測定GaAs(001)襯底上InAs的生長速率

郭 祥,羅子江,張畢禪,尚林濤,周 勛,鄧朝勇,丁 召(1.貴州大學理學院,貴州貴陽550025;2.貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室,貴州貴陽550025;3.貴州財經學院教育管理學院,貴州貴陽550004;4.貴州師范大學物理與電子科學學院,貴州貴陽550001)

測定GaAs(001)襯底上InAs的生長速率

郭 祥1,2,羅子江1,3,張畢禪1,2,尚林濤1,2,周 勛1,4,鄧朝勇1,2,丁 召1,2
(1.貴州大學理學院,貴州貴陽550025;2.貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室,貴州貴陽550025;3.貴州財經學院教育管理學院,貴州貴陽550004;4.貴州師范大學物理與電子科學學院,貴州貴陽550001)

報道了間接測定InAs生長速率的方法.通過設置不同Ga源溫度,固定In源溫度;和固定 Ga源溫度,設置不同In源溫度,在GaAs(001)襯底上生長 GaAs與InGaAs,用RHEED強度振蕩測定GaA s與InGaAs的生長速率.驗證了InGaAs的生長速率為GaA s的生長速率與InAs的生長速率之和,得到了In源溫度在845～880℃時InAs的生長速率曲線.

MBE;RHEED;GaAs(001)襯底;強度振蕩;InA s生長速率

1 引 言

由于InA s與GaA s的晶格失配度達7%,在GaA s(001)襯底上很難直接生長 InAs,所以在GaA s襯底上直接生長 InA s很難準確測量其生長速度.雖然直接在InAs襯底上生長InA s同質外延可以很好地測量InA s生長速率,但是InA s襯底的價格比較昂貴,僅僅為了測量 InA s的生長速率使用InA s襯底生長InA s顯得沒有必要.

本文從實驗的角度出發,通過在 GaA s(001)襯底上生長GaA s和InGaA s,并且用反射式高能電子衍射儀(reflection high energy electron diffraction,RHEED)強度振蕩測定 GaA s與 In-GaA s的生長速率.分析實驗得到的 GaA s與In-GaA s生長速率的數據,提出了間接測定InA s生長速率的方法,在一定溫度范圍內獲取InA s的生長速率曲線.

2 實 驗

2.1 實驗條件與準備

實驗是在Omicron公司生產的超高真空(極限真空可達4×10-9～8×10-9Pa)分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)生長室中進行的.MBE生長室配備可以進行原位監測的裝置RHEED.GaA s(001)襯底是可直接外延的樣品,Si摻雜濃度 ND=1.49×1018cm-3.A s源爐是閥控制的裂解A s源,Ga(In,Si)源爐是帶擋板的熱蒸發 Knudsen式蒸發源爐.

進行本實驗之前,利用束流監視器(beam flux monito r,BFM)先對A s(Ga,In)源的等效束流壓強(beam equivalent p ressure,BEP)進行校準,得到不同溫度下各源的蒸氣壓;在本實驗過程中使用的As BEP為8.5×10-4Pa,并且對襯底溫度進行校準,得到溫差電偶測量的襯底標稱溫度對應的實際溫度[3](文中的襯底溫度 Tsub均是溫差電偶標稱溫度).

2.2 實驗過程

首先,對 GaA s(001)襯底脫氧處理60 min(襯底溫度 Tsub=430 ℃).生長 GaA s緩沖層30 min(Tsub=420℃,Ga源溫度 TGa=1 030℃,Si源溫度 TSi=1 150℃),利用RHEED實時監測生長過程,生長完成后原位退火40 min.所有的InAs,GaA s,InGaA s都是在原子級平整的GaA s表面生長.

