GaAs(001)薄膜的表面形貌相變和表面重構*

劉雪飛，呂 兵，羅子江，王繼紅，郭 祥，楊秀璋

(1. 貴州師范大學 物理與電子科學學院，貴陽 550025； 2. 貴州財經大學 信息學院，貴陽 550025；3. 貴州大學 大數據與信息工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

隨著半導體材料生長技術的不斷進步，具有優異光電性能的GaAs已經成為最重要的光電子和電子器件的基礎材料之一。到目前為止，對于GaAs的應用研究主要集中在太陽能電池[1-2]、量子點激光器[3]、微波單片集成電路[4]、異質結雙極型晶體管[5]以及超晶格[6]等器件研究。GaAs的高遷移率與其表面重構和表面形貌都有著密切的聯系，因此有關GaAs的表面形貌[7-9]、表面結構[10-11]、表面重構[12-13]也吸引研究者們的研究興趣，研究者在實驗和理論上對GaAs的各種表面物理性質進行了細致的研究，并取得了一系列有價值的研究成果。眾所周知，2016年度諾貝爾物理學獎頒發給F.D.Haldane、D.J.Thouless和M.Kosterlitz三位科學家，以表彰他們在拓撲相變理論上的杰出成就，其中D.J.Thouless和M.Kosterlitz的最主要論述在于提出KT相變理論[14]，他們科學合理地預測了物相的有序相和無序相之間的轉變過程。M. den Nijs、P. B. Weichman先后在理論上預測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等在實驗上證實了這一預測[17-18]，他們發現在較低的As等效束流壓強下(As Beam Equivalent Pressure, As BEP)，隨著退火時間的延長GaAs(001)表面從有序平坦狀態首先轉變為無序平坦，然后才從無序平坦轉為粗糙，同時把這種無序平坦狀態定義為預粗糙相。Q-K.Xue[19]等利用低溫掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)對于GaAs(001)表面的幾種常見表面重構形式、原子排列方式都進行深入研究，他們認為GaAs(001)表面具有不同As原子與Ga原子作為終結面的重構形式。V.P.LaBella[20]等利用STM深入研究了GaAs(001)表面在富As狀態時候的重構狀況，發現隨著溫度升高GaAs(001)表面由C(4×4)重構相向(2×4)重構相最后到(2×1)重構相為主的狀態轉變。在我們研究團隊前期研究工作中，對GaAs(001)表面形貌相變以及表面重構進行了細致的研究[21-26]，研究發現當GaAs(001)表面逐漸完成粗糙化以及預粗糙化后，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生急劇變化，這樣的變化預示著在GaAs(001)表面發生粗糙化和預粗糙化的相變過程中，很可能其表面重構也隨之發生了巨變。帶著這一猜測，本文對這一奇特現象進行深入研究，通過帶有RHEED在線實時監控的分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)同質外延生長GaAs(001)薄膜，利用不同尺度STM掃描分析和探討GaAs(001)表面在發生形貌相變過程中表面重構的變化規律，研究結果表明GaAs(001)的表面形貌相變與表面重構之間確定存在非常密切的促進關系，即表面重構是表面形貌發生相變過程的微觀內在原因，而表面形貌相變是表面重構發生變化的宏觀外在體現。

1 實 驗

整個實驗在超高真空(4×10-8～8×10-8Pa)的MBE/STM聯合系統中完成，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外延生長GaAs(001)薄膜，相關的實驗詳盡敘述已發表于前期論文中[27-28]。本論文的主要實驗以原子級平坦的GaAs(001)-β2(2×4)表面作為研究起點，改變樣品的退火條件(退火溫度、退火As BEP和退火時間等)促使GaAs(001)表面發生形貌相變，實時記錄發生形貌相變過程中的RHEED衍射圖像演變；之后將已發生表面形貌相變的樣品經淬火至常溫后送入真空連接的STM中進行不同尺寸的掃描成像，獲得樣品的表面形貌和表面重構的實空間圖像，其中大尺寸掃描圖片獲得樣品的表面形貌狀態，高精度圖片獲得樣品的表面重構信息。

