InGaAs(110)解理面的掃描隧道譜的理論詮釋*

戴昊光 查訪星? 陳平平

1) (上海大學(xué)物理系,上海 200444)

2) (中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083)

本工作應(yīng)用截面掃描隧道顯微鏡(XSTM)研究了In0.53Ga0.47As/InP 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的(110)解理面.掃描隧道譜(STS)測量結(jié)果顯示,InGaAs 的電流-電壓(I-V)隧道譜呈現(xiàn)與襯底InP(110)面完全不同特點(diǎn).InP 的I-V譜呈現(xiàn)的零電流平臺(tái)寬度(隧道譜表觀帶隙)接近材料帶隙,可基于平帶模型解釋.In0.53Ga0.47As 的表觀帶隙卻比其帶隙(室溫0.74 eV)高出約50%.這反映了針尖與InGaAs 發(fā)生隧穿時(shí)的不同物理圖像,需應(yīng)用針尖誘導(dǎo)能帶彎曲(TIBB)模型來解釋.基于三維TIBB 模型的計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)表面態(tài)密度是對(duì)隧道譜線特征具有敏感影響的參數(shù).適當(dāng)選取參數(shù)不僅能定量解釋InGaAs 的I-V 譜的零電流平臺(tái)寬度,而且能較準(zhǔn)確預(yù)言零電流平臺(tái)的起、止能量位置,并能計(jì)算給出與實(shí)驗(yàn)高度重合的I-V 理論譜線.

1 引言

作為研究納米結(jié)構(gòu)和表面界面的先進(jìn)表征技術(shù),掃描隧道顯微鏡(STM)與其他顯微技術(shù)相比有一個(gè)重要優(yōu)勢,即不僅給出高空間分辨的形貌特征,而且能通過掃描隧道譜(STS)測量獲得局域電子結(jié)構(gòu)信息.不過,在很多STM 應(yīng)用中,對(duì)STS測量結(jié)果的解釋卻是比較復(fù)雜的問題,往往涉及不同物理因素的影響,如針尖誘導(dǎo)能帶彎曲(tip-induced band bending,TIBB)效應(yīng)[1?5],鏡像勢[6,7]等,進(jìn)而依賴不同物理模型來解釋.對(duì)于半導(dǎo)體的STM/STS 實(shí)驗(yàn)來說,物理圖像較簡單的平帶模型是在某些特定條件下才適用的,往往發(fā)生在半導(dǎo)體具有高的摻雜濃度或因高的表面態(tài)密度(density of surface states,DOSS)而產(chǎn)生表面費(fèi)米能級(jí)釘扎的情形.很多其他情形下TIBB 效應(yīng)是不可忽略的.該條件下半導(dǎo)體能帶帶隙與電流-電壓隧道譜(I-V)所觀測的零電流平臺(tái)寬度(表觀帶隙)需要通過模型計(jì)算方能建立定量關(guān)系.

Feenstra 等[8?12]所發(fā)展的TIBB 模型是目前被較多采用的詮釋半導(dǎo)體STS 結(jié)果的物理模型.本質(zhì)上該模型系唯像模型,當(dāng)具體被應(yīng)用于半導(dǎo)體的STS 測量結(jié)果分析時(shí),還涉及半導(dǎo)體功函數(shù)、表面態(tài)等物理參量的影響,這些參數(shù)對(duì)STS 譜線形、表觀帶隙大小和帶邊位置等參量具體影響規(guī)律如何,迄今尚未見到有文獻(xiàn)系統(tǒng)闡述.結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)澄清對(duì)上述問題的認(rèn)知,對(duì)于更好地發(fā)揮STS這一重要分析手段在半導(dǎo)體表面界面研究上的應(yīng)用,無疑是一個(gè)非常值得探討的重要課題.

