電界効果トラ
ンジスタのチャネル幅を制御するゲート電極と考えてよい。これらの電極に v/2p＝100 kHz または 1 MHz の e· ACを持つキャパシタンスメーターを接続し，放射光照射下のC を 測 定 し た 。 放 射 光 実 験 は ， い ず れ も SPring-8

Figure 5. Vb dependences of DC in capacitance XAFS spectra at
the Ga K-edge (open circles). The solid line shows regression analysis result of DC using a spline function. The integration of DC at theK absorption edge of Ga is shown by the closed circle. The dashedline is the integration of the spline function illustrated by the solid
line.

BL10XU 高輝度 XAFS ステーションにて行った。

.

実験結果と議論る。従来の電子収量法による XAFS 測定では，大きなバ
イアス電圧は放出された電子の収集に有利であるため，mc

. バイアス電圧依存性にみられる非線形特性の解析との信号強度は一般的にバイアス電圧と共に線形的に大きくモデルの検証なる。これに対して図の実験結果は，大きな Vb は必ずしFigure 4 に AlGaAs  Se に つ い て ， Ga K 吸 収 端

も DC を増大させるわけではなく，非線形特性があること（ 10.375 keV ）のキャパシタンス XAFS スペクトル md のを示している。もう少しこの結果を定量的に議論するため

Vb 依存性を示す。 Vb は－ 0.5 ～－ 2.5 V の間で変化させに，DC の Vb 依存性を Fig. 5 のにまとめておく。ここた。このときの試料温度は100 K で一定としている。図かで DC は Ga の K 吸収端に最も近い共鳴ピーク（ Fig. 4

ら明らかなように Vb～－1.5 V で最も DC が大きくなり，では a で示す）の値で代表させている。この Vb 依存性のそれよりも Vb が大きくても小さくても DC は小さくな実験結果をスプライン関数で回帰分析してみると（実線），

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放射光

第巻第号()DC は Vb ＝－ 1.2 から－ 1.3 V 程度でピークを持つことが分かる。以下の機構の議論にとっては余談ではあるが，測定テクニックとしては，この Vb でスペクトルを計測することが S /N を良くする上で有利である。また，この図の中で示したはの DC を積分したものである。破線はス
プライン関数の結果（実線）の積分である。この積分の意
味するところは，以下で詳しく述べてゆく。
さて，Vb のオーダーが数 V であることと，本稿では省略するがこの非線形特性は As 吸収端でも同様に観測されていること等から，この非線形性は内殻励起に起因するものではなく価電子の物性に関係していると考えられる。このような内殻吸収スペクトルに価電子物性が織り込まれることはキャパシタンス XAFS 法に固有の特性である。この特性は Fig. 1 の内殻及び価電子の両方を含んだ微視的モデルを使 って次の様 に説明でき る。キャパ シタンス

Figure 6. Numerically derived dC/dVb from the CV characteristics. The dashed line illustrates the original CV characteristics.

XAFS 法の基本式は式( 2 )であった。ここで DNt は Nt に比べて十分小さいから，DNt/Nt の二次以上の項を省略す

Fig. 5 に示した積分値（）は Fig. 6 の CV 特性に対応

ると次のように書き換えることが出来る。

していることが見て取れる。これらの結果は，内殻と価電C＋DC＝[qere0S2Nt/2(Vd－Vb)]1/2(1＋DNt/Nt)1/2

子の相互作用が Fig. 1 のモデル通りであることを意味し～[qere0S2Nt/2(Vd－Vb)｛1＋(－DNt/Nt}]1/2＝[qere0S2Nt/2{(Vd－Vb)＋DV}]1/2ている。特に自己サイト選択という立場からは，DC の特(7)

性が l 領域のみの X 線吸収（厳密には l 領域に含まれる欠陥を中心にしたデバイ遮蔽長内の原子の X 線吸収）でここで DV は摂動ポテンシャルであり，（Vd－Vb）（－DNt

説明でき，硬 X 線の透過率がきわめて高いにもかかわら/Nt）に等しい。この式は，X 線吸収による DNt が摂動ポず，電気的な測定で観測領域を空間的に切り出せた点で興テンシャル DV による Vb の微小変調に近似的に置き換わ味深い。次の4.2はその点を強調した実験である。

り得ることを意味している。直感的には， X 線照射による局在電子の放出は，微小バイアス変化による欠陥準位のイオン化とほぼ等しいことを主張している。従って， DC

. 深さ分解 XAFS の提案と X 線強度の試料内変調による分解能の見積の Vb 依存性は，もっとも極端な近似 DV → 0 を仮定する

4.1では，キャパシタンス XAFS 法によって X 線吸収のならば，理想的には式(1 )の C と Vb の関係（C V 特性と観測領域を電気的に l 領域のみに限定できることを示しいう）の Vb 微分 dC / dVb ＝－[ qere0S2Nt / 4 ( Vd － Vb )3 ]1/2