2 結果與討論

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)表面形貌相變時的RHEED演化

圖2 GaAs(001) 薄膜在不同重構狀態下方向的RHEED衍射花樣演化過程， C(4×4)重構(a)， (2×4)重構(b)，(2×6)重構(c)，(6×6)和(4×2)混合重構(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粗糙相(圖1d)和粗糙相(圖1e)時的RHEED衍射圖像。在這兩幅圖像中，整個背景圖像明顯較圖2(a)和(b)明亮起來，RHEED衍射的第二衍射環甚至第三、第四衍射環也清晰可見；多重RHEED衍射環表明RHEED入射電子受到晶體經過表面多層原子的衍射成像，同時表明樣品表面粗糙度較圖2(a)和(b)有所提高；圖2(c)和(d)這兩幅圖像的區別在于，結合衍射斑點的強弱周期對比再輔助[110]和[100]兩個方向的衍射圖像，圖2(c)中還能夠大致判斷的樣品處于(2×6)表面重構[24]；由于圖2(D)中背景更亮、多重衍射環更多，很難僅僅通過RHEED衍射圖像來判斷其表面重構，同時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)證實了這一點，小尺寸STM掃描圖片直接證明此時樣品表面是由兩種不同的表面重構構成。處于圖1(b)狀態的RHEED衍射圖像與圖2(b)差異很小，本文未給出。

2.3 GaAs(001)表面形貌相變時的表面重構演化

由于在完成GaAs(001)表面形貌相變的過程(圖1)中，發現其RHEED衍射圖像也同時發生了對應演化(圖2)，為了證實樣品表面重構是否也隨之發生演化，實驗中對圖1中各圖進行20 nm×20 nm的高精度掃描。從圖3(a～f)顯示表面重構從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，當表面重構演化為(4×2)重構時表面進入以Ga原子為終結面的富Ga狀態。

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

3 結 論

從原子級平坦的GaAs(001)-β2(2×4)重構表面出發，改變退火條件和退火時間促使GaAs(001)表面發生形貌相變，通過RHEED衍射演變初步判定表面形貌和表面重構的演變歷程，利用STM掃描獲得不同尺度GaAs(001)表面的實空間圖像，大尺寸的STM掃描獲得GaAs(001)表面形貌相變數據，結合RHEED衍射圖像和高精度STM掃描獲取其表面重構信息。研究發現每一次表面形貌的相變都會在RHEED衍射圖像上得到驗證，同時也帶來表面重構上的變化，我們認為表面重構的變化(c(4×4)→γ(2×4)→β2(2×4)→(2×6)→(6×6)→(4×2))才是促使表面形貌發生相變(OF→DOF→Rough)的主要動力；退火條件的變化使得GaAs(001)表面重構發生變化，從而進一步促進GaAs(001)表面形貌的相變過程；當GaAs(001)表面形貌是由單一表面重構(C(4×4)重構或β2(2×4)重構)組成時，表面形貌將處于原子級平坦相；表面形貌的預粗糙相是由于其表面重構不再單一，兩種同類型或者重構原胞差異很小的表面重構交織混合(C(4×4)與β2(2×4)混合重構，(2×6)與(6×6) 混合重構)形成GaAs(001)表面形貌的預粗糙相；當GaAs(001)表面由兩種完全不同類型的表面重構交錯形成時，即以As原子為終結面(6×6)重構和以Ga原子終結面(4×2)重構非等量混合促使GaAs(001)表面進入了粗糙狀態。研究結果表明GaAs(001)表面重構是表面形貌發生相變過程的微觀內在原因，而GaAs(001)表面形貌相變是表面重構發生變化的宏觀外在體現。