本文采用XSTM 測量技術(shù)對(duì)分子束外延(MBE)生長的晶格匹配InP/In0.53Ga0.47As 異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.該結(jié)構(gòu)是構(gòu)建0.9—1.7 μm 近紅外波段光電探測器的基礎(chǔ).不僅應(yīng)用于制作短波紅外焦平面器件[13],而且基于此結(jié)構(gòu)所發(fā)展的雪崩光電二極管(APD)屬于應(yīng)用于長距離和高比特率光纖通信的最重要的器件方案[14].目前通過MBE進(jìn)行的該材料結(jié)構(gòu)生長中,異質(zhì)結(jié)界面的優(yōu)化生長一直都是備受重視的研究課題[15].與此緊密相關(guān)的是需要借助對(duì)界面生長質(zhì)量和界面特性有效表征的技術(shù)手段,而XSTM 方法則具備獨(dú)特優(yōu)勢[5].

本工作所研究的沿InP(001)襯底外延生長的InP/In0.53Ga0.47As 異質(zhì)結(jié)構(gòu),其截面為非極化(110)面.I-V譜測量顯示,InP 的零電流平臺(tái)寬度略小于材料帶隙,這可基于平帶模型予以解釋,說明InP(110)面存在較高DOSS 能夠引起費(fèi)米能級(jí)釘扎;較小的表觀帶隙則與能帶的帶邊態(tài)引起的帶隙窄化有關(guān).但與InP 緩沖層的STS 實(shí)驗(yàn)明顯不同的是,InGaAs(110)面STS 測量顯示,其表觀帶隙則比材料帶隙約大50%,意味著InGaAs 的STM實(shí)驗(yàn)中存在明顯的TIBB 效應(yīng).對(duì)此應(yīng)用Feentra的三維能帶彎曲模型進(jìn)行了分析計(jì)算[9,10],發(fā)現(xiàn)僅計(jì)入TIBB 效應(yīng)尚不足以準(zhǔn)確解釋I-V譜的零電流平臺(tái)的能量起、止位置等特征參數(shù).對(duì)此需納入?yún)⒘緿OSS,后者對(duì)線形特征有著敏感影響.通過對(duì)DOSS 數(shù)值的恰當(dāng)選取能夠計(jì)算出與實(shí)驗(yàn)高度吻合的I-V測量譜線.

2 實(shí) 驗(yàn)

利用MBE 技術(shù)在n 型InP 襯底(001)面上相繼生長0.2 μm 的InP 緩沖層和1.5 μm 的InxGa1–xAs層,其中In 的組分x=0.53,形成晶格匹配的InGaAs/InP 異質(zhì)結(jié).另外,InP 緩沖層n 型摻雜,摻雜濃度為1.0×1017cm–3,而InGaAs 層非故意摻雜,呈弱n 型,雜質(zhì)濃度約1.0×1015cm–3.

圖1 所示為進(jìn)行XSTM 實(shí)驗(yàn)的樣品構(gòu)型圖.薄片樣品通過樣品托上的夾具垂直于樣品托表面固定,為了獲得平整解理面,先在樣品表面沿著夾具上端緣形成輕微劃痕,以便于輕微撞擊樣品后就獲得垂直樣品面沿劃痕解理的端面.為避免空氣影響,樣品解理操作在氮?dú)馐痔紫渲型瓿?另外手套箱與STM 預(yù)腔密封對(duì)接,使得樣品到STM 真空進(jìn)樣室的傳輸也在氮?dú)獗Ｗo(hù)下完成[16].樣品先在進(jìn)樣室里由分子泵抽真空3 h 左右再傳入超高真空腔進(jìn)行STM 測量.STM 設(shè)備為Omicron 低溫超高真空掃描隧道顯微鏡,基準(zhǔn)壓強(qiáng)小于3.0×10–10mbar (1 mbar=100 Pa).采用恒流成像模式,成像參數(shù)設(shè)置為:偏壓1.30 V(加在樣品上),參考電流25 pA.STS 數(shù)據(jù)基于I-V數(shù)據(jù)采集獲得.進(jìn)行XSTM 測量時(shí),需要在(110)解理面以每次約800 nm 的步長向樣品表層側(cè)逐步橫向移動(dòng)STM針尖,每次移動(dòng)針尖后進(jìn)行成像掃描,并通過觀察掃描輪廓線有無高度突變來判斷是否到達(dá)樣品表層邊緣[17].當(dāng)解理面邊緣位置確定后,再結(jié)合樣品生長時(shí)已確定的外延層厚度參數(shù),自表層向內(nèi)移動(dòng)相應(yīng)針尖坐標(biāo)位置找到需要測試的界面區(qū)域進(jìn)行測量.