た。式( 3 )に示したように，この領域の位置は Vb によっ

で解析的に求められる。実際の系においてはよく知られたて変 化させる ことが出来 る。従って， キャパシタ ンス

幾つかの要素，例えば Vb を小さくしていくと Fig. 1 のバ

XAFS スペクトルの Vb 依存性は，深さ分解 XAFS 測定とンドの曲がりが大きくなり価電子帯（VB）が Ef を上回る

言い直すことが出来る。特に浅い不純物準位をもつ試料をので半導体の伝導特性が反転すること，逆に Vb を大きく使えば，Fig. 1 (b )に示した通りデバイ遮蔽長が長くなる

すると逆に伝導帯（CB）が Ef を下回るので界面に電荷の結果として観測領域は nm 厚さのシート状に広がり，自己蓄積が起こること，DV が有限であること等により，解析

サイト選択は欠陥準位を持つ試料を使った場合より空間選的な式からずれる。しかし，これらの要素を含めても摂動択という色合いが強くなる。このシート状の領域は前述のポテンシャルによる Vb 変調という近似の考え方は一般性

ように電界効果トランジスタのチャネルそのものであり，を失わない。従って C V 特性を実測し数値微分すれば解今まで巨視的な電気的な特性に頼っていたデバイス評価

析的ではないにしても Fig. 5 の特性を再現でき，逆にそが，本方法によってチャネル内の原子配列という微視的な

こから Fig. 1 の考え方が正しいことを示すことが出来る

立場から行えるようになるであろう。今後更に電子デバイであろう。

スの極微細化が進むことが予想される中で，本方法が新し

Figure 6 の  は Vb に 対 す る C ， す な わ ち ， こ の Al-

い nm 構造評価法として利用できることが期待できる。

GaAs Se SBD の CV 特性の実測値を示す。更にはこ

ここでは，実際に深さ分解測定ができているのか，またの C V 特性を数値的に微分したものを示す。に示す通分解能は原理通り nm 程度なのか検証してみる。そのためり dC/ dVb は，ほぼ－ 1.2 V にピークを持ち，その特性形には，深さ方向に分布をもつパラメータを新たに導入し，状も Fig. 5 をよく 再現することが分か る。また逆に，

それを Vb による観測領域の制御で再現してみることが有

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放射光

第巻第号()Figure 7. Schematic experimental arrangement for the achievement of DNd modulation.

効であると考えられる。本研究では，次に述べる方法によって試料内の X 線強度に深さ依存性を持たせた。この X線の深さ分布は試料内の DNt を変調させるが，この様子
は式( 2 )と( 3 )により DC の Vb または dl 依存性として観測可能であろう。

Figure 7 は X 線強度に深さ分布を与えるための実験装置配置を概念的に示している。この実験では試料台を傾けることによって角度 u で X 線を試料に入射する。 4.1 で）で実験を行った。
は，特に断らなかったが直入射（u＝90°
更に Z 軸方向で試料位置を変えることで， SBD に対する

X 線の入射位置を変化できるようにする。今， SBD の電極サイズと X 線のビーム径がほぼ同じ程度であったとす
ると，図中の D (＝ Z cos u ) 方向の X 線強度分布 I ( D ) は
試料位置 Z に依存することになる。SBD が Z＝＋z にある
場合，図中 A における X 線のビーム形状から考えて dI( D )/ dD ＞ 0 となるであろう。同様に Z の位置を 0 と－ zに変えることで，それぞれ dI ( D )/ dD ～ 0 および dI ( D )/dD＜0 のように X 線強度を SBD の深さ方向に対して変調できることになる。 DNt は I ( D ) に比例するであろうか
ら，結局 Z 軸方向の試料位置の移動は二通りの DNt 変調（ dDNt / dD ＞ 0, dDNt / dD ＜ 0 ）と非変調（ dDNt / dD ～ 0 ）の状態を作り出すことになる。以下の議論では，特に DNtの深さ方向の変調を強調する場合には DNt を DNt ( D ) と

Figure 8. Capacitance XAFS spectra at Ga K-edge for (a) Z＝＋
0.8 mm and (b) －0.8 mm, which provide DNd depth modulationsof dDNd/dD＞0 and dDNd/dD＜0, respectively.

