GaAs(001)薄膜的表面形貌相變和表面重構(gòu)*

劉雪飛，呂 兵，羅子江，王繼紅，郭 祥，楊秀璋

(1. 貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2. 貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；3. 貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

隨著半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有優(yōu)異光電性能的GaAs已經(jīng)成為最重要的光電子和電子器件的基礎(chǔ)材料之一。到目前為止，對(duì)于GaAs的應(yīng)用研究主要集中在太陽(yáng)能電池[1-2]、量子點(diǎn)激光器[3]、微波單片集成電路[4]、異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管[5]以及超晶格[6]等器件研究。GaAs的高遷移率與其表面重構(gòu)和表面形貌都有著密切的聯(lián)系，因此有關(guān)GaAs的表面形貌[7-9]、表面結(jié)構(gòu)[10-11]、表面重構(gòu)[12-13]也吸引研究者們的研究興趣，研究者在實(shí)驗(yàn)和理論上對(duì)GaAs的各種表面物理性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究，并取得了一系列有價(jià)值的研究成果。眾所周知，2016年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給F.D.Haldane、D.J.Thouless和M.Kosterlitz三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)谕負(fù)湎嘧兝碚撋系慕艹龀删?，其中D.J.Thouless和M.Kosterlitz的最主要論述在于提出KT相變理論[14]，他們科學(xué)合理地預(yù)測(cè)了物相的有序相和無序相之間的轉(zhuǎn)變過程。M. den Nijs、P. B. Weichman先后在理論上預(yù)測(cè)晶體表面形貌的相變過程(有序平坦相(Ordered Flat, OF)→無序平坦相(Disordered Flat, DOF)→粗糙相(Rough))滿足KT相變理論[15-16]；Z. Ding等在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這一預(yù)測(cè)[17-18]，他們發(fā)現(xiàn)在較低的As等效束流壓強(qiáng)下(As Beam Equivalent Pressure, As BEP)，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)GaAs(001)表面從有序平坦?fàn)顟B(tài)首先轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序平坦，然后才從無序平坦轉(zhuǎn)為粗糙，同時(shí)把這種無序平坦?fàn)顟B(tài)定義為預(yù)粗糙相。Q-K.Xue[19]等利用低溫掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)對(duì)于GaAs(001)表面的幾種常見表面重構(gòu)形式、原子排列方式都進(jìn)行深入研究，他們認(rèn)為GaAs(001)表面具有不同As原子與Ga原子作為終結(jié)面的重構(gòu)形式。V.P.LaBella[20]等利用STM深入研究了GaAs(001)表面在富As狀態(tài)時(shí)候的重構(gòu)狀況，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高GaAs(001)表面由C(4×4)重構(gòu)相向(2×4)重構(gòu)相最后到(2×1)重構(gòu)相為主的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在我們研究團(tuán)隊(duì)前期研究工作中，對(duì)GaAs(001)表面形貌相變以及表面重構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的研究[21-26]，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)GaAs(001)表面逐漸完成粗糙化以及預(yù)粗糙化后，反射式高能電子衍射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED)的衍射花樣也逐漸發(fā)生急劇變化，這樣的變化預(yù)示著在GaAs(001)表面發(fā)生粗糙化和預(yù)粗糙化的相變過程中，很可能其表面重構(gòu)也隨之發(fā)生了巨變。帶著這一猜測(cè)，本文對(duì)這一奇特現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，通過帶有RHEED在線實(shí)時(shí)監(jiān)控的分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)同質(zhì)外延生長(zhǎng)GaAs(001)薄膜，利用不同尺度STM掃描分析和探討GaAs(001)表面在發(fā)生形貌相變過程中表面重構(gòu)的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明GaAs(001)的表面形貌相變與表面重構(gòu)之間確定存在非常密切的促進(jìn)關(guān)系，即表面重構(gòu)是表面形貌發(fā)生相變過程的微觀內(nèi)在原因，而表面形貌相變是表面重構(gòu)發(fā)生變化的宏觀外在體現(xiàn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在超高真空(4×10-8～8×10-8Pa)的MBE/STM聯(lián)合系統(tǒng)中完成，所有樣品采用可直接外延的GaAs(001)單晶襯底在MBE中完成高溫脫氧后同質(zhì)外延生長(zhǎng)GaAs(001)薄膜，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)詳盡敘述已發(fā)表于前期論文中[27-28]。本論文的主要實(shí)驗(yàn)以原子級(jí)平坦的GaAs(001)-β2(2×4)表面作為研究起點(diǎn)，改變樣品的退火條件(退火溫度、退火As BEP和退火時(shí)間等)促使GaAs(001)表面發(fā)生形貌相變，實(shí)時(shí)記錄發(fā)生形貌相變過程中的RHEED衍射圖像演變；之后將已發(fā)生表面形貌相變的樣品經(jīng)淬火至常溫后送入真空連接的STM中進(jìn)行不同尺寸的掃描成像，獲得樣品的表面形貌和表面重構(gòu)的實(shí)空間圖像，其中大尺寸掃描圖片獲得樣品的表面形貌狀態(tài)，高精度圖片獲得樣品的表面重構(gòu)信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 GaAs(001)表面形貌相變過程

圖1 GaAs(001)表面形貌相變過程，掃描尺寸1 μm×1 μmFig 1 Evolution of GaAs(001) surface morphology with scanning scale of 1 μm×1 μm

