粗糙GaAs(001)表面對In0.15Ga0.85As薄膜生長的影響

楊曉珊,郭　祥,羅子江,王　一,楊　晨,許筱曉,張之桓,丁　召

(1.貴州大學 大數(shù)據(jù)與信息工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州財經(jīng)大學 信息學院，貴州 貴陽 550004)

III/V族半導體材料因具有優(yōu)異的光電特性，在太陽能電池、紅外探測器和新型激光器[1-3]等領域受到廣泛的研究。為了不斷提高半導體材料光電子器件的性能，深入地掌握薄膜的生長機理和更好地控制其生長工藝，成為當前研究的難點和重點。InGaAs作為一種重要的化合物半導體材料，因其具有高遷移率，高吸收系數(shù)等特點，已成為制備和研究高頻、高速微電子器件等的首選材料[4]。GaAs作為一種典型的閃鋅礦型化合物半導體，常被用作InGaAs薄膜生長的襯底，其表面形貌在InGaAs薄膜生長的過程中扮演著重要作用[5]。目前，國內外對InGaAs/GaAs薄膜的研究主要集中于自組裝量子點的生長[6-8]，而GaAs襯底表面形貌對InGaAs薄膜生長的影響研究較少。

V.P.LaBella[9]等人曾采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)生長和反射高能電子衍射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction,RHEED)實時監(jiān)測，對GaAs(001)表面結構進行了深入研究，得到了在不同的襯底溫度和As等效速流壓強條件下，GaAs(001)表面會呈現(xiàn)出c(4×4)、2×4、c(2×8)、2×1等表面重構，其中c(4×4)和β2(2×4)重構是GaAs(001) 表面外延生長過程中，出現(xiàn)頻率最高的兩種重構[10]。GaAs表面重構會使其表面呈現(xiàn)出不同的表面形貌，但很多研究都將GaAs襯底表面視為原子級平坦[11-13]，忽視了粗糙GaAs襯底表面對后續(xù)外延生長的影響。

為了研究粗糙GaAs(001)表面對In0.15Ga0.85As薄膜外延生長的影響，本文利用MBE技術制備了不同形貌GaAs(001)表面，通過掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunnel Microscope, STM)對粗糙GaAs(001)襯底表面形貌進行表征與分析，并以外延生長15 ML的In0.15Ga0.85As薄膜為實例，揭示了薄膜的表面形貌特征由生長模式?jīng)Q定，而生長模式與襯底表能和應變能的相對大小有關，襯底表面能越大，薄膜應變能越小，薄膜越趨向于層狀生長，其表面形貌越平整。

1　實驗過程

實驗是在超高真空(5～8×10-11Torr)的 MBE-STM聯(lián)合系統(tǒng)里進行。在In0.15Ga0.85As薄膜的制備中，襯底為可直接外延生長的n+型GaAs(001)基片，Si摻雜濃度為1.0×1018cm-3。首先將GaAs襯底送入MBE真空室，在一定的As4壓(8.5 μTorr)保護下將襯底溫度升到580 ℃后，進行脫氧處理，脫氧完成后，降低襯底溫度至560 ℃。然后，以350 nm/h的生長速率沉積0.15 μm的GaAs緩沖層，生長完成后，保持襯底溫度不變，進行40min退火，使GaAs襯底表面趨于平坦化。在相同生長條件下，沉積0.5 μm的GaAs，退火30 min后，在As4壓保持不變的情況下，以不同速率降低GaAs襯底溫度至440 ℃，時間分別為3 min、18 min、36 min。隨后以相同的生長條件在上述不同初始表面形貌的GaAs襯底上沉積15 ML(Monolayer, ML) In0.15Ga0.85As薄膜[5]，生長條件：溫度440 ℃、沉積速率0.343 ML/s，退火時間15 min。樣品生長完成后將其進行STM表征與分析。

