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(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息學(xué)院，貴州 貴陽 550004)

III/V族半導(dǎo)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(lǐng)域受到廣泛的研究。為了不斷提高半導(dǎo)體材料光電子器件的性能，深入地掌握薄膜的生長機(jī)理和更好地控制其生長工藝，成為當(dāng)前研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。InGaAs作為一種重要的化合物半導(dǎo)體材料，因其具有高遷移率，高吸收系數(shù)等特點(diǎn)，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(dǎo)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(nèi)外對InGaAs/GaAs薄膜的研究主要集中于自組裝量子點(diǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測，對GaAs(001)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)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(gòu)，其中c(4×4)和β2(2×4)重構(gòu)是GaAs(001) 表面外延生長過程中，出現(xiàn)頻率最高的兩種重構(gòu)[10]。GaAs表面重構(gòu)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(shù)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(jìn)行表征與分析，并以外延生長15 ML的In0.15Ga0.85As薄膜為實(shí)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(yīng)變能的相對大小有關(guān)，襯底表面能越大，薄膜應(yīng)變能越小，薄膜越趨向于層狀生長，其表面形貌越平整。

1　實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)是在超高真空(5～8×10-11Torr)的 MBE-STM聯(lián)合系統(tǒng)里進(jìn)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(hù)下將襯底溫度升到580 ℃后，進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)間15 min。樣品生長完成后將其進(jìn)行STM表征與分析。

2　結(jié)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(shí)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(gòu)的GaAs表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕禍?，?(2×4)重構(gòu)表面會形成c(4×4)重構(gòu)[9]，通過RHEED實(shí)時(shí)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(gòu)，而GaAs(001) (b)、(c)表面僅有c(4×4) 重構(gòu)[5]?？梢钥闯鯣aAs(001)表面由c(4×4)重構(gòu)形成2D島，其尺寸大小和空間分布都具有隨機(jī)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(shí)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(yù)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(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)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(yīng)的β2(2×4)和c(4×4)重構(gòu)球棍模型[14]，GaAs(001)表面由c(4×4)重構(gòu)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(gòu)表面之間的高度差) 約為0.15 nm，坑的深度(β2(2×4)重構(gòu)的高度)約為0.28 nm，相當(dāng)于一個(gè)ML。一般可以簡單地認(rèn)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(biāo)志，GaAs(001)表面無重構(gòu)時(shí)其表面能[15]為1.06 J/m2，當(dāng)GaAs表面呈現(xiàn)出β2(2×4)和c(4×4)重構(gòu)時(shí)其表面能[16-17]分別為0.34 J/m2、0.68 J/m2，雖然重構(gòu)在一定程度上可以減少GaAs襯底的表面能，但重構(gòu)與重構(gòu)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(cè)面組成，凸出部分為2D島，凹處為坑。假設(shè)圖3(a)中的島和坑由不同長方體堆疊形成，則島和坑的側(cè)面積可以通過式(1)進(jìn)行近似計(jì)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(biāo)符號i表示不同大小的島和坑。當(dāng)li?hi，di?hi時(shí)，可將GaAs襯底表面視為平坦?fàn)顟B(tài)，如圖3(b)所示。具有圖3中(a)結(jié)構(gòu)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(cè)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(guān)。

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(jìn)行生長時(shí)，薄膜表面較平整，而當(dāng)薄膜出現(xiàn)島狀生長時(shí)，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(dāng)Ef+E*≤Es時(shí)，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(guān)，可簡化為薄膜生長時(shí)所具有的應(yīng)變能Eε。對于同質(zhì)外延Ef≈Es，E*=0，如圖4(a)所示；而對于異質(zhì)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(dāng)E*足夠小且Ef≤Es時(shí)，異質(zhì)外延薄膜才有可能以層狀模式進(jìn)行生長，否則，薄膜很容易進(jìn)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(jìn)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(yīng)變能Eε≈E*，薄膜同樣以層狀模式進(jìn)行生長，如圖4(c)所示。

圖4　薄膜生長截面示意圖

T=300 K時(shí)，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(shí)，薄膜在橫向上受到壓應(yīng)力，縱向上即生長方向上受到張應(yīng)力。由于GaAs襯底的厚度遠(yuǎn)大于生長薄膜的厚度，當(dāng)忽略襯底的應(yīng)變，只考慮薄膜所積累的應(yīng)變大小時(shí)，在單位面積內(nèi)薄膜的應(yīng)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(jì)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(jì)算出面積為100 nm×100 nm的In0.15Ga0.85As薄膜應(yīng)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(cè)面表面能作為GaAs表面能的增加量ΔEs，通過SPIP測量統(tǒng)計(jì)，并利用式(1)，得出圖2(a)中島和坑形成的總側(cè)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(cè)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(jié)束語

利用MBE技術(shù)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(jìn)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(gòu)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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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