完成GaA s緩沖層的生長與退火以后,設置襯底溫度為360℃,Si源溫度為1 150℃.分別在Ga源溫度為1 030℃,1 035℃,1 045℃的條件下生長GaA s.每次在360℃完成退火后,在In源溫度為845℃時生長InGaA s.在固定的Ga源溫度1 045℃下生長 GaA s,每次生長 GaA s在360℃完成退火后,分別在 In源溫度為860℃,870℃,875℃,880℃條件下生長InGaA s.每次生長GaA s或InGaAs都用RHEED強度振蕩測量生長速率,實時監測生長過程.

表1 GaAs,InAs,In GaAs的生長條件

3 結果與討論

由于GaA s與InA s的晶格失配度達7%,因此在GaAs(001)襯底上直接生長InA s異質外延時,InA s首先以層狀方式進行生長,但生長超過某一臨界值時,InA s不再以層狀均勻生長,而是進行非均勻的三維生長[4-6].通過RHEED振蕩測量其生長速率,得到如圖1所示的RHEED強度振蕩圖,圖中在前20 s內有2個不規整的強度振蕩周期,20 s后強度急劇下降,這說明InA s在生長了大約2個單層后進入了粗糙化的三維島狀生長,通過RHEED觀察到RHEED衍射圖像由圖2所示的條紋狀變成圖3所示的網格狀斑點.說明表面形貌已經開始粗糙化,表面應該形成了一些InAs三維島.其他同行在 GaAs襯底上生長InA s量子點,生長到臨界厚度大約為1.7個單層開始粗糙化,這與我們的RHEED振蕩圖像中不到2個周期后強度開始下降一致[5].如果利用圖1來計算InA s生長速率,由于只有2個峰,并且2個峰不尖銳,直接測量將引入很大的誤差,無法得到準確的生長速率.

圖1 InAs的RHEED強度振蕩圖

圖2 T Ga=1 045℃生長GaA s的RHEED衍射圖

圖3 InAs[110],[100],方向的RHEED衍射圖

在平坦的GaA s緩沖層上生長GaA s得到的RHEED強度振蕩如圖4所示.從圖4中可以看出RHEED強度振蕩周期非常均勻,根據振蕩圖可以算出 GaA s(TGa=1 045℃)的生長速率為0.337 ML/s(每秒0.337個原子單層).由于在襯底標稱溫度為360℃(實際溫度約470℃),A s氣壓一定的情況下,根據圖5[7]可以得到GaA s表面在此條件下應是C(4×4)重構.通過生長結束后的RHEED衍射圖(圖2)可知,在[110]方向是2×,在[100]方向是4×,在方向是2×,表面是C(4×4)重構與相圖的結果相符合[6].

圖4 GaAs的RHEED強度振蕩圖及電子束方向圖

在GaA s襯底上生長InGaA s得到RHEED強度振蕩圖如圖6所示,從圖中可以看到連續的振蕩波形,且周期性很強,這說明InGaA s還是以層狀生長,根據振蕩圖計算出 InGaA s(TGa=1 045℃,TIn=870℃)生長速率為0.464 M L/s.Riposan等在生長InGaA s的實驗中發現InGaA s表面是一種同時混有n×3與2×4的混合重構表面,RHEED衍射花樣為比較模糊的2×3重構[8].在我們的實驗中通過RHEED衍射圖7可知,在[110]方向是2×,在[100]方向是1×,在方向是3×,InGaA s表面呈現(2×3)重構與Riposan的實驗結果相似.

圖5 富砷GaA s(001)表面重構相圖

實驗中,假設在某個確定的 Ga源溫度條件下生長GaAs與某個確定的In源溫度條件下生長InA s的生長速率之和等于在此 Ga源溫度和In源溫度條件下生長的InGaA s的生長速率,即

