Ga液滴沉積量對GaAs/GaAs(001)同心量子雙環形貌的影響

李志宏，湯佳偉，郭 祥，王 一，羅子江，馬明明，黃延彬，張振東，丁 召,4

(1.貴州大學 大數據與信息工程學院,貴陽 550025;2.貴州財經大學信息學院,貴陽 550025;3.半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心,貴陽 550025;4.貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室,貴陽 550025)

1 引 言

半導體納米結構，如量子點(Quantum Dots，QDs)、量子環(Quantum Rings,QRs)等，因其獨特的光電性質，特別是量子環的量子相干性影響Aharonov-Bohm 和Aharonov- Casher 效應備受科研人員的青睞[1-7].光學Aharonov-Bohm 效應已經被預測并發現，有很大的潛力應用于量子信息的處理[8,9].制備這些納米結構的方法也不斷革新.在很長一段時間里，基于晶格失配的應變方法是制備低維半導體結構的唯一途徑[10].Chikyow 和Koguchi 建立液滴外延(Droplet Epitaxy,DE)以后[11]，液滴外延方法逐漸發展成為制備半導體納米結構的主要方法.研究者們使用該方法制備了各種各樣的半導體納米結構，例如，耦合量子點[12](coupled QDs)、單量子環[13](single QRs)、同心量子雙環[14](CQDRs)等.

理論研究表明[15]，影響CQDRs的形貌主要有兩個因素：溫度和As束流，然而關于Ga液滴的沉積量對CQDRs的影響鮮有報道.本文使用液滴外延法在GaAs(001)襯底上生長GaAs同心量子雙環，研究Ga液滴沉積量對CQDRs密度、內外環高度、內外環半徑，以及中心孔洞的影響，進而深入理解CQDRs的形成過程.

2 實 驗

在本實驗中，所有樣品制備均在Omicron公司制造的超高真空分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)系統中完成.襯底采用可直接外延的n+ GaAs(001)單晶片，摻硫(S)雜質濃度為1.0×1017～3.0×1018cm-3.在實驗之前，用束流檢測器(Beam Flux Monitor，BFM)對不同溫度下各Ga，As源的等效束流壓強進行校準.襯底在540 ℃完成脫氧后將襯底溫度降至到525 ℃，以0.25 ML/s(Monolayer/second，ML/s)的生長速率同質外延126 nm的GaAs緩沖層.接下來，在該緩沖層上進行同心量子雙環的生長.同心量子雙環生長的第一步，襯底溫度降至420 ℃，在零As壓下分別沉積10 ML、20 ML、30 ML的Ga液滴；第二步，襯底溫度由420 ℃降至340 ℃，在As等效束流壓強為8.8×10-4Pa的條件下晶化20 s；第三步，襯底溫度由340 ℃升至400 ℃，在同樣的As等效束流壓強下晶化10分鐘.最后，完成以上生長后的樣品在零As壓下淬火至室溫后取出，送往原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)觀察其表面形貌.

3 結果與討論

圖1所示為三組樣品的2 μm × 2 μm AFM二維形貌圖像(a1-c1)、形貌圖像中虛線框所圈同心量子雙環的三維形貌(a2-c2)、二維形貌圖中虛線框所選同心量子環[1-10]和[110]方向的線度分析(a3-c3).從圖1所示的三幅同心量子環的線度分析(a3、b3、c3)中可以看出：同心量子環在[1-10]方向呈U型，而[110]方向則為V型，且[1-10]方向高度相對較高，呈現出各向異性，[110]方向的擴散比較明顯.這種各向異性可以歸結為Ga原子在GaAs(001)表面擴散系數各向異性.統計圖1中所示的(a1、b1、c1)同心量子雙環密度發現，當沉積量從10ML增加到30ML時，同心量子雙環的密度從Ga沉積量為10ML時的6×108cm-2略微降低到Ga沉積量為30ML時的4.5×108cm-2.這一結果可從Ga液滴的形成過程得以解釋：隨著沉積量的增加，Ga液滴會通過相互匯聚形成較大的Ga液滴以降低其表面能而達到穩定[16]，從而使得同心量子雙環的密度略微降低.

由于[110]方向的擴散比較明顯，為進一步研究Ga液滴沉積量對同心量子雙環的影響，我們統計了三組實驗樣品的[110]方向的內環半徑RInner，內環高度HInner，外環半徑ROuter，外環高度HOuter,中心孔洞深度dHole，相關測量示意圖如圖2所示.在測量內、外環半徑時，考慮到測量結果的準確性，直接測量量為內、外環的直徑DInner和DOuter，RInner=DInner/2，ROuter=DOuter/2.內、外環高度和中心孔深度均為絕對高度，參考平面選取為CQDRs的平坦面.統計結果如表1所示.

從表1可看出，中心孔洞隨著沉積量的增加逐漸變深.這是因為Ga液滴的初始大小會隨著沉積量的增加而變大，參與刻蝕襯底過程的Ga原子數目增多，因而孔逐漸變深[17].內環的高度隨著沉積量的增加而增高，且增幅在變大，外環高度的變化趨勢則與內環相反.這是因為隨著沉積量的增加，初始Ga液滴內包含的Ga原子數目會更多，所形成的初始Ga液滴的高度也會相對較高，因而內環高度會逐漸變高，外環逐漸變低.內環增幅變大的原因將在探討量子雙環形成過程時做進一步的解釋.