2　結果與討論

2.1　GaAs(001)表面形貌

GaAs(001)襯底經(jīng)脫氧處理、沉積緩沖層后，以不同速率降溫至440 ℃，呈現(xiàn)出不同的表面形貌，如圖1所示。圖1(a)、(b)、(c)分別為用時3 min、18 min、36 min襯底溫度從560 ℃降到440 ℃所形成的GaAs(001)表面形貌。富As條件下，對具有β2(2×4)重構的GaAs表面進行適當?shù)慕禍?，?(2×4)重構表面會形成c(4×4)重構[9]，通過RHEED實時監(jiān)測，觀察到GaAs(001) (a)的表面存在β2(2×4)和c(4×4)兩種重構，而GaAs(001) (b)、(c)表面僅有c(4×4) 重構[5]?？梢钥闯鯣aAs(001)表面由c(4×4)重構形成2D島，其尺寸大小和空間分布都具有隨機性，且隨著降溫速率的減慢，GaAs襯底(a)～(c)表面島的密度逐漸減少，同時襯底表面也趨于平坦化。即相較于 (b)、(c)的GaAs表面，(a)的GaAs襯底表面更粗糙。周清[5]等人研究發(fā)現(xiàn)在預粗糙化的GaAs襯底表面生長的In0.15Ga0.85As 薄膜最佳，即在相同生長條件下，分別在 GaAs襯底(a)、(b)、(c)上生長厚度為15 ML的In0.15Ga0.85As薄膜，發(fā)現(xiàn)GaAs襯底(c)上生長的In0.15Ga0.85As薄膜表面較粗糙，而GaAs襯底 (a)上生長的In0.15Ga0.85As薄膜表面較平整。

圖1　不同速率下溫度從560 ℃降到440 ℃ GaAs(001) 表面的STM形貌圖

2.2　粗糙GaAs襯底表面及表面能

為了更深入的了解粗糙GaAs襯底表面對In0.15Ga0.85As薄膜生長的影響，對圖1中GaAs襯底(a)表面形貌進行了詳細分析，結果如圖2，STM掃描尺寸為100 nm×100 nm。圖2中(b)、(c)分別為 (a)中對應的β2(2×4)和c(4×4)重構球棍模型[14]，GaAs(001)表面由c(4×4)重構所形成的2D島沿 方向的長度為5～27 nm，沿 方向的寬度為2 ～15 nm，長寬比約為3，且圖中島和坑(圖中較暗區(qū)域)的表面覆蓋率分別約為37%、19%。島的高度(β2(2×4)與c(4×4) 重構表面之間的高度差) 約為0.15 nm，坑的深度(β2(2×4)重構的高度)約為0.28 nm，相當于一個ML。一般可以簡單地認為，表面原子排列方式的不同以及表面積的變化是晶體表面能改變的標志，GaAs(001)表面無重構時其表面能[15]為1.06 J/m2，當GaAs表面呈現(xiàn)出β2(2×4)和c(4×4)重構時其表面能[16-17]分別為0.34 J/m2、0.68 J/m2，雖然重構在一定程度上可以減少GaAs襯底的表面能，但重構與重構之間如果存在大量臺階，使得GaAs襯底表面積變大，則其表面能也增加。

圖2　粗糙GaAs(001)表面形貌

圖3為GaAs(001)襯底表面的截面示意圖，GaAs襯底表面由平面和側面組成，凸出部分為2D島，凹處為坑。假設圖3(a)中的島和坑由不同長方體堆疊形成，則島和坑的側面積可以通過式(1)進行近似計算

S=2∑hi(li+di)i=1,2,3…

(1)

式中l(wèi)i、di、hi分別為島或坑的長、寬、高，引用下標符號i表示不同大小的島和坑。當li?hi，di?hi時，可將GaAs襯底表面視為平坦狀態(tài)，如圖3(b)所示。具有圖3中(a)結構的GaAs襯底表面能較大，其歸因于襯底表面積的增加，即GaAs表面島和坑所形成的側面積越多，其表面能越大[18]。對比圖1中(a)、(b)、(c)，GaAs襯底表面能依次減小，可推測In0.15Ga0.85As薄膜[5]表面呈現(xiàn)出的差異性，與GaAs襯底表面能的大小和In0.15Ga0.85As薄膜的生長模式有關。