圖1 處于樣品托中用于XSTM 實(shí)驗(yàn)的樣品照片F(xiàn)ig.1.Photography of sample in the sample holder for the XSTM experiment.

3 結(jié)果與討論

圖2(a)為InGaAs/InP 異質(zhì)結(jié)(110)解理面的STM 形貌結(jié)果.形貌圖中標(biāo)出了晶體生長的(001)方向,可以看到沿該方向在界面兩側(cè)呈現(xiàn)出較為明顯的襯度變化.左側(cè)顏色較暗淡的為InP 緩沖層,右側(cè)較明亮的為InGaAs 層.本工作中重點(diǎn)分析這兩種外延層的STS 測量結(jié)果.在STM 實(shí)驗(yàn)中,I-V譜是最為常用的STS 測量方式.對(duì)于半導(dǎo)體樣品,I-V譜在V=0 V 附近所呈現(xiàn)的零電流平臺(tái)寬度由半導(dǎo)體能帶帶隙決定.圖2(b)和圖2(c)分別給出了InP 和InGaAs 的典型測量結(jié)果(為了突出零電流平臺(tái)附近譜線特征,圖中僅顯示了 ± 1.2 V 范圍的譜線).需要指出的是,雖然很多文獻(xiàn)在進(jìn)行I-V數(shù)據(jù)分析時(shí)習(xí)慣對(duì)I-V數(shù)據(jù)作微分處理,進(jìn)而以dI/dV譜或歸一化微分隧道譜的形式來表示[18],但上述數(shù)據(jù)處理過程一般要對(duì)原始I-V數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的平滑處理以降低數(shù)值微分所放大的噪聲干擾.該數(shù)據(jù)處理也會(huì)對(duì)譜線特征結(jié)構(gòu)(如峰位或拐點(diǎn))的準(zhǔn)確指認(rèn)有一定影響.為了避免此類誤差,本文的數(shù)據(jù)分析基于未做任何處理的原始I-V譜線數(shù)據(jù)[19].另外,為了盡可能減小數(shù)據(jù)指認(rèn)的不確定性以及局域缺陷態(tài)疊加產(chǎn)生的影響,對(duì)每一材料的I-V數(shù)據(jù)分析基于在表面不同空間隨機(jī)取樣十幾組數(shù)據(jù)獲得,并采用如圖2(d)和圖2(e)所示的表觀帶隙能量分布直方圖的形式(能量間隔0.05 eV)歸納獲得統(tǒng)計(jì)性測量結(jié)果.

圖2 (a) InGaAs/InP 異質(zhì)結(jié)(110)解理面的STM 形貌;(b)和(c)為InP 和InGaAs(110)面的典型的I-V 隧道譜給出的表觀帶隙測量結(jié)果;(d)和(e)分別為在InP 和InGaAs(110)表面分別隨機(jī)采樣13 和17 條I-V 譜線給出的表觀帶隙直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2.(a) STM topography of the cleaved (110) surface of InGaAs/InP hetero-structure;(b) and (c) are the typical I-V tunneling spectra of InP and InGaAs (110) surface,respectively;(d) and (e) are the statistical histograms of the apparent tunneling gaps with the sampling of 13 and 17 spectra on the (110) surfaces,respectively.