圖1 不同Ga液滴沉積量的CQDRs形貌圖.(a1):10ML;(b1):20ML;(c1):30ML.(a2-c2)：形貌圖中虛線框所圈放大的CQDRs三維AFM圖像.(a3-c3):同心量子環[1-10]和[110]方向的高度對比圖.Fig.1 Morphologies of CQDRs formed at different Ga depositions.10ML (a1),20ML (b1),30ML (c1),respectively.The leftmost panel shows 2 μm× 2 μm AFM images(a1-c1).The next panel shows magnified three-dimensional (3D) AFM images of CQDRs marked by dashed-line squares(a2-c2).Height comparison charts of CQDRs along the [110] and [1-10] directions are shown in the next panels(a3-c3).

圖2 各測量參量測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of measurement parameters

為更深入研究Ga液滴沉積量對CQDRs的內環半徑RInner和外環半徑ROuter的影響，通過擬合得到了如圖3所示的內環半徑和外環半徑的擬合曲線.內環半徑RInner的擬合曲線表達式為：

表1 樣品測量數據Table 1 Sample measurement data

(1)

其中Rmax1=132.07，A1=140.42，x表示Ga液滴沉積量，t1=15.即是：

(2)

Rmax1為一常數，表示在第一次晶化條件下Ga液滴在[110]方向能擴散的最大距離，A1是決定于第一次晶化條件的常數，t1為第一次晶化過程時，在Ga原子充足的條件下可晶化形成的Ga-As單層數目，相當于在Ga液滴邊緣形成了15ML(或高度為4.2 nm)的Ga-As阻擋層，正是由于該系數的存在阻礙或遲滯了Ga原子的擴散.令RInner=0可解出x=0.92，表征Ga液滴沉積量為0.92ML時，不可能形成量子環.這是因為GaAs表面為富As表面，沉積的Ga液滴至少會被消耗1ML后方可形成Ga液滴，進而形成第一個量子環.

外環半徑ROuter的擬合曲線表達式為：

(3)

其中，Rmax2=202.02，A1=140.42,t1=15,A2=87.29,t2=14，x表示Ga液滴沉積量：

(4)

類似地，Rmax2為第二次晶化后Ga液滴擴散的最大距離，A1和t1已經在內環半徑的擬合曲線的參數解釋中作詳細解釋.類比t1的物理意義，t2為第二次晶化過程中外環最多可晶化形成的Ga-As單層數目，其高度為3.92 nm.

(4)式可變形為：

(5)

圖3 內環半徑RInner(a)、外環半徑ROuter(b)擬合曲線圖Fig.3 Fitting curves of the radii of inner ring RInner(a) and outer ring ROuter(b)

圖4 (a)Ga液滴沉積量為15ML時的CQDRs AFM形貌圖像;(b)CQDRs的[110]和[1-10]方向線度分析.Fig.4 (a)AFM image of CQDRs when the Ga droplet deposition amount is 15ML.(b) Height analysis chart along [110] and [1-10] directions of CQDRs.

通過前述的分析與討論，為直觀地理解CQDRs形成過程，本文繪制了如圖5所示的CQDRs形成過程.圖5(a)為Ga液滴的形成過程，在該過程中Ga原子會通過擴散匯聚成較大的類似半橢球體形狀的Ga液滴以減少表面能而達到穩定狀態.圖5(b)為第一次晶化過程，在濃度梯度和溫度的共同驅動下，Ga原子向外擴散，在As氛圍中，As原子會優先在Ga液滴邊緣處和As原子結合而快速晶化形成一定高度的Ga-As單層.由于形成的Ga-As單層有一定高度，且晶化時間有限，這會阻礙部分Ga原子的進一步向外擴散.同時，由于Ga液滴和襯底的浸潤區域為富Ga區域，在提供As束流的條件下，在Ga液滴中央會發生襯底表面的Ga-As鍵的斷裂，也即是液滴的刻蝕過程.圖5(c)為第二次晶化過程，部分Ga原子繼續擴散，在As束流的晶化作用下，形成了外環，Ga液滴的刻蝕過程繼續進行.前述有提到過內環的高度的增幅在增加，這是因為液滴刻蝕過程的斷裂后的Ga、As原子會向外擴散形成Ga-As鍵，使得內環的高度不斷增加，且隨著Ga液滴沉積量的增加，增幅變大.

圖5 CQDRs形成過程示意圖:(a)Ga液滴形成過程(b)第一次晶化過程；(c)第二次晶化過程.Fig.5 Schematic diagrams of CQDRs formation process.(a) The formation process of Ga droplet.(b) First crystallization process.(c) Second crystallization process.

4 結 論

本文通過液滴外延的方法在GaAs(001)襯底上制備CQDRs，并研究Ga液滴沉積量對CQDRs的影響.研究結果發現：隨著沉積量的增加，CQDRs的密度降低，內環高度增高，外環高度降低，中心孔洞深度增加.CQDRs的內環擬合結果表明，Ga液滴沉積量少于0.92ML時無法成環；外環擬合結果顯示，在本實驗條件下，形成外環的Ga液滴最小沉積量為3.1ML.內、外環擬合結果與沉積量為15ML的實驗組一致，相關研究結果對液滴外延法制備GaAs同心量子雙環具有重要意義.