襯底溫度對Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面形成納米結(jié)構(gòu)的影響

黃延彬， 馬明明， 郭 祥， 王 一， 羅子江，湯佳偉， 李志宏， 張振東， 丁 召,3

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院, 貴陽 550025; 2.貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550025;3.半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部工程研究中心, 貴陽 550025; 4.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)信息學(xué)院, 貴陽 550025)

1 引 言

自組裝III-V族化合物半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的研究具有廣泛的應(yīng)用前景，得益于先進(jìn)的生長方法如分子束外延(Molecular Beam Epitaxy， MBE)和有機(jī)氣相外延(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy，MOVPE)，人們可以在納米級尺寸下精確控制生長化合物半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以此獲得具有高質(zhì)量的量子阱和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，用來制作各種半導(dǎo)體器件，如微波器件、光電子器件、霍爾器件、高電子遷移率晶體管等[1].

實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米級高精度控制，需要了解薄膜表面動(dòng)力學(xué)過程，其中表面擴(kuò)散是表面薄膜生長最重要的生長過程之一[2]，準(zhǔn)確地理解III-V族晶體表面上III族吸附原子的擴(kuò)散機(jī)理將有助于對納米結(jié)構(gòu)制造工藝的設(shè)計(jì)[3].自Chikyow和Koguchi 建立液滴外延(Droplet Epitaxy DE)技術(shù)以來[4]，它已發(fā)展成為半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)生長主要的方法之一，在III-V族化合物表面上，III族金屬液滴可以在As束流下晶化并用于制造半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子阱與環(huán)[5-10]，金屬通過DE生長模式能夠靈活地控制各種納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀并因此控制它們的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì).

前期研究中，LaBella 等人[11]利用Monte-Carlo模擬和STM實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出Ga原子在GaAs表面擴(kuò)散的激活能EA和擴(kuò)散前因子D0，Bietti 等人[3]采用液滴外延技術(shù)制備Ga液滴并研究Ga液滴在GaAs表面的擴(kuò)散，通過直接測量盤狀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散長度，推導(dǎo)出激活能EA和擴(kuò)散前因子D0，Heyn等人[12]通過液滴外延制備Al液滴并研究Al原子在AlGaAs表面的擴(kuò)散，并由擴(kuò)散長度推導(dǎo)出激活能EA和擴(kuò)散前因子D0.本實(shí)驗(yàn)采用MBE和反射式高能電子衍射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction, RHEED)以及原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope， AFM)對襯底溫度(300 ℃～420 ℃)下對Ga原子在Al0.4Ga0.6As表面的擴(kuò)散和刻蝕過程進(jìn)行了研究，在As束流的促進(jìn)下，Ga液滴演變?yōu)閹в袃?nèi)環(huán)的盤狀結(jié)構(gòu)，并通過直接測量盤狀結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散長度，計(jì)算出Ga原子在Al0.4Ga0.6As表面的擴(kuò)散激活能EA和擴(kuò)散前因子D0.

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用Omicron公司所生產(chǎn)的MBE系統(tǒng)完成Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面擴(kuò)散，該設(shè)備配備有可原位觀察的反射式高能電子衍射儀(RHEED)，并在超高真空(最高可達(dá)5-9×10-9Pa的MBE真空室中進(jìn)行，GaAs(001)襯底上的Si的摻雜濃度ND=1.49×1018/cm3，在進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，通過束流檢測器(Beam Flux Monitor，BFM)對As(Al ，Ga)束流等效壓強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲取到在不同溫度下As(Al ，Ga)各源爐的蒸氣壓，生長過程中利用RHEED實(shí)時(shí)監(jiān)測薄膜的生長狀態(tài).

實(shí)驗(yàn)中，首先對GaAs(001)襯底進(jìn)行高溫脫氧處理(Tsub=586 ℃,30 min)然后襯底溫度降到552 ℃，進(jìn)行GaAs緩沖層的生長(Tsub=552 ℃，TGa=1000 ℃，TAl=1130 ℃)，生長速率為0.21 ML/s，完成生長后原位退火30 min以保證GaAs具有良好的平坦表面.之后在生長好的GaAs緩沖層上生長30個(gè)單層的Al0.4Ga0.6As，生長速率為0.33 ML/s，原位退火30 min，以不同液滴溫度和沉積量沉積Ga液滴，襯底溫度和沉積量等參數(shù)如表1所示.

