GaAs(001)-(2×6)重構下的表面形貌及其重構原胞*

周 勛，羅子江2，王繼紅，郭 祥，丁 召

(1. 貴州師范大學 物理與電子科學學院，貴陽 550001；

2. 貴州財經大學 信息學院，貴陽 550004； 3. 貴州大學 理學院，貴陽 550025)

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GaAs(001)-(2×6)重構下的表面形貌及其重構原胞*

周 勛1，羅子江2，王繼紅3，郭 祥3，丁 召3

(1. 貴州師范大學 物理與電子科學學院，貴陽 550001；

2. 貴州財經大學 信息學院，貴陽 550004； 3. 貴州大學 理學院，貴陽 550025)

采用RHEED與STM技術對GaAs(001)-(2×6)表面重構下的表面形貌進行研究，研究發現GaAs(001)-(2×6)重構表面是GaAs(001)-β2(2×4)重構表面經530 ℃，1.33 μPa As BEP退火獲得，在(2×6)重構下的GaAs(001)表面形貌已經進入表面存在系列單層島和坑覆蓋的無序平坦狀態。為了進一步確定(2×6)重構的原胞結構，采用球棍模型對其原胞結構進行模擬，提出新的As表面覆蓋率計算方法、結合STM圖片分析對球棍模型進行驗證和篩選，首次在實驗上證實(2×6)重構原胞中存在2個As Dimers和2個Ga Dimers，并以此重構原胞結構構建理論下的(2×6)重構表面，獲得結果與STM圖片高度吻合。

GaAs(001)-(2×6)重構；表面形貌；As覆蓋率；重構原胞

0 引 言

隨著半導體材料生長技術的不斷進步，以GaAs為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，已經成為繼硅之后的新型化合物半導體材料中最重要、用途最廣泛的材料。GaAs的高遷移率與其表面形貌和表面重構密切關聯，對其表面形貌和表面重構的研究一直是低維半導體材料研究的重點。GaAs(001)表面存在多種重構，從富As的C(4×4)、β2(2×4)、γ(2×4)到富Ga的(2×6)/(4×6)、(6×6)以及(4×2)/C(8×2)重構，它們與外界條件存在極高的關聯性，不同的實驗條件下將呈現不同的表面重構。過去幾十年，研究者們對于這些表面重構進行了研究，尤其是C(4×4)、(2×4)以及(4×2)/C(8×2)重構，而對(n×6)重構的研究較少。A.Y.Cho[1]在研究GaAs(001)反射高能電子衍射儀衍射花樣時首次發現了6×結構，其它研究者[2-4]發現GaAs(001)-(1×6)以及(2×6)/(4×6)表面通常是利用氬離子轟擊GaAs表面，或通過零As氣氛下冷卻富Ga狀態GaAs(001)-(4×2)表面獲得[5]，也能夠利用加熱GaAs(001)-C(4×4)或(2×4)表面經歷(3×1)重構后獲得[6-7]。GaAs(001)-(1×6)以及(2×6)/(4×6)重構原胞中原子如何排列仍然存在較大爭議[4-7]，與此同時，對于處于該重構狀態下的表面形貌狀況仍未見相關報道。本文采用掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)和反射高能電子衍射儀(reflection high energy electron diffraction, RHEED)共同研究分子束外延方法(molecular beam epitaxy，MBE)生長的GaAs(001)表面處于(2×6)重構形式下表面形貌，提出新的As表面覆蓋率計算方法，結合STM圖片準確定義了(2×6)重構時的原胞結構，并以此重構原胞構建了與實驗中STM圖片符合很好的重構表面。

1 實 驗

整個實驗過程在超高真空連接的MBE/STM聯合系統中完成。采用可直接外延GaAs(001)單晶襯底(Si摻雜濃度為ND=1.49×1018/cm3)，樣品在As氣氛保護下完成脫氧后，通過MBE同質外延約為500 nm的GaAs緩沖層[8]。生長實驗過程中，采用RHEED實時監控GaAs的生長狀態和測算生長速率，生長結束后GaAs(001)經原位退火20 min使其表面處于原子級平整狀態[9]，改變As等效束流壓強(As beam equivalent pressure, As BEP)和退火時間并通過RHEED衍射圖像觀測到樣品逐漸轉變為(2×6)重構相后，將樣品淬火至室溫、RHEED衍射保持處于(2×6)狀態下傳送至STM掃描成像，獲得(2×6)重構、不同尺度下的GaAs表面形貌圖片。

