Ga液滴沉积量对GaAs/GaAs(001)同心量子双环形貌的影响

李志宏，汤佳伟，郭 祥，王 一，罗子江，马明明，黄延彬，张振东，丁 召,4

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院,贵阳 550025;2.贵州财经大学信息学院,贵阳 550025;3.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心,贵阳 550025;4.贵州省微纳电子与软件技术重点实验室,贵阳 550025)

1 引 言

半导体纳米结构，如量子点(Quantum Dots，QDs)、量子环(Quantum Rings,QRs)等，因其独特的光电性质，特别是量子环的量子相干性影响Aharonov-Bohm 和Aharonov- Casher 效应备受科研人员的青睐[1-7].光学Aharonov-Bohm 效应已经被预测并发现，有很大的潜力应用于量子信息的处理[8,9].制备这些纳米结构的方法也不断革新.在很长一段时间里，基于晶格失配的应变方法是制备低维半导体结构的唯一途径[10].Chikyow 和Koguchi 建立液滴外延(Droplet Epitaxy,DE)以后[11]，液滴外延方法逐渐发展成为制备半导体纳米结构的主要方法.研究者们使用该方法制备了各种各样的半导体纳米结构，例如，耦合量子点[12](coupled QDs)、单量子环[13](single QRs)、同心量子双环[14](CQDRs)等.

理论研究表明[15]，影响CQDRs的形貌主要有两个因素：温度和As束流，然而关于Ga液滴的沉积量对CQDRs的影响鲜有报道.本文使用液滴外延法在GaAs(001)衬底上生长GaAs同心量子双环，研究Ga液滴沉积量对CQDRs密度、内外环高度、内外环半径，以及中心孔洞的影响，进而深入理解CQDRs的形成过程.

2 实 验

在本实验中，所有样品制备均在Omicron公司制造的超高真空分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)系统中完成.衬底采用可直接外延的n+ GaAs(001)单晶片，掺硫(S)杂质浓度为1.0×1017～3.0×1018cm-3.在实验之前，用束流检测器(Beam Flux Monitor，BFM)对不同温度下各Ga，As源的等效束流压强进行校准.衬底在540 ℃完成脱氧后将衬底温度降至到525 ℃，以0.25 ML/s(Monolayer/second，ML/s)的生长速率同质外延126 nm的GaAs缓冲层.接下来，在该缓冲层上进行同心量子双环的生长.同心量子双环生长的第一步，衬底温度降至420 ℃，在零As压下分别沉积10 ML、20 ML、30 ML的Ga液滴；第二步，衬底温度由420 ℃降至340 ℃，在As等效束流压强为8.8×10-4Pa的条件下晶化20 s；第三步，衬底温度由340 ℃升至400 ℃，在同样的As等效束流压强下晶化10分钟.最后，完成以上生长后的样品在零As压下淬火至室温后取出，送往原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)观察其表面形貌.

3 结果与讨论

图1所示为三组样品的2 μm × 2 μm AFM二维形貌图像(a1-c1)、形貌图像中虚线框所圈同心量子双环的三维形貌(a2-c2)、二维形貌图中虚线框所选同心量子环[1-10]和[110]方向的线度分析(a3-c3).从图1所示的三幅同心量子环的线度分析(a3、b3、c3)中可以看出：同心量子环在[1-10]方向呈U型，而[110]方向则为V型，且[1-10]方向高度相对较高，呈现出各向异性，[110]方向的扩散比较明显.这种各向异性可以归结为Ga原子在GaAs(001)表面扩散系数各向异性.统计图1中所示的(a1、b1、c1)同心量子双环密度发现，当沉积量从10ML增加到30ML时，同心量子双环的密度从Ga沉积量为10ML时的6×108cm-2略微降低到Ga沉积量为30ML时的4.5×108cm-2.这一结果可从Ga液滴的形成过程得以解释：随着沉积量的增加，Ga液滴会通过相互汇聚形成较大的Ga液滴以降低其表面能而达到稳定[16]，从而使得同心量子双环的密度略微降低.

由于[110]方向的扩散比较明显，为进一步研究Ga液滴沉积量对同心量子双环的影响，我们统计了三组实验样品的[110]方向的内环半径RInner，内环高度HInner，外环半径ROuter，外环高度HOuter,中心孔洞深度dHole，相关测量示意图如图2所示.在测量内、外环半径时，考虑到测量结果的准确性，直接测量量为内、外环的直径DInner和DOuter，RInner=DInner/2，ROuter=DOuter/2.内、外环高度和中心孔深度均为绝对高度，参考平面选取为CQDRs的平坦面.统计结果如表1所示.

从表1可看出，中心孔洞随着沉积量的增加逐渐变深.这是因为Ga液滴的初始大小会随着沉积量的增加而变大，参与刻蚀衬底过程的Ga原子数目增多，因而孔逐渐变深[17].内环的高度随着沉积量的增加而增高，且增幅在变大，外环高度的变化趋势则与内环相反.这是因为随着沉积量的增加，初始Ga液滴内包含的Ga原子数目会更多，所形成的初始Ga液滴的高度也会相对较高，因而内环高度会逐渐变高，外环逐渐变低.内环增幅变大的原因将在探讨量子双环形成过程时做进一步的解释.

