GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)下的表面形貌及其重構(gòu)原胞*

周 勛，羅子江2，王繼紅，郭 祥，丁 召

(1. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001；

2. 貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，貴陽 550004； 3. 貴州大學(xué) 理學(xué)院，貴陽 550025)

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GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)下的表面形貌及其重構(gòu)原胞*

周 勛1，羅子江2，王繼紅3，郭 祥3，丁 召3

(1. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001；

2. 貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，貴陽 550004； 3. 貴州大學(xué) 理學(xué)院，貴陽 550025)

采用RHEED與STM技術(shù)對GaAs(001)-(2×6)表面重構(gòu)下的表面形貌進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)表面是GaAs(001)-β2(2×4)重構(gòu)表面經(jīng)530 ℃，1.33 μPa As BEP退火獲得，在(2×6)重構(gòu)下的GaAs(001)表面形貌已經(jīng)進(jìn)入表面存在系列單層島和坑覆蓋的無序平坦?fàn)顟B(tài)。為了進(jìn)一步確定(2×6)重構(gòu)的原胞結(jié)構(gòu)，采用球棍模型對其原胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，提出新的As表面覆蓋率計(jì)算方法、結(jié)合STM圖片分析對球棍模型進(jìn)行驗(yàn)證和篩選，首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)(2×6)重構(gòu)原胞中存在2個(gè)As Dimers和2個(gè)Ga Dimers，并以此重構(gòu)原胞結(jié)構(gòu)構(gòu)建理論下的(2×6)重構(gòu)表面，獲得結(jié)果與STM圖片高度吻合。

GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)；表面形貌；As覆蓋率；重構(gòu)原胞

0 引 言

隨著半導(dǎo)體材料生長技術(shù)的不斷進(jìn)步，以GaAs為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，已經(jīng)成為繼硅之后的新型化合物半導(dǎo)體材料中最重要、用途最廣泛的材料。GaAs的高遷移率與其表面形貌和表面重構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，對其表面形貌和表面重構(gòu)的研究一直是低維半導(dǎo)體材料研究的重點(diǎn)。GaAs(001)表面存在多種重構(gòu)，從富As的C(4×4)、β2(2×4)、γ(2×4)到富Ga的(2×6)/(4×6)、(6×6)以及(4×2)/C(8×2)重構(gòu)，它們與外界條件存在極高的關(guān)聯(lián)性，不同的實(shí)驗(yàn)條件下將呈現(xiàn)不同的表面重構(gòu)。過去幾十年，研究者們對于這些表面重構(gòu)進(jìn)行了研究，尤其是C(4×4)、(2×4)以及(4×2)/C(8×2)重構(gòu)，而對(n×6)重構(gòu)的研究較少。A.Y.Cho[1]在研究GaAs(001)反射高能電子衍射儀衍射花樣時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了6×結(jié)構(gòu)，其它研究者[2-4]發(fā)現(xiàn)GaAs(001)-(1×6)以及(2×6)/(4×6)表面通常是利用氬離子轟擊GaAs表面，或通過零As氣氛下冷卻富Ga狀態(tài)GaAs(001)-(4×2)表面獲得[5]，也能夠利用加熱GaAs(001)-C(4×4)或(2×4)表面經(jīng)歷(3×1)重構(gòu)后獲得[6-7]。GaAs(001)-(1×6)以及(2×6)/(4×6)重構(gòu)原胞中原子如何排列仍然存在較大爭議[4-7]，與此同時(shí)，對于處于該重構(gòu)狀態(tài)下的表面形貌狀況仍未見相關(guān)報(bào)道。本文采用掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)和反射高能電子衍射儀(reflection high energy electron diffraction, RHEED)共同研究分子束外延方法(molecular beam epitaxy，MBE)生長的GaAs(001)表面處于(2×6)重構(gòu)形式下表面形貌，提出新的As表面覆蓋率計(jì)算方法，結(jié)合STM圖片準(zhǔn)確定義了(2×6)重構(gòu)時(shí)的原胞結(jié)構(gòu)，并以此重構(gòu)原胞構(gòu)建了與實(shí)驗(yàn)中STM圖片符合很好的重構(gòu)表面。