表1 Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面刻蝕和擴(kuò)散的生長條件

Table 1 Growth condition for Ga diffusion on surface of Al0.4Ga0.6As

襯底溫度(℃)As flux(ML/s)沉積量(ML)As晶化時(shí)間(min)砷壓(Pa)3000.3328.8×10-43400.3328.8×10-43600.3328.8×10-43800.3328.8×10-43850.3328.8×10-44200.3328.8×10-4

3 結(jié)果與討論

3.1 襯底溫度對納米孔密度和深度的影響

納米結(jié)構(gòu)在As束流下由Ga液滴晶化而來，不同的襯底溫度下，沉積的Ga液滴通過As束流晶化，它們的AFM掃描圖像如圖1(a)～(f)所示，可以看到Al0.4Ga0.6As表面形貌變化.

圖1 不同襯底溫度下Ga液滴在Al0.4Ga0.6As薄膜表面刻蝕和擴(kuò)散(2 μm×2 μm)AFM圖像，圖(a)～(f)分別對應(yīng)T=300 ℃、340 ℃、360 ℃、380 ℃、385 ℃、420 ℃下的表面形貌.Fig.1 2 μm×2 μm AFM image of Ga droplet etching and diffusion on Al0.4Ga0.6As film surface under different substrate temperature of T=300 ℃,340 ℃,360 ℃,380 ℃,385 ℃,420 ℃, respectively.

如圖1所示，Al0.4Ga0.6As襯底表面上有孔洞、盤狀結(jié)構(gòu)形成，它們的密度隨著溫度的升高發(fā)生明顯的變化.當(dāng)T=300 ℃，襯底表面形成較為密集的納米孔和納米盤狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形貌還不明顯；隨著溫度的升高(300 ℃≤T≤380 ℃)，納米孔和納米盤的密度都在降低，納米孔的孔徑和納米盤的擴(kuò)散半徑在逐漸增大；當(dāng)T=380 ℃，納米盤幾乎消失，納米孔的密度進(jìn)一步降低，孔徑繼續(xù)增大；當(dāng)T=420 ℃，納米盤消失，襯底表面形成了一定平坦的薄膜，納米孔的密度降至最低，孔徑增至最大.為了進(jìn)一步探究襯底溫度對Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面形成納米結(jié)構(gòu)的影響.

本節(jié)首先對納米孔的形貌演變進(jìn)行討論，并就其密度、直徑、深度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析.關(guān)于納米盤的分析討論見3.2.

納米孔的結(jié)構(gòu)特性與溫度之間的關(guān)系如圖2(d)～(f)，正如預(yù)期的那樣，孔洞密度隨著襯底溫度的升高而降低，與Christian Heyn等人[13]得到的結(jié)果一致，在T=300 ℃時(shí)，納米孔較為密集，納米孔的平均密度為1.58×1014cm-2，平均直徑為22.81 nm，平均孔深為0.66 nm，深度較淺，這是由于襯底溫度在300 ℃時(shí)，Ga、Al原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不明顯，并且在表面的遷移能力較弱，擴(kuò)散半徑較小，初始Ga滴液沉積到Al0.4Ga0.6As表面后開始刻蝕并形成與初始液滴幾乎等數(shù)量的納米洞.隨著溫度升至340 ℃，納米孔的密度減少到4.17×1013cm-2，平均直徑為34.12 nm，平均孔深達(dá)到1.28 nm，變化較為明顯.Ga、Al原子在表面的遷移能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)，向外擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加快，并在砷壓的作用下晶化形成形成納米盤.

當(dāng)T=360 ℃時(shí)，納米孔的密度繼續(xù)隨著溫度的升高而降低到2.05×1013cm-2，平均直徑則隨溫度升高而增加至45.36 nm，平均孔深增至1.63 nm.當(dāng)襯底溫度達(dá)到380 ℃時(shí)，納米孔的平均密度降低至1.25×1013cm-2，下降速率減慢，平均直徑增至55.60 nm，平均孔深增至2.22 nm，從圖2(e)～(f)的擬合曲線得出，平均直徑和孔深都隨溫度升高而增加，變化速率較小.

圖2 (a)～(b)分別為T=360 ℃、T=385 ℃時(shí)局部液滴刻蝕過程形成納米孔的AFM圖像.(c)來自于(a)中所標(biāo)記納米孔的剖面高度分析.(d)～(f)Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面形成的納米孔密度、直徑、孔深隨襯底溫度變化的擬合曲線.Fig.2 AFM images of nanahole evolved from local droplet etching process at T=360 ℃ and T=385 ℃ in (a) and (b) , respectively.(c) Line profile of a nanohole labelled in (a), (d)～(f) are Arrhenius fits of the dependences of the density, diameter and depth of nanohole on substrate temperature.