圖2(b)為InP 表面給出的一典型I-V譜線,其零電流平臺(tái)寬度(隧道譜表觀帶隙)約為1.11 eV,還注意到I-V曲線零電流平臺(tái)正負(fù)電壓側(cè)對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)位置分別為–0.59 和0.52 eV(從平帶模型來說它們分別對(duì)應(yīng)價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底能量位置,見圖3).InP 隧道譜表觀帶隙略小于其材料帶隙1.35 eV.實(shí)驗(yàn)中在InP 表面隨機(jī)采集了13 條譜線,總體上其譜線特征和圖2(b)所示均非常類似.根據(jù)這些譜線計(jì)算出的零電流平臺(tái)寬度均值為1.098 eV,均方差為0.035 eV,進(jìn)而可利用正態(tài)分布函數(shù)更直觀地反映帶隙能量的統(tǒng)計(jì)分布,如圖2(d)中與直方圖疊加的藍(lán)色虛線所示.

圖2(c)是測量給出的InGaAs(110)面的典型I-V譜線.隧道譜表觀帶隙為1.13 eV,價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底能量分別為–0.67 和0.46 eV.圖2(e)為用直方圖展示的基于17 條測量譜線所繪出的表觀帶隙直方圖的統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果.其均值為1.108 eV,均方差為0.038 eV.值得注意的是,前面InP 的隧道譜表觀帶隙較接近其材料帶隙1.35 eV,但I(xiàn)n0.53Ga0.47As 表觀帶隙明顯大于材料帶隙0.74 eV;測量值超過材料帶隙的50%.這一不同特征,意味著這兩種外延層的隧穿模型機(jī)制是不同的.

對(duì)InP 的測量結(jié)果,可基于圖3(a)和3(b)所示的平帶模型能帶圖進(jìn)行解釋.平帶模型一般適用于材料高摻雜或有高的DOSS 引起的費(fèi)米能級(jí)釘扎情形.平帶模型條件下,樣品正偏壓下針尖費(fèi)米能級(jí)高于導(dǎo)帶底能量EC(如圖3(a)所示eV≥EC,e為單位電荷),電子由針尖隧穿至樣品.如定義eVC=EC,則平帶模型下VC對(duì)應(yīng)圖3(a)中零電流平臺(tái)的右側(cè)拐點(diǎn).當(dāng)偏壓如圖3(b)所示偏壓為負(fù)時(shí),針尖費(fèi)米能級(jí)對(duì)準(zhǔn)價(jià)帶頂,發(fā)生電子由樣品到針尖的隧穿,VV對(duì)應(yīng)I-V譜零電流平臺(tái)的左拐點(diǎn).這樣有e(VC+|VV|)=Eg,即隧道譜的表觀帶隙應(yīng)等于材料的帶隙Eg.

圖3 平帶模型的STM 隧道結(jié)能帶示意圖 (a)正偏壓;(b)負(fù)偏壓;TIBB 模型下的隧穿能帶圖 (c)正偏壓;(d)負(fù)偏壓.EC,EV 和EF 分別是樣品的導(dǎo)帶、價(jià)帶和費(fèi)米能級(jí),EF,tip是針尖的費(fèi)米能級(jí),Edefect 表示缺陷態(tài)能級(jí).Fig.3.Schematic energy band diagram of STM tunneling junction with flat band model:(a) Positive sample bias;(b) negative sample bias;schematic energy band diagram of tunneling junction with the TIBB model: (c) positive sample bias;(d) negative sample bias.EC,EV and EF are the conduction band,valence band and Fermi level of the sample respectively,EF,tip is the Fermi level of the tip,and Edefect is the defect level.

