研究発表

Core-level x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is widely used to observe chemical states of the atom from which photoelectrons are emitted. It is, however, difficult to compare XPS values from different samples because of the effect of different charge and surface conditions of samples. Samples irradiated by x-ray often emit Auger electrons as well as photoelectrons. Auger electrons are emitted by excess energy of Auger process where an electron falls into the deep hole generated by x-ray and so on [1]. Auger prameters, which are defined by the combination of XPS binding energy and Auger electron kinetic energy to cancell the above harm effect of different samples, are suggested by Wagner [2], an later by Lang and Williams [3]. In this presentation, I report the first-principles calculation of Si KL2,3L2,3 Auger parameters chemical shifts in molcules and semiconductors using screened core hole (SCH) pseudopotentials [4]. XPS and Auger spectroscopy calculations require large systems because the change of Coulomb potential due to the remained core hole spreads over a wide area. Therefore, the pseudopotential approach is useful. SCH pseudopotentials, whch are generated from the all electron calculation of an isolated atom whose inner core with a hole, are effetive to calculate the XPS chemical shift of solids [5,6]. In this work, as a first step, I make the SCH pseudopotentials for Si KL2,3L2,3 Auger process. Calculation is performed using planewave basis program xTAPP and cutoff energy is 49 Rydberg. The unit cell is cubic whose edge is 50 atomic unit (Bohr). I optimized SCH potentials, which is norm-conserving Troullier-Martins type [7], and obtained the generalized Auger parameter [3] 0.00 (0.00), 1.10 (1.56), -2.16 (-2.36), -1.77 (-1.64) eV for the molecules SiX4 (X=H, F, Cl, CH3), respectively, where the figures in parentheses are experimental values. The results do not depend largely on the selected parameters, that is, cutoff radii for 3s and 3p orbitals. In the conference, I will talk about the behaviors of Auger prameters in molecules and solids such as silicon, silicon carbide (SiC), and so on. References [1] P. Auger, J. Physique Radium 6, 205 (1925). [2] C. Wagner, Faraday. Discuss. Chem. Soc. 60, 291 (1975). [3] N. D. Lang and A. R. Williams, Phys. Rev. B 20, 1369 (1979). [4] E. Pehlke and M. Scheffler, Phys. Rev. Lett. 71, 2338 (1993). [5] J. Yamauchi, Y. Yoshimoto, and Y. Suwa, J. Appl. Phys. 119, 175704 (2016). [6] J. Yamauchi, Y. Yoshimoto, and Y. Suwa, AIP Advances 10, 115301 (2020). [7] N. Troullier and J. L. Martins, Solid State Commun. 74 613 (1990).

Si結晶中のAs欠陥について第一原理計算を行った。スーパーセルの境界条件評価を注意深く行い、As 3d内殻準位のXPSシフトについて、1000原子モデルセルで0.1eVの精度が実現できることを確認した。その結果を用いて東工大筒井グループのSPring8での測定実験結果を解析し、イオン化したAs2Vクラスターが観測されている一つのピークの原因であるとの結果を得た。

半導体プロセスにおいて、絶縁膜としてのSiO2は重要であるが、CVDの前駆体に炭素（C）が含まれていることから、SiO2中に偏析し、固定電荷の原因になっているとの実験的な提案がなされている。これに対して第一原理的アプローチを行い、その原因がCを含むカルボニル欠陥であることを示した。

半導体デバイスを代表としたナノ構造の輸送特性、特に有効質量に燗する研究を行っている。ナノ構造のもっとも基本的な形状としてSi薄膜に着目し、歪みと薄膜の厚さに関して有効質量を第一原理計算から調べたところ、特定の条件下で縦方向有効質量の発散を見いだした。この原因は、歪みによりX点での伝導体下端の電子状態が分裂する効果、ならびに閉じ込めによるものと解析できる。特に後者は有効質量近似を拡張した現象論的なモデルで定性的に説明できることを示した。

半導体デバイスを代表としたナノ構造の輸送特性、特に有効質量に燗する研究を行っている。ナノ構造のもっとも基本的な形状としてSi薄膜に着目し、歪みと薄膜の厚さに関して有効質量を第一原理計算から調べたところ、特定の条件下で縦方向有効質量の発散を見いだした。この原因は、歪みによりX点での伝導体下端の電子状態が分裂する効果、ならびに閉じ込めによるものと解析できる。特に後者は有効質量近似を拡張した現象論的なモデルで定性的に説明できることを示した。

シンポジウム企画趣旨説明。企画意図は以下の通り。 走査型プローブ顕微法の進展は目覚しく、様々な手法で原子レベルの像が得られるようになっている。本シンポジウムでは一歩進んで、単なる画像のコントラストに留まらず、プローブ信号の背景にある探針表面間の物理的相互作用に焦点をあて、進展著しい三つの分野(測定環境の進展、新しい測定物理量、測定制御精度向上)から講演者を選定した。

半導体デバイスを代表としたナノ構造の輸送特性、特に有効質量に燗する研究を行っている。ナノ構造のもっとも基本的な形状としてSi薄膜に着目し、結晶方位、歪みと薄膜の厚さに関して有効質量を第一原理計算から調べたところ、特定の条件下で縦方向有効質量の発散を見いだした。この発散はLandauの二次相転移理論と同様の取り扱いにより、厳密に導出することができることを示した。

Recently, Silicon On Insulator (SOI) technology has been widely used for devices such as CPUs. For further high performance in MOSFET, strained substrate has been attracting researchers' interest because of its high mobility due to the suppression of intervalley phonon scattering[1]. On the other hand, successive downsizing of Si devices requires thin Si substrate. The function of sub-nm-body MOSFETs has been demonstrated [2]. In particular, the importance of the (110)-oriented substrates has been pointed out [3]. However, there are few studies on intrinsic properties of Si film through the intermediate region from bulk to sub-nm-body using first-principles calculation. 　In the scientific and technological view points, it is interesting and important issue to clarify the effect of the strain and the confinement on the electronic transport properties of the Si region. I reported on the electronic structure of the strain-free SOI and germanium on insulators[4] and very recently on preliminary results of the effective mass enhancement of the strained bulk and the confined thin films[5]. In this work, I focus on the effective mass behavior of the <110> confined strained Si thin films in detail.

The effect of strain and layer thickness on the transport properties of $<100>$, $<111>$, and $<110>$ confined Si thin films is systematically investigated using the density functional calculation. The strain is uniformly applied to the plane perpendicular to the confined direction and the lattice along the direction is relaxed. Anomalously heavy effective mass, which is more than ten times of the strain-free bulk value, is found in the case of the $<111>$ confinement with relatively large strain. Similar results are obtained for the $<110>$ case. These heavy masses are attributed to the bulk property, where the two electron pockets, whose center is located about 0.84 $Gamma-X$ in the non-strained case, merge into one pocket under the relatively large strain.