2 結果與討論

2.1 GaAs(001)-(2×6)重構下的表面形貌

實驗中，完成GaAs-β2(2×4) 重構下原子級平整的生長退火后，GaAs樣品在530 ℃，1.33 μPa As BEP條件下進行退火20 min以后RHEED衍射圖像顯示的β2(2×4) 重構將逐漸變化；當退火時間延長至30 min時，整個RHEED衍射將完全轉變成(2×6)重構狀態，如圖1(a)-(c)。

圖1 GaAs(001)-(2×6)重構時RHEED衍射圖像[110]與不同尺寸STM圖片

2.2 球棍模型模擬GaAs(001)-(2×6)的重構原胞

在圖3(a)-(c)中，其中(a)表示溝道內全部由As dimers構成，在每個(2×6)重構原胞的溝道中含有3個As dimers；圖3(b)中每個(2×6)重構原胞的溝道中含有1～2個Ga dimers，溝道全部被Ga dimers占據；除了上述的兩種極端情況以外，在溝道中還存在一種可能，即一個As dimers加上一個Ga dimers，這兩個dimers排列方向相互垂直，如圖3(c)所示。

2.3 As表面覆蓋率計算方法

在判斷實驗獲得的STM圖像是由哪種重構原胞模型構成時，我們提出一種數原子的方法來計算As覆蓋率，它能夠準確地計算GaAs，InGaAs等As化合物在不同重構下的As覆蓋率。它表示為：如果As化合物的表面重構為(N×M)(除了帶對稱中心C的重構原胞)，n就是在一個重構原胞中頂層As的數目，一個As dimers記為兩個As，一個Ga-As dimers記為一個As，采用Θ表示重構原胞中的As覆蓋率，取單位為ML，其表達式就是

(1)

以GaAs(001)-β2(2×4)重構為例，在β2(2×4)重構原胞中(N×M)就是8，原胞中有3個As dimers[13]，n為6，采用式(1)計算獲得其As覆蓋率為0.75 ML。

圖3 GaAs(001)-(2×6)重構的3種球棍模型示意圖，每個重構原胞在溝道外沿都有兩個As Dimers，在溝道中分別有分別具有3個(a)、0個(b)、1個(c) dimers和0個(a)、2個(b)、1個(c)Ga dimers

Fig 3 Ball-and-stick models proposed for GaAs(001)-(2×6), there are two As dimers out of the trench, and there are three(a), 0(b), one(c) As dimer and 0(a), two(b), one(c) Ga dimers in the trench respectively in a reconstruction unit

同理，α(2×4)與γ(2×4)的As覆蓋率分別是0.5和1 ML，這與其它研究人員[1,13]的計算結果完全一致。利用式(1)計算As覆蓋率的方法，只需畫出相應表面重構的球棍模型，就能夠直接獲得對應的As覆蓋率，方法直觀易懂。式(1)的物理意義也很明確，假定一個以完全由Ga終結的還未發生重構的GaAs表面，現擬用As對其進行覆蓋并形成(N×M)的重構表面，在重構原胞頂層As下就必有(N×M)個Ga原子，每個Ga原子需要一個As對其進行覆蓋，采用重構原胞中As原子n數目除以(N×M)就能夠得到As的覆蓋率；As覆蓋率用ML作為單位，它體現頂層As對于Ga的覆蓋能力，當頂層As原子數目等于次層Ga原子數目，其覆蓋率就是1 ML，表明在該重構形式下GaAs最表層剛好由一層As原子覆蓋。將式(1)推廣到其它的As系化合物半導體的重構表面，比如在InGaAs富金屬[14-15]的不同(4×3)表面重構原胞中，能夠直接算出其As覆蓋率分別是0.25和0.5 ML，這與A.Riposan[16]以及Lee.E.Sears[17]關于InGaAs表面處于該重構原胞中的As覆蓋率計算結果完全一致，進一步表明利用式(1)能夠方便準確的計算As系化合物半導體的重構表面的As覆蓋率。

