In0.14Ga0.86As/GaAs(4×3)表面的RHEED及STM分析

　　摘要：以在UHV/MBE-STM联合系统上生长的19ML的InGaAs/GaAs样品为研究对象,先在GaAs(001)衬底上外延生长0.37μm的GaAs缓冲层,再外延生长19ML的InGaAs,通过样品生长速率大致确定其组分为In0.14Ga0.86As,通过反射式高能电子衍射(RHEED)及扫描隧道显微镜分析发现其表面主要由占大多数的4×3及少量的α2(2×4)重构混合而成,并用软件模拟RHEED对实验结果进行了验证。

　　关键词：反射式高能电子衍射;分子束外延;扫描隧道显微镜;InGaAs表面重构;模拟

Abstract: The InGaAs thin film,19 monolayers in thickness,was grown on the GaAs(001) substrate covered with a buffer layer 0.37 μm thick,by ultrahigh vacuum,molecular beam epitaxy(UHV-MBE).The reconstructed surfaces of the InGaAs were characterized in-situ with reflection high energy diffraction(RHEED),and scanning tunneling microscopy(STM) installed at the same vacuum chamber.The stoichiometries of indium and gallium were found to be roughly In 0.14 and Ga0.86,respectively.The atomically resolved results show that the dominant 4×3 reconstruction co-exists with a small amount of α2(2×4) patterns.The RHEED images were simulated with a dedicated software package,and the simulated results agree fairly well with the observation.

　　Keywords: RHEED,MBE,STM,Surface reconstruction on InGaAs,Simulation

　　基金项目: 国家自然科学基金资助项目(60866001);; 贵州省委组织部高层人才科研特助项目(TZJF-2006年10号);; 贵州省科技厅基金资助项目(黔科合J字[2007]2176号);; 贵州省留学人员科技项目(黔人项目资助合同(2007)03号)

　　InxGa1- xAs 是􀀁-V 族化合物半导体材料中一种重要的合金材料, 已广泛应用于激光器、探测器、晶体管等器件的开发和研究。晶格失配度为0%~7.2% 的InxGa1- xAs/ GaAs 材料因在微波和光电器件技术中的应用而成为广泛研究的体系之一 。大多数􀀁-V 族化合物半导体材料与GaAs 一样具有相同的体结构, 即闪锌矿结构, 而材料的表面结构特征则不然, 往往在表面上会出现各种重构[ 2] 。在制造高质量的􀀁-V 族半导体器件时需要精确控制外延生长, 通常在􀀁-V 族( 001) 衬底上进行, 表面原子在相互结合时, 有些原子在结合后不能在表面完全配对成键而出现了带悬挂键的未重构表面, 存在较大密度未配对电子的悬挂键时, 表面自由能相对于体的能量比较高, 为消除悬挂键, 降低系统自由表面原子重新排列。在高温下对半导体表面进行适当的退火处理可以提供给表面原子足够的能量来重新排列并且产生很多相似的表面区域。表面重构可以用电子计数摸型( ECM, electron counting model ) 等理论来解释, 其中最重要的理论之一就是所观察到的表面重构将是能量最低的结构。

　　表面重构在􀀁-V 族化合物半导体外延生长中扮演着重的要角色, 了解表面重构在控制器件质量方面也非常重要。表面重构对于样品表面坑和岛的成核形成具有重要影响, 表面重构区域的类型可以改变表面形貌并反过来影响突变异质结的形成, 进一步影响器件的性能[ 3- 4] 。因此, 表面重构在纳米及微米级外延薄膜的生长中具有重要作用[ 5] 。国际上对于半导体表面重构的现象已经进行了一些比较广泛的研究[ 3- 4, 6- 10] 。GaAs( 001) 衬底通常被用于分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE) 、金属有机气相外延(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)以及金属有机化学气相沉积( Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 等的生长研究中[ 10- 12] 。富砷的GaAs( 001) 表面的重构已经通过反射式高能电子衍射( Reflection High Energy Electron Diffraction,RHEED)及原位的扫描隧道显微镜( STM, Scanning Tunneling Microscopy) 研究认证, 主要有c( 4 􀀁 4) 、􀀁( 2 􀀁 4) 、􀀁( 2 􀀁 4) 、􀀁2( 2 􀀁 4) 和􀀁( 2 􀀁 4) 几种重构[ 10] 。合金半导体的表面重构比较复杂, 因为多重组分的存在引入的附加因素会影响表面结构, 包括晶格失配应力和原子大小相关的失配应力。晶格失配度定义为f = ( ae- as ) / as[ 13] , 其与衬底和外延薄膜的平均晶格常数差有关( ae 和as 分别是外延层材料和衬底材料在自由状态时的晶格常数) ; 和原子大小相关的失配应力与合金组分的键长差有关。