圖3 (a)～(d)納米孔和盤狀結(jié)構(gòu)在砷壓下隨著襯底溫度升高而進(jìn)行的演化過程.Fig.3 (a)～(d) Evolution of nanohole and diffusion halo under As pressure with increasing substrate temperature.

當(dāng)T=385 ℃時(shí)，納米孔的平均密度降為1.05×1013cm-2，平均直徑、孔深分別增加為56.51 nm、2.52 nm，值得注意的是，在該溫度下，圖2(b)中盤狀結(jié)構(gòu)消失，納米孔的密度繼續(xù)降低，逐漸形成平坦的AlxGa0.61-xAs薄膜.然而，由于初始Ga液滴刻蝕襯底形成的納米孔并未被Ga原子的擴(kuò)散填充，所以納米孔仍然存在.如圖1(f)所示，當(dāng)溫度達(dá)到420 ℃時(shí)，納米孔的密度降低至最小值，為0.52×1013cm-2，平均直徑和平均孔深均達(dá)最大值，分別為75 nm和5.52 nm，表面薄膜在385 ℃完成平坦化后繼續(xù)升溫至420 ℃，平坦表面出現(xiàn)了一定分布的坑和島.

通過分析Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面刻蝕形成納米孔的過程，有助于我們進(jìn)一步探究Ga原子在襯底表面的擴(kuò)散行為，納米孔的形成伴隨著Ga-As、Al-As鍵的斷裂，Ga、Al、As原子從孔中擴(kuò)散至液滴邊緣并進(jìn)一步擴(kuò)散至液滴外部的襯底表面，在As束流促進(jìn)下，形成帶有內(nèi)環(huán)的盤狀結(jié)構(gòu)(diffusion halo).

3.2 襯底溫度對Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面擴(kuò)散的影響

為了研究襯底溫度對Ga原子在Al0.4Ga0.6As表面形成盤狀結(jié)構(gòu)的影響，在表2中對盤的內(nèi)環(huán)半徑和外盤半徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和分析.

表2 樣品的內(nèi)環(huán)半徑R1，外盤半徑R2，△R(內(nèi)環(huán)半徑R1與外盤半徑R2的差值)的數(shù)值

Table 2 Growth parameters, internal ring radiusR1, external disk radiusR2, and △R(difference between external disk radius and inner ring radius) of the fabricated samples

Tsub(℃)As flux(ML/s)R1(nm)R2(nm)△R(nm)3000.311.924028.083400.313.9177.2263.313600.335.2913195.713800.335.3156.78121.483850.3---4200.3---

在圖4(a)中，可以清楚地看到環(huán)形盤狀結(jié)構(gòu)放大之后的AFM圖像，圖4(b)則為它的剖面分析圖，從盤狀結(jié)構(gòu)的初始形成到最終消失大致可分為三個(gè)過程：

1.R

2.R1

R>R2區(qū)域：當(dāng)T>380 ℃時(shí)，可以從圖1(f)中清楚的看到，襯底表面形貌已由一定分布的盤狀結(jié)構(gòu)演化為幾乎平坦的薄膜，這是因?yàn)殡S著溫度的繼續(xù)升高，Ga、Al、As原子繼續(xù)往盤狀結(jié)構(gòu)的邊緣擴(kuò)散，盤與盤之間相遇并合并形更大的盤，最終形成幾乎平坦的AlxGa1-xAs薄膜(帶有一定分布的納米孔).通過不同溫度、不同晶化時(shí)間的處理，我們通過對納米盤狀結(jié)構(gòu)的分析獲得原子擴(kuò)散半徑，進(jìn)而可以獲得Ga原子在AlGaAs表面擴(kuò)散行為的參數(shù)如擴(kuò)散激活能等.

圖4 (a)Ga液滴在Al0.4Ga0.6As 薄膜表面形成的盤狀結(jié)構(gòu)AFM圖，R1為內(nèi)環(huán)半徑，R2為外盤半徑.(b)AFM生成盤狀結(jié)構(gòu)的剖面高度分析.(c)盤寬的平方(△R)2隨溫度變化的Arrhenius擬合曲線，虛線表示最佳擬合.Fig.4 (a)AFM images of diffusion halo evolve from the initial Ga droplet on Al0.4Ga0.6As film.Definitions of outer disk (R2) and inner ring (R1).(b)AFM profile of diffusion halo.(c)Arrhenius plot of the dependence of the mean radius square (△R)2 on temperature.Best line fits are shown as dashed lines.

