GaAs(001)薄膜的表面形貌相变和表面重构*

刘雪飞，吕 兵，罗子江，王继红，郭 祥，杨秀璋

(1. 贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵阳 550025； 2. 贵州财经大学 信息学院，贵阳 550025；3. 贵州大学 大数据与信息工程学院，贵阳 550025)

0 引 言

随着半导体材料生长技术的不断进步，具有优异光电性能的GaAs已经成为最重要的光电子和电子器件的基础材料之一。到目前为止，对于GaAs的应用研究主要集中在太阳能电池[1-2]、量子点激光器[3]、微波单片集成电路[4]、异质结双极型晶体管[5]以及超晶格[6]等器件研究。GaAs的高迁移率与其表面重构和表面形貌都有着密切的联系，因此有关GaAs的表面形貌[7-9]、表面结构[10-11]、表面重构[12-13]也吸引研究者们的研究兴趣，研究者在实验和理论上对GaAs的各种表面物理性质进行了细致的研究，并取得了一系列有价值的研究成果。众所周知，2016年度诺贝尔物理学奖颁发给F.D.Haldane、D.J.Thouless和M.Kosterlitz三位科学家，以表彰他们在拓扑相变理论上的杰出成就，其中D.J.Thouless和M.Kosterlitz的最主要论述在于提出KT相变理论[14]，他们科学合理地预测了物相的有序相和无序相之间的转变过程。M. den Nijs、P. B. Weichman先后在理论上预测晶体表面形貌的相变过程(有序平坦相(Ordered Flat, OF)→无序平坦相(Disordered Flat, DOF)→粗糙相(Rough))满足KT相变理论[15-16]；Z. Ding等在实验上证实了这一预测[17-18]，他们发现在较低的As等效束流压强下(As Beam Equivalent Pressure, As BEP)，随着退火时间的延长GaAs(001)表面从有序平坦状态首先转变为无序平坦，然后才从无序平坦转为粗糙，同时把这种无序平坦状态定义为预粗糙相。Q-K.Xue[19]等利用低温扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)对于GaAs(001)表面的几种常见表面重构形式、原子排列方式都进行深入研究，他们认为GaAs(001)表面具有不同As原子与Ga原子作为终结面的重构形式。V.P.LaBella[20]等利用STM深入研究了GaAs(001)表面在富As状态时候的重构状况，发现随着温度升高GaAs(001)表面由C(4×4)重构相向(2×4)重构相最后到(2×1)重构相为主的状态转变。在我们研究团队前期研究工作中，对GaAs(001)表面形貌相变以及表面重构进行了细致的研究[21-26]，研究发现当GaAs(001)表面逐渐完成粗糙化以及预粗糙化后，反射式高能电子衍射仪(Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED)的衍射花样也逐渐发生急剧变化，这样的变化预示着在GaAs(001)表面发生粗糙化和预粗糙化的相变过程中，很可能其表面重构也随之发生了巨变。带着这一猜测，本文对这一奇特现象进行深入研究，通过带有RHEED在线实时监控的分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)同质外延生长GaAs(001)薄膜，利用不同尺度STM扫描分析和探讨GaAs(001)表面在发生形貌相变过程中表面重构的变化规律，研究结果表明GaAs(001)的表面形貌相变与表面重构之间确定存在非常密切的促进关系，即表面重构是表面形貌发生相变过程的微观内在原因，而表面形貌相变是表面重构发生变化的宏观外在体现。

1 实 验

整个实验在超高真空(4×10-8～8×10-8Pa)的MBE/STM联合系统中完成，所有样品采用可直接外延的GaAs(001)单晶衬底在MBE中完成高温脱氧后同质外延生长GaAs(001)薄膜，相关的实验详尽叙述已发表于前期论文中[27-28]。本论文的主要实验以原子级平坦的GaAs(001)-β2(2×4)表面作为研究起点，改变样品的退火条件(退火温度、退火As BEP和退火时间等)促使GaAs(001)表面发生形貌相变，实时记录发生形貌相变过程中的RHEED衍射图像演变；之后将已发生表面形貌相变的样品经淬火至常温后送入真空连接的STM中进行不同尺寸的扫描成像，获得样品的表面形貌和表面重构的实空间图像，其中大尺寸扫描图片获得样品的表面形貌状态，高精度图片获得样品的表面重构信息。

