摘要：以在UHV/MBE-STM聯(lián)合系統(tǒng)上生長(zhǎng)的19ML的InGaAs/GaAs樣品為研究對(duì)象,先在GaAs(001)襯底上外延生長(zhǎng)0.37μm的GaAs緩沖層,再外延生長(zhǎng)19ML的InGaAs,通過(guò)樣品生長(zhǎng)速率大致確定其組分為In0.14Ga0.86As,通過(guò)反射式高能電子衍射(RHEED)及掃描隧道顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)其表面主要由占大多數(shù)的4×3及少量的α2(2×4)重構(gòu)混合而成,并用軟件模擬RHEED對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞：反射式高能電子衍射;分子束外延;掃描隧道顯微鏡;InGaAs表面重構(gòu);模擬

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

　　基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60866001);; 貴州省委組織部高層人才科研特助項(xiàng)目(TZJF-2006年10號(hào));; 貴州省科技廳基金資助項(xiàng)目(黔科合J字[2007]2176號(hào));; 貴州省留學(xué)人員科技項(xiàng)目(黔人項(xiàng)目資助合同(2007)03號(hào))

　　InxGa1- xAs 是􀀁-V 族化合物半導(dǎo)體材料中一種重要的合金材料, 已廣泛應(yīng)用于激光器、探測(cè)器、晶體管等器件的開(kāi)發(fā)和研究。晶格失配度為0%~7.2% 的InxGa1- xAs/ GaAs 材料因在微波和光電器件技術(shù)中的應(yīng)用而成為廣泛研究的體系之一 。大多數(shù)􀀁-V 族化合物半導(dǎo)體材料與GaAs 一樣具有相同的體結(jié)構(gòu), 即閃鋅礦結(jié)構(gòu), 而材料的表面結(jié)構(gòu)特征則不然, 往往在表面上會(huì)出現(xiàn)各種重構(gòu)[ 2] 。在制造高質(zhì)量的􀀁-V 族半導(dǎo)體器件時(shí)需要精確控制外延生長(zhǎng), 通常在􀀁-V 族( 001) 襯底上進(jìn)行, 表面原子在相互結(jié)合時(shí), 有些原子在結(jié)合后不能在表面完全配對(duì)成鍵而出現(xiàn)了帶懸掛鍵的未重構(gòu)表面, 存在較大密度未配對(duì)電子的懸掛鍵時(shí), 表面自由能相對(duì)于體的能量比較高, 為消除懸掛鍵, 降低系統(tǒng)自由表面原子重新排列。在高溫下對(duì)半導(dǎo)體表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢蕴峁┙o表面原子足夠的能量來(lái)重新排列并且產(chǎn)生很多相似的表面區(qū)域。表面重構(gòu)可以用電子計(jì)數(shù)摸型( ECM, electron counting model ) 等理論來(lái)解釋, 其中最重要的理論之一就是所觀察到的表面重構(gòu)將是能量最低的結(jié)構(gòu)。

　　表面重構(gòu)在􀀁-V 族化合物半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)中扮演著重的要角色, 了解表面重構(gòu)在控制器件質(zhì)量方面也非常重要。表面重構(gòu)對(duì)于樣品表面坑和島的成核形成具有重要影響, 表面重構(gòu)區(qū)域的類型可以改變表面形貌并反過(guò)來(lái)影響突變異質(zhì)結(jié)的形成, 進(jìn)一步影響器件的性能[ 3- 4] 。因此, 表面重構(gòu)在納米及微米級(jí)外延薄膜的生長(zhǎng)中具有重要作用[ 5] 。國(guó)際上對(duì)于半導(dǎo)體表面重構(gòu)的現(xiàn)象已經(jīng)進(jìn)行了一些比較廣泛的研究[ 3- 4, 6- 10] 。GaAs( 001) 襯底通常被用于分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE) 、金屬有機(jī)氣相外延(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)以及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積( Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 等的生長(zhǎng)研究中[ 10- 12] 。富砷的GaAs( 001) 表面的重構(gòu)已經(jīng)通過(guò)反射式高能電子衍射( Reflection High Energy Electron Diffraction,RHEED)及原位的掃描隧道顯微鏡( STM, Scanning Tunneling Microscopy) 研究認(rèn)證, 主要有c( 4 􀀁 4) 、􀀁( 2 􀀁 4) 、􀀁( 2 􀀁 4) 、􀀁2( 2 􀀁 4) 和􀀁( 2 􀀁 4) 幾種重構(gòu)[ 10] 。合金半導(dǎo)體的表面重構(gòu)比較復(fù)雜, 因?yàn)槎嘀亟M分的存在引入的附加因素會(huì)影響表面結(jié)構(gòu), 包括晶格失配應(yīng)力和原子大小相關(guān)的失配應(yīng)力。晶格失配度定義為f = ( ae- as ) / as[ 13] , 其與襯底和外延薄膜的平均晶格常數(shù)差有關(guān)( ae 和as 分別是外延層材料和襯底材料在自由狀態(tài)時(shí)的晶格常數(shù)) ; 和原子大小相關(guān)的失配應(yīng)力與合金組分的鍵長(zhǎng)差有關(guān)。

　　InxGa1- xAs 是一類適合作三元合金重構(gòu)研究的理想材料, 因?yàn)椴煌�類型表面重�?gòu)成核時(shí)膜的構(gòu)成可以被改變, 對(duì)于GaAs 基上生長(zhǎng)InGaAs 的表面重構(gòu)的研究, 密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程系以及倫敦帝國(guó)理工學(xué)院化學(xué)系電子材料與器件中心等研究小組曾對(duì)此有過(guò)相關(guān)的研究報(bào)道[ 3- 4, 6- 9], 但還沒(méi)有形成完整的一致看法, 存在較大的爭(zhēng)議。本文在借鑒以前相關(guān)報(bào)道的基礎(chǔ)上, 摸索實(shí)驗(yàn)工藝條件, 對(duì)在UHV/MBE-STM 聯(lián)合系統(tǒng)上生長(zhǎng)的19 ML 的In0. 14 Ga0. 86As/ GaAs( 4 􀀁 3) 薄膜表面的重構(gòu)進(jìn)行了探討和研究, 以便對(duì)后期不同組分InxGa1- xAs 及不同襯底( 如InP、InAs 等) 上生長(zhǎng)的InxGa1- xAs 表面重構(gòu)的研究工作作好準(zhǔn)備。

　　本文以在UHV/MBE-STM 聯(lián)合系統(tǒng)上生長(zhǎng)的19ML 的InGaA/GaAs 樣品為研究對(duì)象, 通過(guò)樣品生長(zhǎng)速率大致確定其組成分為In0. 14Ga0. 86As, 通過(guò)RHEED 及STM 分析發(fā)現(xiàn)其表面主要由占大多數(shù)的4 􀀁 3 及少量的􀀁2( 2 􀀁 4) 重構(gòu)混合而成, 并用軟件模擬RHEED 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。樣品表面結(jié)構(gòu)的研究還可采用多種方法, 比如LEED 技術(shù)等, 其組分的確定也可用高分辨的XRD 技術(shù)等加以確定。

　　本文結(jié)合貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)材料表面結(jié)構(gòu)的研究做了初步探索, 對(duì)今后材料表面重構(gòu)的研究工作也有一定的借鑒意義。

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