書くことにする。

Figure 8(a)は Z＝＋0.8 mm における Ga K 吸収端のキ変調と一見矛盾するように見える。このデータの解釈は後ャパシタンス XAFS スペクトルを示す。試料は GaAs 

で述べることにする。実験データについて更に詳しく見てSn であり，試料温度は 20 K とした。この条件では dDNt

みると，a ピークの強い Vb 依存性とは対照的に，もう少(D )/ dD ＞ 0 であり，深くなるに従って DNt(D ) が増加しし高エネルギーに表れる b ピークは明らかに a ピークよてゆく場合である。この様子をキャパシタンス XAFS のり Vb 依存性が小さいことが分かる。この Vb 依存性の違

l 領域の位置選択で観測するために Vb を－ 0.2 から－ 0.8

いはスペクトル上の歪みとなって現れている。歪みは Vb

V の間で変化させた。これは dl で 130 から173 nm に対応の増加と共に顕著になってゆき， Vb ＝－ 0.2 V （ dl ＝ 130する。この図に示すように，図中 a で示した共鳴吸収にnm ）では a ピークの強度は b ピークの強度を下回っていおける DC は Vb に強く依存する。すなわち， Vb ＝－ 0.4

る。

V（dl＝146 nm）付近で a ピークの DC は最大となり，そ

もう一つの変調である dDNt(D)/dD＜0 については異なれよりも Vb が大きくても小さくても DC は小さくなる傾る Vb 依存性が表れる。Figure 8(b )は Z＝－0.8 mm につ向がある。Vb ＞－0.4 V （dl ＜146 nm ）における DC の減

いてのキャパシタンス XAFS スペクトルを示す。この条

少は dDNt ( D )/ dD ＞ 0 を再現しているといえるが， Vb ＜件では， D が深くなるに従って DNt ( D ) が減少する。そ－ 0.4 V （ dl ＞ 146 nm ）における DC の減少は， DNt ( D )れ以外の実験条件は Fig. 8 ( a )と同じである。 Figure 8

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放射光

第巻第号()

場合の結果，特に部分的には一見変調特性と矛盾するように見えた(a)を含めて次の様に説明できる。（a)は，その律速過程に対応して二つの領域， Region とに分けることが出来る。これらの領域の境界は Vb ＝－ 0.4 V （ dl ＝

146 nm ）である。 Region においては， DC は当初期待していた通り DNt ( D ) 変調で律速されていると考えられる。それゆえ，変調の違いが( a )と( b )の特性の違いに反映されている。一方， Region では変調依存性はなくな
り， DC は dl の増加と共に減少した。この減少の仕方は特性( c )によく似ており， Region では( a )の DC が DNt(D) 変調ではなく dC/dVb で律速されていると考えることが出来る。破線で示したように（a）が（c）を越えて際限なく上昇することを dC/dVb は許容せず，結果的に律速過程が DNt ( D ) 変調から dC / dVb へ変る。 Region において(c)に比べて(a)の DC が小さいのは，厳密には電極の周りなど水平方向も含めて l 領域が空乏層を取り囲んでいFigure 9. The dl dependence of DC for the a peak in Fig. 8. (a),(b), and (c) correspond to the Z positions of ＋0.8 mm (dDNd/dD＞0), －0.8 mm (dDNd/dD＜0), and 0 mm (dDNd(D)/dD～0),
respectively.

るために，特に( a )の場合は DNt が試料内で一様にならず，同じ Vb であっても(a)と(c)では光イオン化の度合いが異なるためと考えられる。

Figure 8 では，変調依存性をもつ XAFS スペクトルの歪みが観測できた。このことは a と b ピークが異なる Vb( b )から， a ピークの DC は Vb の減少（ dl の増加）と共依存性を持つことから理解できた。この違いの微視的な機に単純に減少してゆくことがわかる。これは Vb＝－0.4 V

構に ついて言及してお く。 Figure 1 のキャパ シタンス

（ dl ＝ 146 nm ）付近に DC が最大となる Fig. 8 ( a )と全く

XAFS 法 の 原 理 で は ， X 線 に よ る 内 殻 励 起 過 程 に お い

異なる特性である。更にスペクトルの歪みは小さく， Vbて，中間状態となる伝導帯内の励起準位については特に指＝0 V（dl＝111 nm ）においても顕著な a ピークの減衰は定していない。ある程度バンド幅を持つ中間励起状態への見られていない。しかしながら，例えば Vb＝－0.4 V （dl

遷移は，共鳴吸収よりも若干高い光子エネルギーの方が効＝146 nm ）におけるスペクトルを( a )と( b )で比較してみ率よく起こると考えられる。従って高エネルギー側ではよると明らかなように，(a )の dDNt(D )/dD ＞0 では浅い dl