1 實(shí) 驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在超高真空連接的MBE/STM聯(lián)合系統(tǒng)中完成。采用可直接外延GaAs(001)單晶襯底(Si摻雜濃度為ND=1.49×1018/cm3)，樣品在As氣氛保護(hù)下完成脫氧后，通過MBE同質(zhì)外延約為500 nm的GaAs緩沖層[8]。生長實(shí)驗(yàn)過程中，采用RHEED實(shí)時(shí)監(jiān)控GaAs的生長狀態(tài)和測算生長速率，生長結(jié)束后GaAs(001)經(jīng)原位退火20 min使其表面處于原子級平整狀態(tài)[9]，改變As等效束流壓強(qiáng)(As beam equivalent pressure, As BEP)和退火時(shí)間并通過RHEED衍射圖像觀測到樣品逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?2×6)重構(gòu)相后，將樣品淬火至室溫、RHEED衍射保持處于(2×6)狀態(tài)下傳送至STM掃描成像，獲得(2×6)重構(gòu)、不同尺度下的GaAs表面形貌圖片。

2 結(jié)果與討論

2.1 GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)下的表面形貌

實(shí)驗(yàn)中，完成GaAs-β2(2×4) 重構(gòu)下原子級平整的生長退火后，GaAs樣品在530 ℃，1.33 μPa As BEP條件下進(jìn)行退火20 min以后RHEED衍射圖像顯示的β2(2×4) 重構(gòu)將逐漸變化；當(dāng)退火時(shí)間延長至30 min時(shí)，整個(gè)RHEED衍射將完全轉(zhuǎn)變成(2×6)重構(gòu)狀態(tài)，如圖1(a)-(c)。

圖1 GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)時(shí)RHEED衍射圖像[110]與不同尺寸STM圖片

2.2 球棍模型模擬GaAs(001)-(2×6)的重構(gòu)原胞

在圖3(a)-(c)中，其中(a)表示溝道內(nèi)全部由As dimers構(gòu)成，在每個(gè)(2×6)重構(gòu)原胞的溝道中含有3個(gè)As dimers；圖3(b)中每個(gè)(2×6)重構(gòu)原胞的溝道中含有1～2個(gè)Ga dimers，溝道全部被Ga dimers占據(jù)；除了上述的兩種極端情況以外，在溝道中還存在一種可能，即一個(gè)As dimers加上一個(gè)Ga dimers，這兩個(gè)dimers排列方向相互垂直，如圖3(c)所示。

2.3 As表面覆蓋率計(jì)算方法

在判斷實(shí)驗(yàn)獲得的STM圖像是由哪種重構(gòu)原胞模型構(gòu)成時(shí)，我們提出一種數(shù)原子的方法來計(jì)算As覆蓋率，它能夠準(zhǔn)確地計(jì)算GaAs，InGaAs等As化合物在不同重構(gòu)下的As覆蓋率。它表示為：如果As化合物的表面重構(gòu)為(N×M)(除了帶對稱中心C的重構(gòu)原胞)，n就是在一個(gè)重構(gòu)原胞中頂層As的數(shù)目，一個(gè)As dimers記為兩個(gè)As，一個(gè)Ga-As dimers記為一個(gè)As，采用Θ表示重構(gòu)原胞中的As覆蓋率，取單位為ML，其表達(dá)式就是

(1)

以GaAs(001)-β2(2×4)重構(gòu)為例，在β2(2×4)重構(gòu)原胞中(N×M)就是8，原胞中有3個(gè)As dimers[13]，n為6，采用式(1)計(jì)算獲得其As覆蓋率為0.75 ML。

