InAs(001)吸附表面的不可逆重构相变研究
对吸附了大量As的InAs(001)样品进行升降温热处理，发现在485e时表面有从(3×1)重构到(2×4)重构的不可逆转变现象。利用扫描隧道显微镜对(3×1)重构表面分析，结果表明大量常温吸附的As从表面脱附使InAs(001)(2×4)重构表面最顶层的Asdimer也一起脱离表面，(3×1)重构表面实际上是由20%的富As(2×4)重构区域与80%的富In(4×2)重构区域组成。不可逆相变是由于As束流提供的As4原子团吸附到富In区域，使样品表面恢复到(2×4)重构相，而(2×4)重构相能在390~490℃温度范围内稳定存在。
半导体材料作为第二代半导体材料，由于其高电子迁移率、直接带隙的性质，经常被用来制作高速器件和光电子器件。随着对器件小型化以及器件性能要求的不断提高，相应的对制作器件的材料的表面有了更高的要求。因此，长期以来Ó-Õ半导体材料的表面形貌与表面重构的研究一直受到国内外的重视。GaAs作为Ó-Õ半导体材料最典型的代表，当然是研究的热点，研究人员对GaAs(001)表面重构相已经作了深入的研究与探索，特别是对富As的GaAs(001)表面的C(4×4)与B2(2×4)的高分辨表征的出现，二者的重构模型的争议已经基本消除。然而，对InAs(001)表面重构的研究报道并不多见，并且InAs(001)与GaAs(001)表面重构相以及重构相之间的转变存在着许多异。例如:InAs表面存在A2(2×4)，而GaAs不存在;InAs从As终止的(2×4)表面转变为铟终止的(4×2)表面是快速的并且伴随滞回现象，而GaAs从B2(2×4)表面转变到(4×2)表面是渐变的，中间有一个过渡的(3×1)重构相。最近，关于富铟的InAs(001)表面的高分辨表征也见报道。
本文利用反射式高能电子衍射仪(Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED)对InAs(001)吸附表面进行观测，发现表面(3×1)与(2×4)重构之间存在不可逆的相变过程。利用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)对表面进行分析，表明此相变现象与表面所吸附的As原子团的脱附过程相关。
1、实验
本实验在Omicron超高真空(极限真空可达5.32×10-9 Pa)的分子束外延(MolecularBeamEp-itaxy，MBE)设备中进行，衬底为AXT可直接外延InAs(001)外延片。通过MBE方法制备好表面原子级平坦的InAs(001)样品，将样品置于常温下真空度约为2.66×10-9 Pa的MBE真空室中24h。对样品缓慢升温(10e/min)至400℃，并在样品温度到达400℃时逐步开启As束流(达到6162×10-4 Pa并保持不变)保护样品表面，然后继续缓慢升温(每次升温5~10℃，升温后停留5min)至500℃，最后缓慢降温至室温，整个过程均使用RHEED实时监测并记录。通过以上途径选择在升温到475℃，得到稳定的(3×1)重构后淬火至室温，并将样品传送至与MBE生长室相接的超高真空STM扫描室进行分析。
2、结果与讨论
2.1、RHEED分析表面相变过程
放置于真空室中的样品为生长退火处理完成后，淬火至室温的InAs(001)样品，放置的时间从淬火到室温开始计算。放置之前的样品表面通过RHEED与STM的表征，其结果说明样品的表面原子级平坦且为非常清洁的表面。如图1所示，(a)RHEED衍射图清晰地显示表面呈(2×4)重构，(b)为表面1000nm×1000nm的STM扫描图，单层台阶宽度超过200nm，(c)为表面50nm×50nm的STM扫描图，可以分辨出二聚体排(Dimerrow)沿着[110]晶向，表面被B2(2×4)与A2(2×4)重构占据，表面有一些非周期性的占据沟道和Dimerrow顶部的缺陷存在(STM图中的亮点结构)，这些缺陷由退火温度与As束流量大小决定，并不是淬火过程和传送过程中吸附到表面的原子造成的。
图1 InAs表面(a)RHEED衍射图，(b)1000nm×1000nm的填充态STM扫描图，(c)50nm×50nm的填充态STM扫描图
3、结论
在升温过程中，大量在常温下吸附的As原子团的脱附，使InAs(001)(2×4)重构表面最顶层的As原子也随着脱附，类似最顶层的原子被/有粘性0的As原子团/粘附0而一起脱附，并且最顶层As脱附后的表面能维持稳定的(3×1)重构，直到温度升高到485℃才开始不可逆的相变。这种现象在GaAs(001)(2×4)重构表面并未发现，说明InAs(001)表面最顶层的Asdimer与其下层的In原子结合能弱于GaAs。InAs(001)富金属表面除了能在高温低As压条件下使最顶层As原子脱附而得到外，在较低温条件下，通过脱附常温下吸附的As也能得到80%表面为富金属区域的(3×1)重构表面。