图1 不同Ga液滴沉积量的CQDRs形貌图.(a1):10ML;(b1):20ML;(c1):30ML.(a2-c2)：形貌图中虚线框所圈放大的CQDRs三维AFM图像.(a3-c3):同心量子环[1-10]和[110]方向的高度对比图.Fig.1 Morphologies of CQDRs formed at different Ga depositions.10ML (a1),20ML (b1),30ML (c1),respectively.The leftmost panel shows 2 μm× 2 μm AFM images(a1-c1).The next panel shows magnified three-dimensional (3D) AFM images of CQDRs marked by dashed-line squares(a2-c2).Height comparison charts of CQDRs along the [110] and [1-10] directions are shown in the next panels(a3-c3).

图2 各测量参量测量示意图Fig.2 Schematic diagram of measurement parameters

为更深入研究Ga液滴沉积量对CQDRs的内环半径RInner和外环半径ROuter的影响，通过拟合得到了如图3所示的内环半径和外环半径的拟合曲线.内环半径RInner的拟合曲线表达式为：

表1 样品测量数据Table 1 Sample measurement data

(1)

其中Rmax1=132.07，A1=140.42，x表示Ga液滴沉积量，t1=15.即是：

(2)

Rmax1为一常数，表示在第一次晶化条件下Ga液滴在[110]方向能扩散的最大距离，A1是决定于第一次晶化条件的常数，t1为第一次晶化过程时，在Ga原子充足的条件下可晶化形成的Ga-As单层数目，相当于在Ga液滴边缘形成了15ML(或高度为4.2 nm)的Ga-As阻挡层，正是由于该系数的存在阻碍或迟滞了Ga原子的扩散.令RInner=0可解出x=0.92，表征Ga液滴沉积量为0.92ML时，不可能形成量子环.这是因为GaAs表面为富As表面，沉积的Ga液滴至少会被消耗1ML后方可形成Ga液滴，进而形成第一个量子环.

外环半径ROuter的拟合曲线表达式为：

(3)

其中，Rmax2=202.02，A1=140.42,t1=15,A2=87.29,t2=14，x表示Ga液滴沉积量：

(4)

类似地，Rmax2为第二次晶化后Ga液滴扩散的最大距离，A1和t1已经在内环半径的拟合曲线的参数解释中作详细解释.类比t1的物理意义，t2为第二次晶化过程中外环最多可晶化形成的Ga-As单层数目，其高度为3.92 nm.

(4)式可变形为：

(5)

图3 内环半径RInner(a)、外环半径ROuter(b)拟合曲线图Fig.3 Fitting curves of the radii of inner ring RInner(a) and outer ring ROuter(b)

图4 (a)Ga液滴沉积量为15ML时的CQDRs AFM形貌图像;(b)CQDRs的[110]和[1-10]方向线度分析.Fig.4 (a)AFM image of CQDRs when the Ga droplet deposition amount is 15ML.(b) Height analysis chart along [110] and [1-10] directions of CQDRs.

通过前述的分析与讨论，为直观地理解CQDRs形成过程，本文绘制了如图5所示的CQDRs形成过程.图5(a)为Ga液滴的形成过程，在该过程中Ga原子会通过扩散汇聚成较大的类似半椭球体形状的Ga液滴以减少表面能而达到稳定状态.图5(b)为第一次晶化过程，在浓度梯度和温度的共同驱动下，Ga原子向外扩散，在As氛围中，As原子会优先在Ga液滴边缘处和As原子结合而快速晶化形成一定高度的Ga-As单层.由于形成的Ga-As单层有一定高度，且晶化时间有限，这会阻碍部分Ga原子的进一步向外扩散.同时，由于Ga液滴和衬底的浸润区域为富Ga区域，在提供As束流的条件下，在Ga液滴中央会发生衬底表面的Ga-As键的断裂，也即是液滴的刻蚀过程.图5(c)为第二次晶化过程，部分Ga原子继续扩散，在As束流的晶化作用下，形成了外环，Ga液滴的刻蚀过程继续进行.前述有提到过内环的高度的增幅在增加，这是因为液滴刻蚀过程的断裂后的Ga、As原子会向外扩散形成Ga-As键，使得内环的高度不断增加，且随着Ga液滴沉积量的增加，增幅变大.

图5 CQDRs形成过程示意图:(a)Ga液滴形成过程(b)第一次晶化过程；(c)第二次晶化过程.Fig.5 Schematic diagrams of CQDRs formation process.(a) The formation process of Ga droplet.(b) First crystallization process.(c) Second crystallization process.

4 结 论

本文通过液滴外延的方法在GaAs(001)衬底上制备CQDRs，并研究Ga液滴沉积量对CQDRs的影响.研究结果发现：随着沉积量的增加，CQDRs的密度降低，内环高度增高，外环高度降低，中心孔洞深度增加.CQDRs的内环拟合结果表明，Ga液滴沉积量少于0.92ML时无法成环；外环拟合结果显示，在本实验条件下，形成外环的Ga液滴最小沉积量为3.1ML.内、外环拟合结果与沉积量为15ML的实验组一致，相关研究结果对液滴外延法制备GaAs同心量子双环具有重要意义.