圖3 GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)的3種球棍模型示意圖，每個(gè)重構(gòu)原胞在溝道外沿都有兩個(gè)As Dimers，在溝道中分別有分別具有3個(gè)(a)、0個(gè)(b)、1個(gè)(c) dimers和0個(gè)(a)、2個(gè)(b)、1個(gè)(c)Ga dimers

Fig 3 Ball-and-stick models proposed for GaAs(001)-(2×6), there are two As dimers out of the trench, and there are three(a), 0(b), one(c) As dimer and 0(a), two(b), one(c) Ga dimers in the trench respectively in a reconstruction unit

同理，α(2×4)與γ(2×4)的As覆蓋率分別是0.5和1 ML，這與其它研究人員[1,13]的計(jì)算結(jié)果完全一致。利用式(1)計(jì)算As覆蓋率的方法，只需畫出相應(yīng)表面重構(gòu)的球棍模型，就能夠直接獲得對應(yīng)的As覆蓋率，方法直觀易懂。式(1)的物理意義也很明確，假定一個(gè)以完全由Ga終結(jié)的還未發(fā)生重構(gòu)的GaAs表面，現(xiàn)擬用As對其進(jìn)行覆蓋并形成(N×M)的重構(gòu)表面，在重構(gòu)原胞頂層As下就必有(N×M)個(gè)Ga原子，每個(gè)Ga原子需要一個(gè)As對其進(jìn)行覆蓋，采用重構(gòu)原胞中As原子n數(shù)目除以(N×M)就能夠得到As的覆蓋率；As覆蓋率用ML作為單位，它體現(xiàn)頂層As對于Ga的覆蓋能力，當(dāng)頂層As原子數(shù)目等于次層Ga原子數(shù)目，其覆蓋率就是1 ML，表明在該重構(gòu)形式下GaAs最表層剛好由一層As原子覆蓋。將式(1)推廣到其它的As系化合物半導(dǎo)體的重構(gòu)表面，比如在InGaAs富金屬[14-15]的不同(4×3)表面重構(gòu)原胞中，能夠直接算出其As覆蓋率分別是0.25和0.5 ML，這與A.Riposan[16]以及Lee.E.Sears[17]關(guān)于InGaAs表面處于該重構(gòu)原胞中的As覆蓋率計(jì)算結(jié)果完全一致，進(jìn)一步表明利用式(1)能夠方便準(zhǔn)確的計(jì)算As系化合物半導(dǎo)體的重構(gòu)表面的As覆蓋率。

2.4 球棍模型下的(2×6)重構(gòu)表面分析

采用式(1)對圖3(a)-(c)進(jìn)行計(jì)算，As覆蓋率分別是0.83，0.33和0.50 ML。在實(shí)驗(yàn)中，GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)表面是從β2(2×4)重構(gòu)表面作為起始表面經(jīng)過530 ℃、1.33 μPa As BEP退火30 min獲得，長時(shí)間的低As BEP退火，表面的As原子數(shù)目不可能獲得提高，其As覆蓋率也必然小于β2(2×4)重構(gòu)(0.75 ML)，故(2×6)重構(gòu)原胞不會(huì)是圖3(a)；實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在圖1的STM圖片中還有少部分的β2(2×4)重構(gòu)區(qū)域，說明β2(2×4)重構(gòu)向(2×6)重構(gòu)的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)了明顯的過渡階段，那么As覆蓋率在這兩種重構(gòu)間變化時(shí)也必然存在中間過程；在這一漸變的過程中，實(shí)驗(yàn)中獲得的(2×6)重構(gòu)原胞更可能是圖3(b)，而不是圖3(c)；因?yàn)樵?.33 μPa As BEP條件下β2(2×4)重構(gòu)向(2×6)重構(gòu)的轉(zhuǎn)變僅僅是伴隨著最頂層非金屬As原子的脫附，表面的金屬Ga原子不脫離表面，最頂層的金屬Ga原子與非金屬As原子數(shù)目的比值將增大。在530 ℃、低As BEP下，富As-GaAs(001)表面的As原子隨著退火的進(jìn)行逐漸脫離表面，表面重構(gòu)也隨之從富As狀態(tài)向富Ga狀態(tài)演變。圖3(c)中最頂層Ga/As原子數(shù)目的比值為2，而圖3(b)的為2.5，二者相對于β2(2×4)重構(gòu)的1.5均增大。然而對比圖3(b)與(c)，發(fā)現(xiàn)圖3(c)可以由圖3(b)溝道中的一對Ga dimer的脫離而形成，最頂層Ga原子數(shù)目圖3(b)比圖3(c)多。相對于β2(2×4)重構(gòu)而言，圖3(b)最頂層Ga/As原子數(shù)目的比值增大是由于Ga原子數(shù)目增多As原子數(shù)目減少，而圖3(b)中Ga原子與As原子數(shù)目均減少，只是As原子數(shù)目相對減少的更多，因此圖3(c)所示的重構(gòu)模型不符合。綜合圖2、球棍模型以及As覆蓋率，認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)中獲得的(2×6)重構(gòu)原胞的球棍模型就是圖3(b)。采用該球棍模型對于(2×6)重構(gòu)表面進(jìn)行模擬，球棍模型(圖4(b))與STM掃描圖片(圖4(a))吻合得非常好，這再次證實(shí)在實(shí)驗(yàn)中獲得的(2×6)重構(gòu)原胞中有兩對As dimers和兩對Ga dimers，其中兩對As dimers在溝道外的dimer row上，兩對Ga dimers共同位于溝道之中。