圖6 生長InGaAs的RHEED強度振蕩圖

圖7 T Ga=1 045℃,T In=870℃生長InGaA s的RHEED衍射圖

僅僅通過1組GaA s與InGaAs生長的速率,還不能說明式(1)的假設成立.如果固定In源溫度,在 Ga源溫度變化的條件下得到的 vInAs是恒定值,那么可以認為假設是成立的.于是在固定In源溫度為870℃的條件下,改變 Ga源溫度(1 035℃,1 030℃)得到另外的2組GaA s與In-GaA s的生長速率,通過這3組數據和假設式(1)可以作圖8,圖中3個溫度下的InA s生長速率都非常接近0.13 ML/s,是不隨 Ga源溫度變化的值.這個不變的值(vInAs=vInGaAs-vGaAs)可以認為是因為In源溫度沒有變化造成的,而 In源溫度及其他生長條件正好是InA s的生長條件(未開Ga源),所以這個差值0.13 M L/s就是 InA s的生長速率.由于在GaA s(001)襯底上生長GaA s,InA s,InGaA s都是在 A s的過壓的保護(防止Ga,In揮發)下進行生長的,As處于過剩的狀態[9].In束流、Ga束流到達樣品表面時有充足的A s與其結合,這樣 In與As的結合和 Ga與As的結合可以認為是相互獨立的,那么InGaA s的生長速率就是GaA s速率與InA s速率的疊加.

圖8 InGaAs,GaAs,InAs的生長速率曲線圖

固定Ga源溫度為1 045℃,改變In源溫度為845,860,870,875,880℃并采用上述方法測量InGaA s和GaA s生長速率得到了InA s的生長速率如圖9所示.

圖9 InAs的生長速率曲線圖

4 結束語

本文通過在 GaA s(001)襯底上多次生長GaA s與InGaAs,得到了間接測定 InAs生長速率的方法以及在不同In源溫度條件下的InA s生長速率.這為在生長InGaA s時,確定InGaAs中In與 Ga的組分提供了一個間接的方法,這種間接測量方法可獲得較準確的InA s生長速率.

[1]周勛,楊再榮,羅子江,等.RHEED實時監控的MBE生長 GaAs晶體襯底溫度校準及表面相變的研究[J].物理學報,2011,60(1):590-594.

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[責任編輯:任德香]

Measuring the growth rate of InAs on GaAs(001)substrate

GUO Xiang1,2,LUO Zi-jiang1,3,ZHANGBi-chan1,2,SHANG Lin-tao1,2,ZHOU Xun1,4,DENG Chao-yong1,2,D ING Zhao1,2
(1.College of Science,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Key Labo rato ry of M icro-Nano-Electronics of Guizhou Province,Guiyang 550025,China;3.Department of Educational and Management,Guizhou Finance College,Guiyang 550004,China;4.Department of Physics and Electronics,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China)

A n indirect method of measuring the grow th rate of InA s w as repo rted.In this experiment,w ith different Ga source temperatures,fixed In source temperature and fixed Ga source temperature,different In source temperatures,GaA s and InGaA swere grow n on GaA s(001)substrate.The grow th rates of GaA s and InGaA sweremeasured by RHEED oscillation.That the grow th rate of In-GaA swas the sum of that of GaAs and InA swas verified,and the curve of InA s grow th rate v.s.In source temperature between 845℃and 880℃was obtained.

MBE;RHEED;GaA s(001)substrate;intensity oscillation;InA s grow th rate

O484.1

A

1005-4642(2011)01-0011-05

2010-09-07;修改日期:2010-11-08

國家自然科學基金資助項目(No.60886001);貴州省委組織部高層人才科研特助項目(No.TZJF-2008-31);貴州省科技廳基金項目(黔科合J字[2007]2176號);貴州省優秀科技教育人才省長專項基金項目(黔省專合字(2009)114號);教育部新世紀優秀人才支持計劃(No.NCET-08-0651);貴州省優秀青年科技人才培養計劃(No.[2009]-15)

郭 祥(1987-),男,湖北仙桃人,貴州大學理學院碩士研究生,研究方向為半導體物理與半導體器件物理.

丁 召(1964-),男,貴州都勻人,貴州大學理學院教授,博士,研究方向為表面物理.