不過圖2(b)和圖2(d)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果顯示,平均表觀帶隙約1.10 eV 比InP 的帶隙1.35 eV(室溫)要小一些.這一現(xiàn)象可解釋為:已有關(guān)于InP表面態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[20,21],InP(110)表面很容易因氧吸附而產(chǎn)生在距離導(dǎo)帶底0.1—0.3 eV 的能量區(qū)間產(chǎn)生大量深能級(jí),而本文I-V隧道譜所測量的InP(110)面的表觀帶隙比實(shí)際帶隙數(shù)值上小約0.2—0.3 eV,和上述氧吸附產(chǎn)生的深能級(jí)態(tài)恰在基本相同的數(shù)值范圍.由此看來InP 表觀帶隙的窄化或源自上述深能級(jí)表面態(tài)對(duì)隧穿電流的貢獻(xiàn).對(duì)此還要補(bǔ)充說明的是,雖然前面提到本樣品解理是在氮?dú)馐痔紫浔Ｗo(hù)氛圍下進(jìn)行的,包括樣品到STM真空腔的傳遞也是通過氮?dú)馐痔紫渑cSTM 進(jìn)樣室對(duì)接來避免樣品在空氣中的暴露,但是該制備條件尚不能達(dá)到對(duì)環(huán)境分子吸附充分抑制的超高真空條件原位解理所能提供的效果.對(duì)于潔凈半導(dǎo)體表面來說,表面敏感的氣體分子的吸附會(huì)是迅速的過程,所以在我們的樣品制備條件下InP 表面仍存在產(chǎn)生氧吸附表面態(tài)的機(jī)制.不過對(duì)同一氣體分子的吸附敏感性也會(huì)因材料而異.同一樣品中InGaAs(110)解理面的STS 結(jié)果則展示出不同于InP 的特點(diǎn).如圖2(c)的隧道譜顯示,其零電流平臺(tái)寬度(表觀帶隙)比材料帶隙大出很多,意味著平帶模型對(duì)應(yīng)的物理圖像是不適用的.故對(duì)InGaAs隧道譜的解釋必須應(yīng)用TIBB 模型而非平帶模型機(jī)制[8?12].

先從圖3(c)和圖3(d)的隧穿能帶圖就TIBB 效應(yīng)對(duì)帶隙測量的影響給予定性說明.當(dāng)針尖和半導(dǎo)體表面施加電壓時(shí),電場會(huì)感應(yīng)表面處原來電中性的電荷載體(電子、空穴、電離的施主和受主)形成空間電荷的重新分布而對(duì)外加電場產(chǎn)生屏蔽作用,導(dǎo)致外加電勢部分偏壓降落在半導(dǎo)體上產(chǎn)生所謂TIBB 效應(yīng):正偏壓下如圖3(c)能帶向上彎曲;負(fù)偏壓下如圖3(d)所示能帶向下彎曲.它必然導(dǎo)致大于材料帶隙的隧道譜表觀帶隙,即e(VC+|VV|) >Eg.

TIBB 效應(yīng)下的I-V譜能量寬度可基于電勢微分方程的求解給出定量結(jié)果[22,23].圖3 是基于隧穿的一維能帶圖的說明.2003 年Feenstra[8]進(jìn)一步考慮STM 針尖形狀的影響,發(fā)展了更符合STM隧穿情形的三維能帶彎曲模型.對(duì)于InGaAs 計(jì)算所用到的參數(shù)選取如下:針尖曲率半徑R=30 nm,張角θ=90°,針尖-樣品間距s=0.75 nm,針尖(鎢)功函數(shù)采用?m=4.74 eV[4].基于該模型的表面電勢分析就可以預(yù)言TIBB 效應(yīng)存在時(shí)I-V譜的零電流平臺(tái)寬度(表觀帶隙)的大小.如圖4 所示,計(jì)算出的InGaAs 表面電勢能隨所加偏壓的變化曲線如圖中實(shí)線所示[24].圖4 的橫坐標(biāo)為針尖-樣品的偏壓,縱坐標(biāo)為以樣品費(fèi)米能級(jí)作為零參考點(diǎn)的能量變化值;圖中兩組實(shí)線分別為表面處導(dǎo)帶和價(jià)帶電勢隨所加偏壓的變化情況,除了淺藍(lán)色實(shí)線為未考慮表面態(tài)修正情形,紅、橙、淺綠和藍(lán)色實(shí)線分別為考慮不同DOSS 修正后情形,稍后討論.另外,圖中黑色虛線是針尖費(fèi)米能級(jí)隨所加偏壓改變而產(chǎn)生的與樣品費(fèi)米能級(jí)差的變化.它與表面處價(jià)帶或?qū)У慕稽c(diǎn)為產(chǎn)生隧道電流的閾值點(diǎn),即I-V譜線上零電流平臺(tái)的左、右拐點(diǎn)電壓值(分別記為V–onset和V+onset).二者差值ΔV給出的表觀帶隙取值(eΔV).