り容易に DNt が形成され，見かけ上 DNt ( D ) 変調の効果

で歪みが大きく，逆に(b )の dDNt(D )/dD ＜0 では深い dlが隠されるであろう。逆に共鳴的な吸収では DNt ( D ) 変

で歪みが増える。そもそもスペクトルの歪みが a ピーク

調の効果が強調される。結果的に b ピークの Vb 依存性の著しい Vb 依存性に起因していることを考慮すると，こは，共鳴吸収に近い a ピークよりも小さくなると考えらの歪み特性は(a）（b )の変調の違いを正しく反映した特性れる。
以上のように，変調下のキャパシタンス XAFS スペクといえる。

Figure 9 に a ピークの DC の dl 依存性をまとめておく。

トルの特性は全て，l 領域の不純物の内殻励起を介したイ

dl に対応する Vb を上の横軸に併せて示しておく。（ a )オン化を取り入れたショットキー障壁理論で説明することと(b )がそれぞれ Fig. 8 ( a ）（ Z ＝＋ 0.8 mm ）と(b ）（ Zが出来た。特に Region の変調依存性はキャパシタンス＝－ 0.8 mm ）から算出している。スペクトルは示さなか

XAFS 法によって，チャネル領域が観測できていること，ったが，Z＝0 mm の場合についても得られた結果を(c)

Vb を制御することで深さ分解スペクトルが測定できるこでプロットしておく。

とを示している。深さ分解測定については， Fig. 9 の横まず( c )については， DNt (D ) 変調を行わなかった場合（ dDNt(D )/dD ～0 ）に対応する。 4.1の実験のように X 線

軸から明らかなように，～nm オーダーと見積もることができる。

を直入射する場合であっても，ここで議論している程度のdl では硬 X 線の減衰はほぼ無視できるため， dDNt ( D )/

.

まとめ

dD ～0 と考えてよい。従って，試料の違いはあるが， 4.1

本稿ではキャパシタンス XAFS の原理と機構解明の立の実験結果と Fig. 9(c )の特性は全く同じ考え方で説明で場で行った実験を紹介した。実際にサイト選択性を利用しきる。すなわち Fig. 9 ( c )の Vb の減少（ dl の増加）に伴た材料科学の立場からの実験は，これまでの論文でいくつう DC の減少は， 4.1 で議論した dC / dVb の効果と結論付

かは示しているものの，今後の課題である。しかし，材料けられる。このことを考慮すると，DNt(D ) 変調を行ったの中で特異な部分は欠陥にしても不純物にしても表面にし

――




放射光

ても局在電子を持っており，その X 線誘起放出を静電容

参考文献量で検出し，サイト選択性を得ていることは示せたと考え1)ている。特に測定対象によって様々に変るデバイ遮蔽長に対応して観測領域が変る「自己サイト選択」の考えは，多様な不均一材料に XAFS 測定を適用する上で重要な考え

2)3)方になると考えられる。
本研究では， X 線の試料内強度に変調を持たせること
で，深さ分解 XAFS 測定の可能性も示した。この変調実験を含めキャパシタンス XAFS 法の特性は，半導体工学

4)

では常識的ではあるが，多くの他分野の方にはなじみが少

5)
6)
7)

ないショットキー障壁の理論を使って上手く説明できた。
このことは，本手法が特定材料に特化した測定法という印象を与えたかもしれない。しかし，欠陥表面界面量子構造というキーワードを並べれば，膨大な数に上る半導体関連の研究者は大体どこかに関係している。その意味では，本手法は十分汎用測定となり，潜在的ユーザーを抱え

8)
9)
10)
11)

ているであろう。また理論や実験法の拡張も試みており，

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より一般的な材料に適用した例も近いうちに示せると確信している。

DX センターの欠陥の消失現象は「永続光電流」と呼ばれており，研究者

n 型半導体を作るための不純物（Donor ）を添加することに注目される要因の一つとなった。局所構造として，現在はで形成される混晶系半導体の欠陥の一種。発見当初，Donor

複合欠陥ではなく Donor に隣り合う Ga 原子が大きな格子歪と良く分からない欠陥（ Unknown X ）との複合欠陥と推測みをおこしていると考えている研究者が多いようである。本

されたことから，この名がついた。この欠陥は数 K 程度の方法で観測した DX センター内の Ga の選択的 XAFS スペ

低温で適当な光を照射すると捕獲電子を放出するが，一旦放クトルは，強度が強く低エネルギー側がなだらかな a ピー

出すると光を遮った後でも再捕獲しないのが特徴である。こ

クを持つ。

――