2 结果与讨论

2.1 GaAs(001)表面形貌相变过程

图1 GaAs(001)表面形貌相变过程，扫描尺寸1 μm×1 μmFig 1 Evolution of GaAs(001) surface morphology with scanning scale of 1 μm×1 μm

2.2 GaAs(001)表面形貌相变时的RHEED演化

图2 GaAs(001) 薄膜在不同重构状态下方向的RHEED衍射花样演化过程， C(4×4)重构(a)， (2×4)重构(b)，(2×6)重构(c)，(6×6)和(4×2)混合重构(d)Fig 2 Evolution of RHEED patterns at direction under different reconstruction on GaAs(001) surface: C(4×4) (a), (2×4) (b), (2×6) (c), mixed reconstruction of (6×6) and (4×2) (d) respectively

图2(c)和图2(d)分别是样品表面形貌处于预粗糙相(图1d)和粗糙相(图1e)时的RHEED衍射图像。在这两幅图像中，整个背景图像明显较图2(a)和(b)明亮起来，RHEED衍射的第二衍射环甚至第三、第四衍射环也清晰可见；多重RHEED衍射环表明RHEED入射电子受到晶体经过表面多层原子的衍射成像，同时表明样品表面粗糙度较图2(a)和(b)有所提高；图2(c)和(d)这两幅图像的区别在于，结合衍射斑点的强弱周期对比再辅助[110]和[100]两个方向的衍射图像，图2(c)中还能够大致判断的样品处于(2×6)表面重构[24]；由于图2(D)中背景更亮、多重衍射环更多，很难仅仅通过RHEED衍射图像来判断其表面重构，同时也表明样品表面更接近于粗糙相，大尺寸的STM扫描图片(图1e)证实了这一点，小尺寸STM扫描图片直接证明此时样品表面是由两种不同的表面重构构成。处于图1(b)状态的RHEED衍射图像与图2(b)差异很小，本文未给出。

2.3 GaAs(001)表面形貌相变时的表面重构演化

由于在完成GaAs(001)表面形貌相变的过程(图1)中，发现其RHEED衍射图像也同时发生了对应演化(图2)，为了证实样品表面重构是否也随之发生演化，实验中对图1中各图进行20 nm×20 nm的高精度扫描。从图3(a～f)显示表面重构从C(4×4)→γ(2×4)→β2(2×4)→(2×6)→(6×6)→(4×2)的演化过程，As覆盖率也从1.75ML逐渐减少过渡到0.5ML，当表面重构演化为(4×2)重构时表面进入以Ga原子为终结面的富Ga状态。

图3 GaAs(001)表面重构演变过程Fig 3 Evolution of GaAs(001) surface reconstruction

3 结 论

从原子级平坦的GaAs(001)-β2(2×4)重构表面出发，改变退火条件和退火时间促使GaAs(001)表面发生形貌相变，通过RHEED衍射演变初步判定表面形貌和表面重构的演变历程，利用STM扫描获得不同尺度GaAs(001)表面的实空间图像，大尺寸的STM扫描获得GaAs(001)表面形貌相变数据，结合RHEED衍射图像和高精度STM扫描获取其表面重构信息。研究发现每一次表面形貌的相变都会在RHEED衍射图像上得到验证，同时也带来表面重构上的变化，我们认为表面重构的变化(c(4×4)→γ(2×4)→β2(2×4)→(2×6)→(6×6)→(4×2))才是促使表面形貌发生相变(OF→DOF→Rough)的主要动力；退火条件的变化使得GaAs(001)表面重构发生变化，从而进一步促进GaAs(001)表面形貌的相变过程；当GaAs(001)表面形貌是由单一表面重构(C(4×4)重构或β2(2×4)重构)组成时，表面形貌将处于原子级平坦相；表面形貌的预粗糙相是由于其表面重构不再单一，两种同类型或者重构原胞差异很小的表面重构交织混合(C(4×4)与β2(2×4)混合重构，(2×6)与(6×6) 混合重构)形成GaAs(001)表面形貌的预粗糙相；当GaAs(001)表面由两种完全不同类型的表面重构交错形成时，即以As原子为终结面(6×6)重构和以Ga原子终结面(4×2)重构非等量混合促使GaAs(001)表面进入了粗糙状态。研究结果表明GaAs(001)表面重构是表面形貌发生相变过程的微观内在原因，而GaAs(001)表面形貌相变是表面重构发生变化的宏观外在体现。