圖4 GaAs(001)-(2×6)重構(gòu)下20 nm×20 nm的STM圖片，采用溝道中含有1對As dimers的(2×6)重構(gòu)球棍模型模擬的GaAs(001)-的重構(gòu)表面(圖4(a)偏壓-2.6 V, 電流200 pA)

Fig 4 20 nm×20 nm STM image (a) and simulated by ball-and-stick (2×6) model with one dimers in trench (b) of GaAs (001)-(2×6) surface (images (a) gap voltage -2.6 V, current 200 pA)

3 結(jié) 論

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3.College of Science, Guizhou University, Guiyang 550025,China)

Morphology and reconstructed unit cell at GaAs(001)-(2×6) surface

ZHOU Xun1，LUO Zijiang2，WANG Jihong3，GUO Xiang3，DING Zhao3

(1.School of Physics and Electronics Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China；2.School of Information, Guizhou University of Finance and Economics, Guiyang 550004，China；

The morphology and reconstructed unit cell at GaAs(001)-(2×6) reconstructed surface were studied using reflection high energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy (STM). We found that GaAs(001)-(2×6) reconstructed surface can be obtained annealing the GaAs(001)-β2(2×4) reconstructed surface under 530 ℃ and 1.33 μPa As beam equivalent pressure. The morphology at GaAs(001)-(2×6) surface was disordered flat which existed series of islands and pits with 1monolayer height. To clarify the actual structure of GaAs(001)-(2×6), a new method to calculate the As coverage on GaAs(001) surface was proposed and used it to determine the GaAs(001)-(2×6) reconstruction. Combined the STM images and ball-and-stick model to confirm that there were two As dimers and two Ga dimers in a reconstructed unit cell on GaAs(001)-(2×6) surface, then utilized this unit cell to conceive the (2×6) reconstructed surface which was highly consistent with STM image.

GaAs(001)-(2×6) surface； morphology； As coverage； reconstructed unit cell

1001-9731(2016)04-04147-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60866001)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(黔科合J字[2014]2046號,[2013]2114號)；貴州師范大學(xué)2012年博士基金資助項(xiàng)目([2012]001號)；貴州省教育廳自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(黔教合KY字(2014)265號)

2015-04-10

2015-07-20 通訊作者：羅子江，E-mail: lah5200@sina.com

周 勛 (1966-)，男，貴州貴陽人，教授，博士，主要從事低維半導(dǎo)體材料的研究。

TN3；O47

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.030