InAs(001)吸附表面的不可逆重構(gòu)相變研究

2014-02-19 郭 祥 貴州大學(xué)電信學(xué)院

  對吸附了大量As的InAs(001)樣品進(jìn)行升降溫?zé)崽幚,發(fā)現(xiàn)在485e時表面有從(3×1)重構(gòu)到(2×4)重構(gòu)的不可逆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。利用掃描隧道顯微鏡對(3×1)重構(gòu)表面分析,結(jié)果表明大量常溫吸附的As從表面脫附使InAs(001)(2×4)重構(gòu)表面最頂層的Asdimer也一起脫離表面,(3×1)重構(gòu)表面實(shí)際上是由20%的富As(2×4)重構(gòu)區(qū)域與80%的富In(4×2)重構(gòu)區(qū)域組成。不可逆相變是由于As束流提供的As4原子團(tuán)吸附到富In區(qū)域,使樣品表面恢復(fù)到(2×4)重構(gòu)相,而(2×4)重構(gòu)相能在390~490℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定存在。

  半導(dǎo)體材料作為第二代半導(dǎo)體材料,由于其高電子遷移率、直接帶隙的性質(zhì),經(jīng)常被用來制作高速器件和光電子器件。隨著對器件小型化以及器件性能要求的不斷提高,相應(yīng)的對制作器件的材料的表面有了更高的要求。因此,長期以來Ó-Õ半導(dǎo)體材料的表面形貌與表面重構(gòu)的研究一直受到國內(nèi)外的重視。GaAs作為Ó-Õ半導(dǎo)體材料最典型的代表,當(dāng)然是研究的熱點(diǎn),研究人員對GaAs(001)表面重構(gòu)相已經(jīng)作了深入的研究與探索,特別是對富As的GaAs(001)表面的C(4×4)與B2(2×4)的高分辨表征的出現(xiàn),二者的重構(gòu)模型的爭議已經(jīng)基本消除。然而,對InAs(001)表面重構(gòu)的研究報(bào)道并不多見,并且InAs(001)與GaAs(001)表面重構(gòu)相以及重構(gòu)相之間的轉(zhuǎn)變存在著許多異。例如:InAs表面存在A2(2×4),而GaAs不存在;InAs從As終止的(2×4)表面轉(zhuǎn)變?yōu)殂熃K止的(4×2)表面是快速的并且伴隨滯回現(xiàn)象,而GaAs從B2(2×4)表面轉(zhuǎn)變到(4×2)表面是漸變的,中間有一個過渡的(3×1)重構(gòu)相。最近,關(guān)于富銦的InAs(001)表面的高分辨表征也見報(bào)道。

  本文利用反射式高能電子衍射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction,RHEED)對InAs(001)吸附表面進(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)表面(3×1)與(2×4)重構(gòu)之間存在不可逆的相變過程。利用掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM)對表面進(jìn)行分析,表明此相變現(xiàn)象與表面所吸附的As原子團(tuán)的脫附過程相關(guān)。

1、實(shí)驗(yàn)

  本實(shí)驗(yàn)在Omicron超高真空(極限真空可達(dá)5.32×10-9 Pa)的分子束外延(MolecularBeamEp-itaxy,MBE)設(shè)備中進(jìn)行,襯底為AXT可直接外延InAs(001)外延片。通過MBE方法制備好表面原子級平坦的InAs(001)樣品,將樣品置于常溫下真空度約為2.66×10-9 Pa的MBE真空室中24h。對樣品緩慢升溫(10e/min)至400℃,并在樣品溫度到達(dá)400℃時逐步開啟As束流(達(dá)到6162×10-4 Pa并保持不變)保護(hù)樣品表面,然后繼續(xù)緩慢升溫(每次升溫5~10℃,升溫后停留5min)至500℃,最后緩慢降溫至室溫,整個過程均使用RHEED實(shí)時監(jiān)測并記錄。通過以上途徑選擇在升溫到475℃,得到穩(wěn)定的(3×1)重構(gòu)后淬火至室溫,并將樣品傳送至與MBE生長室相接的超高真空STM掃描室進(jìn)行分析。

2、結(jié)果與討論

2.1、RHEED分析表面相變過程

  放置于真空室中的樣品為生長退火處理完成后,淬火至室溫的InAs(001)樣品,放置的時間從淬火到室溫開始計(jì)算。放置之前的樣品表面通過RHEED與STM的表征,其結(jié)果說明樣品的表面原子級平坦且為非常清潔的表面。如圖1所示,(a)RHEED衍射圖清晰地顯示表面呈(2×4)重構(gòu),(b)為表面1000nm×1000nm的STM掃描圖,單層臺階寬度超過200nm,(c)為表面50nm×50nm的STM掃描圖,可以分辨出二聚體排(Dimerrow)沿著[110]晶向,表面被B2(2×4)與A2(2×4)重構(gòu)占據(jù),表面有一些非周期性的占據(jù)溝道和Dimerrow頂部的缺陷存在(STM圖中的亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)),這些缺陷由退火溫度與As束流量大小決定,并不是淬火過程和傳送過程中吸附到表面的原子造成的。

InAs(001)吸附表面的不可逆重構(gòu)相變研究

圖1 InAs表面(a)RHEED衍射圖,(b)1000nm×1000nm的填充態(tài)STM掃描圖,(c)50nm×50nm的填充態(tài)STM掃描圖

3、結(jié)論

  在升溫過程中,大量在常溫下吸附的As原子團(tuán)的脫附,使InAs(001)(2×4)重構(gòu)表面最頂層的As原子也隨著脫附,類似最頂層的原子被/有粘性0的As原子團(tuán)/粘附0而一起脫附,并且最頂層As脫附后的表面能維持穩(wěn)定的(3×1)重構(gòu),直到溫度升高到485℃才開始不可逆的相變。這種現(xiàn)象在GaAs(001)(2×4)重構(gòu)表面并未發(fā)現(xiàn),說明InAs(001)表面最頂層的Asdimer與其下層的In原子結(jié)合能弱于GaAs。InAs(001)富金屬表面除了能在高溫低As壓條件下使最頂層As原子脫附而得到外,在較低溫條件下,通過脫附常溫下吸附的As也能得到80%表面為富金屬區(qū)域的(3×1)重構(gòu)表面。