2.2 GaAs(001)表面形貌相變時(shí)的RHEED演化

圖2 GaAs(001) 薄膜在不同重構(gòu)狀態(tài)下方向的RHEED衍射花樣演化過程， C(4×4)重構(gòu)(a)， (2×4)重構(gòu)(b)，(2×6)重構(gòu)(c)，(6×6)和(4×2)混合重構(gòu)(d)Fig 2 Evolution of RHEED patterns at direction under different reconstruction on GaAs(001) surface: C(4×4) (a), (2×4) (b), (2×6) (c), mixed reconstruction of (6×6) and (4×2) (d) respectively

圖2(c)和圖2(d)分別是樣品表面形貌處于預(yù)粗糙相(圖1d)和粗糙相(圖1e)時(shí)的RHEED衍射圖像。在這兩幅圖像中，整個(gè)背景圖像明顯較圖2(a)和(b)明亮起來，RHEED衍射的第二衍射環(huán)甚至第三、第四衍射環(huán)也清晰可見；多重RHEED衍射環(huán)表明RHEED入射電子受到晶體經(jīng)過表面多層原子的衍射成像，同時(shí)表明樣品表面粗糙度較圖2(a)和(b)有所提高；圖2(c)和(d)這兩幅圖像的區(qū)別在于，結(jié)合衍射斑點(diǎn)的強(qiáng)弱周期對(duì)比再輔助[110]和[100]兩個(gè)方向的衍射圖像，圖2(c)中還能夠大致判斷的樣品處于(2×6)表面重構(gòu)[24]；由于圖2(D)中背景更亮、多重衍射環(huán)更多，很難僅僅通過RHEED衍射圖像來判斷其表面重構(gòu)，同時(shí)也表明樣品表面更接近于粗糙相，大尺寸的STM掃描圖片(圖1e)證實(shí)了這一點(diǎn)，小尺寸STM掃描圖片直接證明此時(shí)樣品表面是由兩種不同的表面重構(gòu)構(gòu)成。處于圖1(b)狀態(tài)的RHEED衍射圖像與圖2(b)差異很小，本文未給出。

2.3 GaAs(001)表面形貌相變時(shí)的表面重構(gòu)演化

由于在完成GaAs(001)表面形貌相變的過程(圖1)中，發(fā)現(xiàn)其RHEED衍射圖像也同時(shí)發(fā)生了對(duì)應(yīng)演化(圖2)，為了證實(shí)樣品表面重構(gòu)是否也隨之發(fā)生演化，實(shí)驗(yàn)中對(duì)圖1中各圖進(jìn)行20 nm×20 nm的高精度掃描。從圖3(a～f)顯示表面重構(gòu)從C(4×4)→γ(2×4)→β2(2×4)→(2×6)→(6×6)→(4×2)的演化過程，As覆蓋率也從1.75ML逐漸減少過渡到0.5ML，當(dāng)表面重構(gòu)演化為(4×2)重構(gòu)時(shí)表面進(jìn)入以Ga原子為終結(jié)面的富Ga狀態(tài)。

圖3 GaAs(001)表面重構(gòu)演變過程Fig 3 Evolution of GaAs(001) surface reconstruction

3 結(jié) 論

從原子級(jí)平坦的GaAs(001)-β2(2×4)重構(gòu)表面出發(fā)，改變退火條件和退火時(shí)間促使GaAs(001)表面發(fā)生形貌相變，通過RHEED衍射演變初步判定表面形貌和表面重構(gòu)的演變歷程，利用STM掃描獲得不同尺度GaAs(001)表面的實(shí)空間圖像，大尺寸的STM掃描獲得GaAs(001)表面形貌相變數(shù)據(jù)，結(jié)合RHEED衍射圖像和高精度STM掃描獲取其表面重構(gòu)信息。研究發(fā)現(xiàn)每一次表面形貌的相變都會(huì)在RHEED衍射圖像上得到驗(yàn)證，同時(shí)也帶來表面重構(gòu)上的變化，我們認(rèn)為表面重構(gòu)的變化(c(4×4)→γ(2×4)→β2(2×4)→(2×6)→(6×6)→(4×2))才是促使表面形貌發(fā)生相變(OF→DOF→Rough)的主要?jiǎng)恿?；退火條件的變化使得GaAs(001)表面重構(gòu)發(fā)生變化，從而進(jìn)一步促進(jìn)GaAs(001)表面形貌的相變過程；當(dāng)GaAs(001)表面形貌是由單一表面重構(gòu)(C(4×4)重構(gòu)或β2(2×4)重構(gòu))組成時(shí)，表面形貌將處于原子級(jí)平坦相；表面形貌的預(yù)粗糙相是由于其表面重構(gòu)不再單一，兩種同類型或者重構(gòu)原胞差異很小的表面重構(gòu)交織混合(C(4×4)與β2(2×4)混合重構(gòu)，(2×6)與(6×6) 混合重構(gòu))形成GaAs(001)表面形貌的預(yù)粗糙相；當(dāng)GaAs(001)表面由兩種完全不同類型的表面重構(gòu)交錯(cuò)形成時(shí)，即以As原子為終結(jié)面(6×6)重構(gòu)和以Ga原子終結(jié)面(4×2)重構(gòu)非等量混合促使GaAs(001)表面進(jìn)入了粗糙狀態(tài)。研究結(jié)果表明GaAs(001)表面重構(gòu)是表面形貌發(fā)生相變過程的微觀內(nèi)在原因，而GaAs(001)表面形貌相變是表面重構(gòu)發(fā)生變化的宏觀外在體現(xiàn)。