圖4(a)～(b)分別畫出了盤狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)環(huán)半徑R1、外盤半徑R2和盤狀結(jié)構(gòu)的剖面高度圖，與Sergio Bietti等人[3]擴(kuò)散暈(Diffusion halo)的測量方法相似，△R是通過以下公式得到的擴(kuò)散系數(shù)[3]：

(1)

其中l(wèi)是擴(kuò)散長度(cm)，D0是擴(kuò)散系數(shù)前因子(cm2/s)，EA是活化能(eV)，kB是玻爾茲曼常數(shù)(eV/K)，T是襯底溫度(K)，1/JAs是歸一化的As束流(ML/s).

本實(shí)驗(yàn)中,通過數(shù)據(jù)擬合出的Arrhenius曲線，得到函數(shù)關(guān)系式：

(2)

該函數(shù)關(guān)系式與Sergio Bietti等人[3]在(T=300 ℃～375 ℃，As flux=0.6ML/s)條件下推導(dǎo)出的公式(1)幾乎吻合，最終計(jì)算出Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面擴(kuò)散的激活能EA=0.78(±0.01) eV，擴(kuò)散前因子D0=0.15(×4.1±1)10-2cm2s-1，與表3中Sergio Bietti等人[3]的實(shí)驗(yàn)值、LaBella等人[11]的理論值進(jìn)行對比.

通過更換材料體系，本實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出的Ga原子在Al0.4Ga0.6As表面擴(kuò)散的激活能和擴(kuò)散前因子小于表3中前期研究得出的值.Christian Heyn等人[12]在(T=605 ℃，As flux=0.4ML/s)條件下計(jì)算出了Al原子在AlGaAs表面的擴(kuò)散激活能為1.0 eV(液滴內(nèi))和1.5 eV(液滴外)，因此進(jìn)一步推測，當(dāng)界面處Ga-As、Al-As鍵斷裂后，在相同襯底溫度下，Al原子向液滴邊緣作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所需能量比Ga原子高，擴(kuò)散比Ga原子慢，短時(shí)間內(nèi)一定量的Al原子在界面處堆積形成富Al區(qū)域并與少量Ga原子共同向下刻蝕(如圖3(c))，而界面處大量的Ga-As鍵斷裂后的Ga原子在獲得足夠的能量后向液滴邊緣擴(kuò)散，直至液滴外形成盤狀結(jié)構(gòu).從而一定程度上推測出組分為0.4的Al原子很可能促進(jìn)了Ga原子的擴(kuò)散，Ga、Al原子的共同作用導(dǎo)致了Ga原子在Al0.4Ga0.6As表面擴(kuò)散的激活能偏小.

表3 各實(shí)驗(yàn)室激活能與擴(kuò)散前因子的實(shí)驗(yàn)值與理論值對照表

在晶化過程中，RHEED圖案發(fā)生變化[3]，Ga液滴沉積后的初始表面重構(gòu)是富含Ga的(4×6 )重構(gòu)，當(dāng)打開As閥門后變?yōu)锳s穩(wěn)定狀態(tài)(2×4)重構(gòu)表面，在盤狀結(jié)構(gòu)的生長期間RHEED強(qiáng)度振蕩，與標(biāo)準(zhǔn)的As束流相匹配.所以能夠通過生長期間的表面重構(gòu)變化確定其生長模式為層狀模式.

4 結(jié) 論

本文采用液滴外延(DE)技術(shù)在砷壓8.8×10-4Pa、退火時(shí)間30 min、As束流為0.25 ML/s條件下沉積3 ML的Ga液滴，通過調(diào)整襯底溫度(300 ℃、340 ℃、360 ℃、380 ℃、385 ℃、420 ℃)觀察Ga液滴在Al0.4Ga0.6As表面的刻蝕擴(kuò)散后的形貌變化，通過AFM納米孔和盤狀結(jié)構(gòu)的表征分析，發(fā)現(xiàn)納米孔的密度隨著溫度的增加而減少，納米孔的直徑和孔深隨溫度的增加而增加，當(dāng)300 ℃≤T≤380 ℃時(shí),從液滴邊緣向外擴(kuò)散的Ga、Al原子在As束流下晶化形成環(huán)和盤.當(dāng)T≥385 ℃時(shí)，盤狀結(jié)構(gòu)消失，Ga液滴在界面處繼續(xù)向下刻蝕直至耗盡形成平均直徑為75 nm，平均孔深為5.52 nm的納米孔.本文還通過對盤狀結(jié)構(gòu)計(jì)算出平均擴(kuò)散長度△R，并與襯底溫度進(jìn)行擬合，最終計(jì)算出激活能EA=0.78(±0.01)eV，擴(kuò)散前因子D0=0.15(×4.1±1)10-2cm2s-1.