摘要：以在UHV/MBE-STM聯合系統上生長的19ML的InGaAs/GaAs樣品為研究對象,先在GaAs(001)襯底上外延生長0.37μm的GaAs緩沖層,再外延生長19ML的InGaAs,通過樣品生長速率大致確定其組分為In0.14Ga0.86As,通過反射式高能電子衍射(RHEED)及掃描隧道顯微鏡分析發現其表面主要由占大多數的4×3及少量的α2(2×4)重構混合而成,并用軟件模擬RHEED對實驗結果進行了驗證。

　　關鍵詞：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;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

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

　　InxGa1- xAs 是􀀁-V 族化合物半導體材料中一種重要的合金材料, 已廣泛應用于激光器、探測器、晶體管等器件的開發和研究。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中的應用而成為廣泛研究的體系之一 。大多數􀀁-V 族化合物半導體材料與GaAs 一樣具有相同的體結構, 即閃鋅礦結構, 而材料的表面結構特征則不然, 往往在表面上會出現各種重構[ 2] 。在制造高質量的􀀁-V 族半導體器件時需要精確控制外延生長, 通常在􀀁-V 族( 001) 襯底上進行, 表面原子在相互結合時, 有些原子在結合后不能在表面完全配對成鍵而出現了帶懸掛鍵的未重構表面, 存在較大密度未配對電子的懸掛鍵時, 表面自由能相對于體的能量比較高, 為消除懸掛鍵, 降低系統自由表面原子重新排列。在高溫下對半導體表面進行適當的退火處理可以提供給表面原子足夠的能量來重新排列并且產生很多相似的表面區域。表面重構可以用電子計數摸型( ECM, electron counting model ) 等理論來解釋, 其中最重要的理論之一就是所觀察到的表面重構將是能量最低的結構。

　　表面重構在􀀁-V 族化合物半導體外延生長中扮演著重的要角色, 了解表面重構在控制器件質量方面也非常重要。表面重構對于樣品表面坑和島的成核形成具有重要影響, 表面重構區域的類型可以改變表面形貌并反過來影響突變異質結的形成, 進一步影響器件的性能[ 3- 4] 。因此, 表面重構在納米及微米級外延薄膜的生長中具有重要作用[ 5] 。國際上對于半導體表面重構的現象已經進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) 、金屬有機氣相外延(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)以及金屬有機化學氣相沉積( Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 等的生長研究中[ 10- 12] 。富砷的GaAs( 001) 表面的重構已經通過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) 研究認證, 主要有c( 4 􀀁 4) 、􀀁( 2 􀀁 4) 、􀀁( 2 􀀁 4) 、􀀁2( 2 􀀁 4) 和􀀁( 2 􀀁 4) 幾種重構[ 10] 。合金半導體的表面重構比較復雜, 因為多重組分的存在引入的附加因素會影響表面結構, 包括晶格失配應力和原子大小相關的失配應力。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差有關( ae 和as 分別是外延層材料和襯底材料在自由狀態時的晶格常數) ; 和原子大小相關的失配應力與合金組分的鍵長差有關。

　　InxGa1- xAs 是一類適合作三元合金重構研究的理想材料, 因為不同類型表面重構成核時膜的構成可以被改變, 對于GaAs 基上生長InGaAs 的表面重構的研究, 密歇根大學材料科學與工程系以及倫敦帝國理工學院化學系電子材料與器件中心等研究小組曾對此有過相關的研究報道[ 3- 4, 6- 9], 但還沒有形成完整的一致看法, 存在較大的爭議。本文在借鑒以前相關報道的基礎上, 摸索實驗工藝條件, 對在UHV/MBE-STM 聯合系統上生長的19 ML 的In0. 14 Ga0. 86As/ GaAs( 4 􀀁 3) 薄膜表面的重構進行了探討和研究, 以便對后期不同組分InxGa1- xAs 及不同襯底( 如InP、InAs 等) 上生長的InxGa1- xAs 表面重構的研究工作作好準備。

　　本文以在UHV/MBE-STM 聯合系統上生長的19ML 的InGaA/GaAs 樣品為研究對象, 通過樣品生長速率大致確定其組成分為In0. 14Ga0. 86As, 通過RHEED 及STM 分析發現其表面主要由占大多數的4 􀀁 3 及少量的􀀁2( 2 􀀁 4) 重構混合而成, 并用軟件模擬RHEED 對實驗結果進行了驗證。樣品表面結構的研究還可采用多種方法, 比如LEED 技術等, 其組分的確定也可用高分辨的XRD 技術等加以確定。

　　本文結合貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室的實驗儀器對材料表面結構的研究做了初步探索, 對今后材料表面重構的研究工作也有一定的借鑒意義。

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