2.4 球棍模型下的(2×6)重構表面分析

采用式(1)對圖3(a)-(c)進行計算，As覆蓋率分別是0.83，0.33和0.50 ML。在實驗中，GaAs(001)-(2×6)重構表面是從β2(2×4)重構表面作為起始表面經過530 ℃、1.33 μPa As BEP退火30 min獲得，長時間的低As BEP退火，表面的As原子數目不可能獲得提高，其As覆蓋率也必然小于β2(2×4)重構(0.75 ML)，故(2×6)重構原胞不會是圖3(a)；實驗中還發現，在圖1的STM圖片中還有少部分的β2(2×4)重構區域，說明β2(2×4)重構向(2×6)重構的轉變出現了明顯的過渡階段，那么As覆蓋率在這兩種重構間變化時也必然存在中間過程；在這一漸變的過程中，實驗中獲得的(2×6)重構原胞更可能是圖3(b)，而不是圖3(c)；因為在1.33 μPa As BEP條件下β2(2×4)重構向(2×6)重構的轉變僅僅是伴隨著最頂層非金屬As原子的脫附，表面的金屬Ga原子不脫離表面，最頂層的金屬Ga原子與非金屬As原子數目的比值將增大。在530 ℃、低As BEP下，富As-GaAs(001)表面的As原子隨著退火的進行逐漸脫離表面，表面重構也隨之從富As狀態向富Ga狀態演變。圖3(c)中最頂層Ga/As原子數目的比值為2，而圖3(b)的為2.5，二者相對于β2(2×4)重構的1.5均增大。然而對比圖3(b)與(c)，發現圖3(c)可以由圖3(b)溝道中的一對Ga dimer的脫離而形成，最頂層Ga原子數目圖3(b)比圖3(c)多。相對于β2(2×4)重構而言，圖3(b)最頂層Ga/As原子數目的比值增大是由于Ga原子數目增多As原子數目減少，而圖3(b)中Ga原子與As原子數目均減少，只是As原子數目相對減少的更多，因此圖3(c)所示的重構模型不符合。綜合圖2、球棍模型以及As覆蓋率，認為在實驗中獲得的(2×6)重構原胞的球棍模型就是圖3(b)。采用該球棍模型對于(2×6)重構表面進行模擬，球棍模型(圖4(b))與STM掃描圖片(圖4(a))吻合得非常好，這再次證實在實驗中獲得的(2×6)重構原胞中有兩對As dimers和兩對Ga dimers，其中兩對As dimers在溝道外的dimer row上，兩對Ga dimers共同位于溝道之中。

圖4 GaAs(001)-(2×6)重構下20 nm×20 nm的STM圖片，采用溝道中含有1對As dimers的(2×6)重構球棍模型模擬的GaAs(001)-的重構表面(圖4(a)偏壓-2.6 V, 電流200 pA)

Fig 4 20 nm×20 nm STM image (a) and simulated by ball-and-stick (2×6) model with one dimers in trench (b) of GaAs (001)-(2×6) surface (images (a) gap voltage -2.6 V, current 200 pA)

3 結 論

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3.College of Science, Guizhou University, Guiyang 550025,China)

Morphology and reconstructed unit cell at GaAs(001)-(2×6) surface

ZHOU Xun1，LUO Zijiang2，WANG Jihong3，GUO Xiang3，DING Zhao3

(1.School of Physics and Electronics Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China；2.School of Information, Guizhou University of Finance and Economics, Guiyang 550004，China；

The morphology and reconstructed unit cell at GaAs(001)-(2×6) reconstructed surface were studied using reflection high energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy (STM). We found that GaAs(001)-(2×6) reconstructed surface can be obtained annealing the GaAs(001)-β2(2×4) reconstructed surface under 530 ℃ and 1.33 μPa As beam equivalent pressure. The morphology at GaAs(001)-(2×6) surface was disordered flat which existed series of islands and pits with 1monolayer height. To clarify the actual structure of GaAs(001)-(2×6), a new method to calculate the As coverage on GaAs(001) surface was proposed and used it to determine the GaAs(001)-(2×6) reconstruction. Combined the STM images and ball-and-stick model to confirm that there were two As dimers and two Ga dimers in a reconstructed unit cell on GaAs(001)-(2×6) surface, then utilized this unit cell to conceive the (2×6) reconstructed surface which was highly consistent with STM image.

GaAs(001)-(2×6) surface； morphology； As coverage； reconstructed unit cell

1001-9731(2016)04-04147-05

國家自然科學基金資助項目(60866001)；貴州省科學技術基金資助項目(黔科合J字[2014]2046號,[2013]2114號)；貴州師范大學2012年博士基金資助項目([2012]001號)；貴州省教育廳自然科學研究資助項目(黔教合KY字(2014)265號)

2015-04-10

2015-07-20 通訊作者：羅子江，E-mail: lah5200@sina.com

周 勛 (1966-)，男，貴州貴陽人，教授，博士，主要從事低維半導體材料的研究。

TN3；O47

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.030