　　InxGa1- xAs 是一类适合作三元合金重构研究的理想材料, 因为不同类型表面重构成核时膜的构成可以被改变, 对于GaAs 基上生长InGaAs 的表面重构的研究, 密歇根大学材料科学与工程系以及伦敦帝国理工学院化学系电子材料与器件中心等研究小组曾对此有过相关的研究报道[ 3- 4, 6- 9], 但还没有形成完整的一致看法, 存在较大的争议。本文在借鉴以前相关报道的基础上, 摸索实验工艺条件, 对在UHV/MBE-STM 联合系统上生长的19 ML 的In0. 14 Ga0. 86As/ GaAs( 4 􀀁 3) 薄膜表面的重构进行了探讨和研究, 以便对后期不同组分InxGa1- xAs 及不同衬底( 如InP、InAs 等) 上生长的InxGa1- xAs 表面重构的研究工作作好准备。

　　本文以在UHV/MBE-STM 联合系统上生长的19ML 的InGaA/GaAs 样品为研究对象, 通过样品生长速率大致确定其组成分为In0. 14Ga0. 86As, 通过RHEED 及STM 分析发现其表面主要由占大多数的4 􀀁 3 及少量的􀀁2( 2 􀀁 4) 重构混合而成, 并用软件模拟RHEED 对实验结果进行了验证。样品表面结构的研究还可采用多种方法, 比如LEED 技术等, 其组分的确定也可用高分辨的XRD 技术等加以确定。

　　本文结合贵州省微纳电子与软件技术重点实验室的实验仪器对材料表面结构的研究做了初步探索, 对今后材料表面重构的研究工作也有一定的借鉴意义。

参考文献：

　　[1]Li W,Wang Z,Liang J,et al.Investigation of the EpitaxialGrowth of InxGa1-x As on GaAs(001)and Extension ofTtwo-Dimensiona-lThree-Dimensional Growth Mode Trans-ition,Applied Physics Letters,1995,66:1080-1082
　　[2]Nosho B Z,Weinberg WH,Barvosa-CarterW,et al.Effects ofSurface Reconstruction onⅢ-V Semiconductor Interface For-mation:The Role of III/V Composition[J].Applied PhysicsLetters,1999,74:1704-1706
　　[3]Sears L E.Investigations of Surface Reconstructions and In-verse Stranski Krastanov Growth in InGaAs Films[J].Mater-ials Science and Engineering,The University of Michigan,2009
　　[4]Millunchick JMirecki,Riposan A,Dall B J,et al.Surface Re-constructions of InGaAs Alloys[J].Surface Science,2004,550:1-7
　　[5]Bickel J E,Modine N A,Ven A V d,et al.Atomic Size Mis-match Strain Induced Surface Reconstructions[J].AppliedPhysics Letters,2008,92:062104
　　[6]Bone P A,Ripalda J M,Bell G R,et al.Surface Reconstruc-tions of InGaAs Alloys[J].Surface Science,2006,600:973-982
　　[7]Riposan A.Surface Reconstructions and Morphology of In-GaAs Compound SemiconductorAlloys[C].Materials Scienceand Engineering,The University ofMichigan,2004
　　[8]Millunchick J M,Riposan A,Dall B J,et al.Surface Recon-structions of InGaAs Layers[C].Compound Semiconductors,2003:43-44
　　[9]Millunchick J M,Riposan A,Dall B J,et al.Surface Recon-structions of In-Enriched InGaAs Alloys[J].Applied PhysicsLetters,2003,83:1361-1363
　　[10]LaBella V P,Krause M R,Ding Z,et al.Thibado,Arsenic-Rich GaAs(001)Surface Structure[J].Surface Science Re-ports,2005,60:1-53
　　[11]Pashley M D,Haberern K W,Friday W,et al.Kirchner,Structure of GaAs(001)(2×4)-c(2×8)Determined byScanning Tunneling Microscopy[J].Physical Review Let-ters,1988,60:2176-2179
　　[12]Schmidt W G.Ⅲ-V Compound Semiconductor(001)Sur-faces[J].Applied Physics A:Materials Science&Process-ing,2002,75:89-99
　　[13]王占国,陈涌海,叶小珍,等.纳米半导体技术[M].北京:化学工业出版社材料科学与工程出版中心,2006
　　[14]成永军.极高真空校准室内残余气体的成分分析[J].真空科学与技术学报,2010,30:54-59
　　[15]郭祥,罗子江,张毕禅,等.测定GaAs(001)衬底上InAs成长速率[J].物理实验,2011,31(1):12-16
　　[16]Yamaguchi H,Horikoshi Y.Surface Structure Transitions onInAs and GaAs(001)Surfaces[J].Physical Review,1995,B51:9836-9854