圖4 三 維TIBB 模型給出的InGaAs 表面處 帶邊電勢能隨所加樣品偏壓的變化關(guān)系,不同顏色的實(shí)線對(duì)應(yīng)于不同DOSS,對(duì)應(yīng)箭頭所指為該態(tài)密度下計(jì)算得到的表觀帶隙,優(yōu)化的DOSS 對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如紅色實(shí)線所示Fig.4.Variation of surface potential of InGaAs with the sample voltage calculated by the 3D TIBB model.The solid lines of different colors correspond to different DOSS,and the corresponding arrows indicate the calculated apparent tunneling gaps at the DOSS.The optimized calculation result is shown by the red line.

表1 給出了隧道譜實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果以及不同DOSS 情況下(包括不考慮表面態(tài)貢獻(xiàn))的TIBB模型對(duì)I-V譜特征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果.可看到表面態(tài)參數(shù)的選取對(duì)于表觀帶隙大小,尤其是I-V譜零電流平臺(tái)對(duì)應(yīng)的電壓起、止位置(即針尖費(fèi)米能級(jí)對(duì)準(zhǔn)價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的隧穿的能量位置)有著靈敏的影響.當(dāng)不計(jì)入表面態(tài)貢獻(xiàn)時(shí)上述參數(shù)分別為–0.89 V和0.36 V,與實(shí)驗(yàn)測量明顯不一致.

表1 InGaAs 隧道譜 特征參 量的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù) 與TIBB 模型計(jì)算的對(duì)比Table 1.Comparison of experimental data and TIBB model calculations on the characteristic parameters of InGaAs tunneling spectra.

注意到Feenstra[11,12]在TIBB 模型中引入過DOSS 這一唯像參量修正.模型中該修正對(duì)于能量位于禁帶中的表面態(tài)分布采取如下簡化處理,即中性能級(jí)位于禁帶中央,禁帶中的施主和受主能態(tài)分別在中性能級(jí)上下均勻分布.而DOSS 大小的取值目前文獻(xiàn)中一般在1011—1013(cm2·eV)–1量級(jí)[25].為了考察DOSS 取值對(duì)I-V譜的影響,選取1.0×1011—1.0×1013(cm2·eV)–1態(tài)密度范圍內(nèi)幾組典型取值進(jìn)行計(jì)算.各組取值下的電勢能變化如圖4所示.如前所述,每組的價(jià)帶和導(dǎo)帶帶邊與針尖費(fèi)米能量(黑色虛線)交點(diǎn)間的電壓間隔預(yù)言了相應(yīng)DOSS 下I-V譜的零電流平臺(tái)寬度(STS 表觀帶隙),如圖4 中不同顏色水平箭號(hào)線所指示,具體數(shù)值見表1.為了與實(shí)驗(yàn)比較,圖中實(shí)驗(yàn)測量給出的表觀帶隙用黑色水平箭頭標(biāo)明.

如圖4 上方所標(biāo)示,當(dāng)DOSS 取為2.0×1012(cm2·eV)–1時(shí)所給出的計(jì)算結(jié)果(紅色線)與實(shí)驗(yàn)最為一致:此時(shí)不僅表觀帶隙值最接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而且對(duì)零電流平臺(tái)起、止能量位置的預(yù)測也與實(shí)驗(yàn)吻合最好.另外,通過比較不同DOSS 下的計(jì)算結(jié)果,觀察到DOSS 增大時(shí)表觀帶隙展寬效應(yīng)變小并趨近材料帶隙.例如當(dāng)取較高DOSS (1.0×1013(cm2·eV)–1)時(shí),表觀帶隙值為0.90 eV 已經(jīng)很接近材料帶隙值(室溫0.74 eV).

