大型放射光施設 SPring-8

公開日

2013年01月31日

2013年1月31日
独立行政法人理化学研究所

本研究成果のポイント
● 結晶中の格子ひずみにX線を入射させ、2つのX線分岐を実現
● 分岐したX線は、横すべり現象により400μm離れたほぼ平行な2つのビームに
● 次世代半導体キーテクノロジーとなるミクロな格子ひずみの高感度計測の有力手段

背　景
　X線は、短波長であるため物質との相互作用が極端に小さく、屈折をほとんど起こしません。また、X線を集光する既存のレンズ製作技術の精度を上げることは難しく、可視光と比べてX線の軌道制御は困難です。しかし、結晶の中では、一定の間隔で周期的に並んでいる原子の周期性がずれて格子ひずみが生じると、それによってX線の軌道が大きく曲がります。この現象は「X線の横すべり現象」と呼ばれ、澤田桂特別研究員ら（当時 東京大学大学院工学系研究科所属）が2006年に発表した論文で理論予言しています（Sawada, et al., PRL, 96, 154802 (2006) ）。さらに2010年には香村芳樹ユニットリーダーらがシリコンの凹面をなす結晶面にX線を照射し、X線横すべり現象を実際に観測することに成功しました。これにより、同現象を利用した精度の高いX線導波管（X線を必要なところに導くデバイス）の実現の可能性を証明しました（2010年プレスリリース^＊　Y. Kohmura, et al., PRL, 104, 244801 (2010) ）。
　今回共同研究グループは、より精密な軌道制御を行うには、高精度に格子ひずみを制御しX線の横すべり現象を起こす必要があると考えました。そこで、ヘテロエピタキシャル結晶という2種類の異なる元素の結晶界面を用いて格子ひずみを制御することでX線の軌道を制御しようと挑みました。

研究手法と成果
　本研究で用いたヘテロエピタキシャル結晶は、大きさ15×15mmのシリコン結晶上にゲルマニウムを約4原子層の厚さで蒸着して量子ドットを生成させた結晶試料です（図1）。量子ドットは、シリコン結晶に引っ張り応力（外部が引っ張られるときに内部に生じる力）を及ぼして直下の結晶面を凸面形状に変形させ、格子ひずみを生じさせます。原子間力顕微鏡^※6で試料を観察したところ、量子ドットの間隔は1μm以下であることが分かりました。さらにX線が試料を透過しやすくするため、ゲルマニウム蒸着面と反対側の面に余計な力が加わってひずみが起きないように慎重に研磨し、厚さ100μmの結晶試料を作製しました。
　実験は、大型放射光施設SPring-8のアンジュレータービームラインBL29XUで、エネルギー15 keVのX線（波長0.08 ナノメートル）を照射し、X線画像検出器で試料透過像を撮影しました（図2）。結晶試料に対するX線の入射角がブラッグ角^※7（本実験の場合は17.6度）から大きく外れた角度だと、X線はほとんど直進します。しかし、ブラッグ角よりもわずか1秒角（3600分の1度）ほどずれた低角だと、X線は、2方向に分岐し、入射角度を変化させると2つのビーム間の距離を変えることもできました（図3）。
　結晶試料に入射するX線はほぼ平行ですが、量子ドット付近のシリコン結晶面は凸面形状であるため、X線の一部はブラッグ角よりも低角側にずれ、一部は高角側にずれて入射します。（図4）。2006年に発表した理論をさらに発展させたところ、2つのX線が分岐して横すべり現象を生じることが理論的に説明できました。さらに、2つに分岐したX線が結晶試料を通過したときの距離を測ると、量子ドットの間隔（1μm以下）をはるかに超えた400μm以上であることが分かりました。この大きな横すべり現象を詳細に調べたところ、ブラッグ角近くに入射されたX線は、結晶試料の界面で繰り返されている凹凸の格子ひずみの影響で、ある量子ドットによる格子ひずみからとなりの量子ドットによる格子ひずみへ飛び移る、波乗りするような動きをして、結果的に400個以上の量子ドットをまたいだ大きな横すべり現象を起こすことを見いだしました（図5）。

今後の期待
　ヘテロエピタキシャル結晶の界面付近では、原子位置をずらす、つまり、格子ひずみの制御を行うことができます。今回の研究では、格子ひずみの制御により、結晶から2つの角度発散が非常に小さく、お互いにほぼ平行なビームを取りだすことができました。この現象を利用すると、従来できなかったさまざまな新しい研究が可能になります。例えば、2つに分岐したビームを、再び重ね合わせることで新しい原理に基づいたX線干渉計が作れます。この干渉計では、格子ひずみの大きさをX線の波の位相変化として観測し、極めて高感度に計測できます。この技術は、ヘテロエピタキシャル結晶中の格子ひずみを設計し、より高性能な次世代半導体デバイスを開発するために役立ちます。格子ひずみを制御する技術開発を通じて、この他にも、新しいX線軌道制御方法、新たな光学素子が誕生する可能性が広がります。

《参考図》

《用語解説》
※1　大型放射光施設「SPring-8」
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その管理運営は理研が行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する絞られた強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究を行っている。

※2　結晶の格子ひずみ
結晶とは、原子や分子が一定の間隔で周期的に並んでいるような物質である。結晶に力が加わったり、不純物が入ったりした際に、周期的な配列がひずむ場合があり、格子ひずみと呼ばれている。これを利用して結晶の性質をより最適なものに改良する試みが行われている。半導体結晶における格子ひずみは、スマートフォンなど半導体を用いたデバイスを高速駆動するのに欠かせない重要な役割を果たしている。

※3　X線の横すべり現象
結晶の格子ひずみを入れた単結晶をブラッグ角近辺でX線を照射すると、X線が大きく湾曲される現象。

※4　ヘテロエピタキシャル結晶
基板となる結晶の上に、その構成要素とは異なる物質の結晶を、基板とほぼ同じ格子配列を保ったまま成長させたもの。ヘテロエピタキシャル結晶成長により、100nm以下の空間スケールで基板結晶にひずみ分布を与えることができる。

※5　量子ドット
半導体などで実現されている3次元全ての方向への電子の運動が制限された島状構造。スペクトルが孤立原子に似ていることから人工原子とも呼ばれる。別名を量子箱、あるいは量子点という。

※6　原子間力顕微鏡
試料と探針先端の原子の間に働く力を検出して、試料表面の形態を観察する装置で、原子レベルの分解能が実現されている。

※7　ブラッグ角
X線を結晶に当てたときに、干渉して強めあうことで大きな反射強度が得られる入射角度。