InAs(001)吸附表面的不可逆重構相變研究
對吸附了大量As的InAs(001)樣品進(jìn)行升降溫熱處理，發(fā)現在485e時(shí)表面有從(3×1)重構到(2×4)重構的不可逆轉變現象。利用掃描隧道顯微鏡對(3×1)重構表面分析，結果表明大量常溫吸附的As從表面脫附使InAs(001)(2×4)重構表面最頂層的Asdimer也一起脫離表面，(3×1)重構表面實(shí)際上是由20%的富As(2×4)重構區域與80%的富In(4×2)重構區域組成。不可逆相變是由于A(yíng)s束流提供的As4原子團吸附到富In區域，使樣品表面恢復到(2×4)重構相，而(2×4)重構相能在390~490℃溫度范圍內穩定存在。
半導體材料作為第二代半導體材料，由于其高電子遷移率、直接帶隙的性質(zhì)，經(jīng)常被用來(lái)制作高速器件和光電子器件。隨著(zhù)對器件小型化以及器件性能要求的不斷提高，相應的對制作器件的材料的表面有了更高的要求。因此，長(cháng)期以來(lái)Ó-Õ半導體材料的表面形貌與表面重構的研究一直受到國內外的重視。GaAs作為Ó-Õ半導體材料最典型的代表，當然是研究的熱點(diǎn)，研究人員對GaAs(001)表面重構相已經(jīng)作了深入的研究與探索，特別是對富As的GaAs(001)表面的C(4×4)與B2(2×4)的高分辨表征的出現，二者的重構模型的爭議已經(jīng)基本消除。然而，對InAs(001)表面重構的研究報道并不多見(jiàn)，并且InAs(001)與GaAs(001)表面重構相以及重構相之間的轉變存在著(zhù)許多異。例如:InAs表面存在A(yíng)2(2×4)，而GaAs不存在;InAs從As終止的(2×4)表面轉變?yōu)殂熃K止的(4×2)表面是快速的并且伴隨滯回現象，而GaAs從B2(2×4)表面轉變到(4×2)表面是漸變的，中間有一個(gè)過(guò)渡的(3×1)重構相。最近，關(guān)于富銦的InAs(001)表面的高分辨表征也見(jiàn)報道。
本文利用反射式高能電子衍射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED)對InAs(001)吸附表面進(jìn)行觀(guān)測，發(fā)現表面(3×1)與(2×4)重構之間存在不可逆的相變過(guò)程。利用掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM)對表面進(jìn)行分析，表明此相變現象與表面所吸附的As原子團的脫附過(guò)程相關(guān)。
1、實(shí)驗
本實(shí)驗在Omicron超高真空(極限真空可達5.32×10-9 Pa)的分子束外延(MolecularBeamEp-itaxy，MBE)設備中進(jìn)行，襯底為AXT可直接外延InAs(001)外延片。通過(guò)MBE方法制備好表面原子級平坦的InAs(001)樣品，將樣品置于常溫下真空度約為2.66×10-9 Pa的MBE真空室中24h。對樣品緩慢升溫(10e/min)至400℃，并在樣品溫度到達400℃時(shí)逐步開(kāi)啟As束流(達到6162×10-4 Pa并保持不變)保護樣品表面，然后繼續緩慢升溫(每次升溫5~10℃，升溫后停留5min)至500℃，最后緩慢降溫至室溫，整個(gè)過(guò)程均使用RHEED實(shí)時(shí)監測并記錄。通過(guò)以上途徑選擇在升溫到475℃，得到穩定的(3×1)重構后淬火至室溫，并將樣品傳送至與MBE生長(cháng)室相接的超高真空STM掃描室進(jìn)行分析。
2、結果與討論
2.1、RHEED分析表面相變過(guò)程
放置于真空室中的樣品為生長(cháng)退火處理完成后，淬火至室溫的InAs(001)樣品，放置的時(shí)間從淬火到室溫開(kāi)始計算。放置之前的樣品表面通過(guò)RHEED與STM的表征，其結果說(shuō)明樣品的表面原子級平坦且為非常清潔的表面。如圖1所示，(a)RHEED衍射圖清晰地顯示表面呈(2×4)重構，(b)為表面1000nm×1000nm的STM掃描圖，單層臺階寬度超過(guò)200nm，(c)為表面50nm×50nm的STM掃描圖，可以分辨出二聚體排(Dimerrow)沿著(zhù)[110]晶向，表面被B2(2×4)與A2(2×4)重構占據，表面有一些非周期性的占據溝道和Dimerrow頂部的缺陷存在(STM圖中的亮點(diǎn)結構)，這些缺陷由退火溫度與As束流量大小決定，并不是淬火過(guò)程和傳送過(guò)程中吸附到表面的原子造成的。
圖1 InAs表面(a)RHEED衍射圖，(b)1000nm×1000nm的填充態(tài)STM掃描圖，(c)50nm×50nm的填充態(tài)STM掃描圖
3、結論
在升溫過(guò)程中，大量在常溫下吸附的As原子團的脫附，使InAs(001)(2×4)重構表面最頂層的As原子也隨著(zhù)脫附，類(lèi)似最頂層的原子被/有粘性0的As原子團/粘附0而一起脫附，并且最頂層As脫附后的表面能維持穩定的(3×1)重構，直到溫度升高到485℃才開(kāi)始不可逆的相變。這種現象在GaAs(001)(2×4)重構表面并未發(fā)現，說(shuō)明InAs(001)表面最頂層的Asdimer與其下層的In原子結合能弱于GaAs。InAs(001)富金屬表面除了能在高溫低As壓條件下使最頂層As原子脫附而得到外，在較低溫條件下，通過(guò)脫附常溫下吸附的As也能得到80%表面為富金屬區域的(3×1)重構表面。