事實(shí)上,對(duì)上述模型結(jié)果的更充分的驗(yàn)證還可以通過與InGaAs 的I-V譜的理論計(jì)算結(jié)果比較來獲得[11,12].圖2(c)的實(shí)驗(yàn)測量譜線與計(jì)算譜線放到一起的比對(duì)如圖5(a)所示.其中,紅色虛線為計(jì)算結(jié)果.圖5(b)則是測量譜線(黑線)與計(jì)算譜線在更寬測量范圍即(–1.6 V,1.6 V)區(qū)間的比對(duì).可以看到,無論從圖5(a)所展示的細(xì)節(jié)特征還是圖5(b)對(duì)整條譜線的線形趨勢特征的預(yù)言,計(jì)算結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)吻合得很好.

圖5 (a) InGaAs 的I-V 譜的計(jì)算(紅色虛線)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)譜線(黑色實(shí)線)的對(duì)比;(b) 圖(a)譜線在整個(gè)(–1.6 V,1.6 V)電壓范圍對(duì)計(jì)算/實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果的呈現(xiàn)Fig.5.(a) Comparison of the I-V spectra between the calculated (red dashed line) and experimental (black solid line);(b) comparison of the spectra within the whole voltage range of (–1.6 V,1.6 V).

分析認(rèn)為,以圖5 中特定的I-V譜線進(jìn)行的討論說明是代表性的.結(jié)合圖2(e)的測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,I-V譜線的零電流平臺(tái)寬度及其電壓起止位置等參數(shù)對(duì)于來自表面不同位置的測量譜線會(huì)略有差異,但是采用同樣方法對(duì)其他譜線進(jìn)行測試計(jì)算,發(fā)現(xiàn)只要適當(dāng)調(diào)節(jié)DOSS 取值,可以獲得對(duì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜線較滿意的擬合結(jié)果.其道理也不難解釋,因?yàn)镾TS 給出的是局域電子態(tài)信息,不同位置的I-V線形難免也存在局域性的表面態(tài)的調(diào)控,I-V譜線形特征自然也攜帶著具有空間局域特征的表面態(tài)信息.作為進(jìn)一步的說明,在圖6(a)—(d)中又給出了InGaAs 解理面上另外4 組測量譜線(黑色)與計(jì)算(紅色虛線)放到一起比對(duì)的結(jié)果,可以看到二者的吻合均令人滿意.

圖6 (a)—(d) InGaAs 的四組I-V 譜實(shí)驗(yàn)譜線(黑色實(shí)線)與模型計(jì)算(紅色虛線)的比對(duì),各圖中分別注明了計(jì)算時(shí)采用的表面態(tài)密度(DOSS)數(shù)值Fig.6.(a)–(d) Comparison of four groups of experimental I-V spectra (black solid lines) with the corresponding calculated I-V spectra (red dashed line).The DOSS for each curve is indicated,respectively.

4 結(jié)論

掃描隧道譜的定量解釋至今仍是一個(gè)較為復(fù)雜且研究并不充分的領(lǐng)域.本工作基于現(xiàn)有TIBB理論框架計(jì)算分析了InGaAs(110)面的STS 測量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)了DOSS 參量同STS 譜線線形有著密切關(guān)聯(lián).理論模擬與實(shí)驗(yàn)比對(duì)表明,DOSS 作為TIBB模型中的唯像參量對(duì)I-V譜上零電流平臺(tái)起止電壓位置有著顯著的影響.在TIBB 模型中該參量的恰當(dāng)選取不僅可較準(zhǔn)確地解釋I-V譜的零電流平臺(tái)寬度、平臺(tái)能量起始和終止能量位置等譜線特征量,而且在相當(dāng)寬的能量范圍內(nèi)計(jì)算給出的I-V譜線能非常滿意的與實(shí)驗(yàn)測量吻合.本文雖然針對(duì)的是InGaAs 這一具體材料的STS 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,但是所展示的分析方法對(duì)于半導(dǎo)體表面或界面的STS 數(shù)據(jù)分析卻具有普遍參考意義.