圖3　GaAs(001)襯底截面示意圖

2.3　In0.15Ga0.85As/GaAs薄膜的生長

薄膜的生長模式主要分為層狀生長、島狀生長，層狀加島狀生長[14]，薄膜以層狀模式進行生長時，薄膜表面較平整，而當薄膜出現(xiàn)島狀生長時，薄膜表面則會凹凸不平，變得粗糙。根據(jù)Bauer定則[19]，薄膜的生長模式主要取決于襯底的表面能Es、外延薄膜的表面能Ef、薄膜與襯底的界面能E*之間的相對大小。當Ef+E*≤Es時，薄膜生長模式為層狀生長，E*與薄膜和襯底材料的匹配度有關，可簡化為薄膜生長時所具有的應變能Eε。對于同質外延Ef≈Es，E*=0，如圖4(a)所示；而對于異質外延，E*>0，主要由薄膜與襯底之間存在的失配所引起。正常情況下，只有當E*足夠小且Ef≤Es時，異質外延薄膜才有可能以層狀模式進行生長，否則，薄膜很容易進行島狀生長，使得薄膜表面粗糙度增加，如圖4(b)所示。相同條件下，在不同表面形貌的襯底上進行外延薄膜生長，襯底表面能越大越有利于薄膜層狀生長，薄膜表面越平整，但這并不能忽視襯底和薄膜之間的界面能E*作用，在Ef≤Es情況下，如果襯底表面能增加，其增加量ΔEs大于薄膜所具有的應變能Eε≈E*，薄膜同樣以層狀模式進行生長，如圖4(c)所示。

圖4　薄膜生長截面示意圖

T=300 K時，In0.15Ga0.85As的晶格常數(shù)為0.571 3 nm，大于GaAs的晶格常數(shù)(0.565 3 nm)。在GaAs襯底上生長In0.15Ga0.85As薄膜時，薄膜在橫向上受到壓應力，縱向上即生長方向上受到張應力。由于GaAs襯底的厚度遠大于生長薄膜的厚度，當忽略襯底的應變，只考慮薄膜所積累的應變大小時，在單位面積內薄膜的應變能為[20]

(2)

式(1)中G、ν、h分別為薄膜的切變模量、泊松比和厚度，ε為襯底與薄膜之間存在的失配度；且

(3)

式(2)中af、as分別是薄膜和襯底的晶格常數(shù)。計算出GaAs襯底與In0.15Ga0.85As薄膜之間的失配度ε約為1%。利用式(2)，可以計算出面積為100 nm×100 nm的In0.15Ga0.85As薄膜應變能為2.3×103eV，即E*=2.3×103eV。

與平坦GaAs(001)表面相比，圖2(a)中以GaAs(001)襯底的島和坑形成的側面表面能作為GaAs表面能的增加量ΔEs，通過SPIP測量統(tǒng)計，并利用式(1)，得出圖2(a)中島和坑形成的總側面積約為857.35 nm2，占據(jù)GaAs襯底總表面積的8%。GaAs (110)面的表面能[15]為0.86 J/m2，由于 (110)面為GaAs的解理面，若將島和坑形成的側面視為GaAs (110)面，可以估算出圖2(a)中GaAs表面能的增加量ΔEs約為4.6×103eV。

3　結束語

利用MBE技術在GaAs(001)襯底上沉積GaAs緩沖層后，分別經(jīng)過3 min、18 min、36 min降溫處理，獲取不同形貌的GaAs(001)表面，通過STM對其表面形貌進行表征與分析。粗糙GaAs襯底表面由于存在β2(2×4)和c(4×4)兩種重構，其表面形成了大量的島和坑，引起GaAs襯底表面能增加；在生長In0.15Ga0.85As/GaAs薄膜的過程中薄膜具有一定的應變能，對于不同表面形貌的GaAs襯底，襯底表面能越大，薄膜的應變能越小，薄膜更趨向于層狀生長；面積為100×100 nm2的粗糙GaAs襯底表面能相對平坦GaAs襯底增加了約4.6×103eV，其增加量大于外延生長15 ML的In0.15Ga0.85As薄膜的應變能2.3×103eV，滿足薄膜以層狀模式生長條件，故粗糙GaAs(001)表面更利于生長表面平整的In0.15Ga0.85As薄膜。

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