紫外光電子分光によるMg_2Si単結晶の表面電子状態に関する研究

摘要

Mg_2Siは赤外受光素子への応用が期待されている。受光素子への実用化を図る際には、吸収に続いて起こる光電変換過程に関する情報が必要不可欠となる。基礎吸収の吸収係数から見積もられる光の侵入長が10 nm程度であることを考えると，光吸収過程や光電変換過程において表面近傍の電子状態が密接に関わると予想される。本研究では、ブリッジマン法によって育成されたp型とn型のMg_2Si単結晶を超高真空中で破断して得た清浄表面の電子状態を紫外光電子分光(UPS)により調べた。紫外光電子分光の実験は九州シンクロトロン光研究センター内の佐賀大学ビームラインBL13で行った。Fig.1に(a)p型と(b) n型のMg_2Si単結晶の価電子帯スぺクトルを示す。測定時の試料温度は約40 Kであつた。紫外光のエネルギーは130 eVで，測定時の光電子アナライザーのエネルギー分解能は約20 meVであつた。フェルミエネルギーを0eVとした。p型の場合，フエノレミエネルギーから価電子帯が急激に立ち上がる。これは，価電子帯内部にフェルミ準位が位置することを示す。一方，n型の場合，フエノレミ準位から価電子帯が緩やかに立ち上がり，フェルミ準位が価電子帯の直上に位置することを示す。Mg_2Siが0.7eVの禁制帯幅を持つ間接遷移型半導体であることを考えると，n型表面での電子状態にはバンド曲がりが存在することを示唆する。スぺクトル形状にも違いが見られ，これはn型表面においてマグネシウムが著しく欠損するためである。本研究の一部は生体医歯工学共同研究拠点共同研究プロジェクトの支援を受けて行われた。