周 勋，罗子江2，王继红，郭 祥，丁 召

(1. 贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵阳 550001；

2. 贵州财经大学 信息学院，贵阳 550004； 3. 贵州大学 理学院，贵阳 550025)



GaAs(001)-(2×6)重构下的表面形貌及其重构原胞*

周 勋1，罗子江2，王继红3，郭 祥3，丁 召3

(1. 贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵阳 550001；

2. 贵州财经大学 信息学院，贵阳 550004； 3. 贵州大学 理学院，贵阳 550025)

采用RHEED与STM技术对GaAs(001)-(2×6)表面重构下的表面形貌进行研究，研究发现GaAs(001)-(2×6)重构表面是GaAs(001)-β2(2×4)重构表面经530 ℃，1.33 μPa As BEP退火获得，在(2×6)重构下的GaAs(001)表面形貌已经进入表面存在系列单层岛和坑覆盖的无序平坦状态。为了进一步确定(2×6)重构的原胞结构，采用球棍模型对其原胞结构进行模拟，提出新的As表面覆盖率计算方法、结合STM图片分析对球棍模型进行验证和筛选，首次在实验上证实(2×6)重构原胞中存在2个As Dimers和2个Ga Dimers，并以此重构原胞结构构建理论下的(2×6)重构表面，获得结果与STM图片高度吻合。

GaAs(001)-(2×6)重构；表面形貌；As覆盖率；重构原胞

0 引 言

随着半导体材料生长技术的不断进步，以GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，已经成为继硅之后的新型化合物半导体材料中最重要、用途最广泛的材料。GaAs的高迁移率与其表面形貌和表面重构密切关联，对其表面形貌和表面重构的研究一直是低维半导体材料研究的重点。GaAs(001)表面存在多种重构，从富As的C(4×4)、β2(2×4)、γ(2×4)到富Ga的(2×6)/(4×6)、(6×6)以及(4×2)/C(8×2)重构，它们与外界条件存在极高的关联性，不同的实验条件下将呈现不同的表面重构。过去几十年，研究者们对于这些表面重构进行了研究，尤其是C(4×4)、(2×4)以及(4×2)/C(8×2)重构，而对(n×6)重构的研究较少。A.Y.Cho[1]在研究GaAs(001)反射高能电子衍射仪衍射花样时首次发现了6×结构，其它研究者[2-4]发现GaAs(001)-(1×6)以及(2×6)/(4×6)表面通常是利用氩离子轰击GaAs表面，或通过零As气氛下冷却富Ga状态GaAs(001)-(4×2)表面获得[5]，也能够利用加热GaAs(001)-C(4×4)或(2×4)表面经历(3×1)重构后获得[6-7]。GaAs(001)-(1×6)以及(2×6)/(4×6)重构原胞中原子如何排列仍然存在较大争议[4-7]，与此同时，对于处于该重构状态下的表面形貌状况仍未见相关报道。本文采用扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)和反射高能电子衍射仪(reflection high energy electron diffraction, RHEED)共同研究分子束外延方法(molecular beam epitaxy，MBE)生长的GaAs(001)表面处于(2×6)重构形式下表面形貌，提出新的As表面覆盖率计算方法，结合STM图片准确定义了(2×6)重构时的原胞结构，并以此重构原胞构建了与实验中STM图片符合很好的重构表面。

1 实 验

整个实验过程在超高真空连接的MBE/STM联合系统中完成。采用可直接外延GaAs(001)单晶衬底(Si掺杂浓度为ND=1.49×1018/cm3)，样品在As气氛保护下完成脱氧后，通过MBE同质外延约为500 nm的GaAs缓冲层[8]。生长实验过程中，采用RHEED实时监控GaAs的生长状态和测算生长速率，生长结束后GaAs(001)经原位退火20 min使其表面处于原子级平整状态[9]，改变As等效束流压强(As beam equivalent pressure, As BEP)和退火时间并通过RHEED衍射图像观测到样品逐渐转变为(2×6)重构相后，将样品淬火至室温、RHEED衍射保持处于(2×6)状态下传送至STM扫描成像，获得(2×6)重构、不同尺度下的GaAs表面形貌图片。

2 结果与讨论

2.1 GaAs(001)-(2×6)重构下的表面形貌

实验中，完成GaAs-β2(2×4) 重构下原子级平整的生长退火后，GaAs样品在530 ℃，1.33 μPa As BEP条件下进行退火20 min以后RHEED衍射图像显示的β2(2×4) 重构将逐渐变化；当退火时间延长至30 min时，整个RHEED衍射将完全转变成(2×6)重构状态，如图1(a)-(c)。

图1 GaAs(001)-(2×6)重构时RHEED衍射图像[110]与不同尺寸STM图片

2.2 球棍模型模拟GaAs(001)-(2×6)的重构原胞

在图3(a)-(c)中，其中(a)表示沟道内全部由As dimers构成，在每个(2×6)重构原胞的沟道中含有3个As dimers；图3(b)中每个(2×6)重构原胞的沟道中含有1～2个Ga dimers，沟道全部被Ga dimers占据；除了上述的两种极端情况以外，在沟道中还存在一种可能，即一个As dimers加上一个Ga dimers，这两个dimers排列方向相互垂直，如图3(c)所示。

2.3 As表面覆盖率计算方法

在判断实验获得的STM图像是由哪种重构原胞模型构成时，我们提出一种数原子的方法来计算As覆盖率，它能够准确地计算GaAs，InGaAs等As化合物在不同重构下的As覆盖率。它表示为：如果As化合物的表面重构为(N×M)(除了带对称中心C的重构原胞)，n就是在一个重构原胞中顶层As的数目，一个As dimers记为两个As，一个Ga-As dimers记为一个As，采用Θ表示重构原胞中的As覆盖率，取单位为ML，其表达式就是

(1)

以GaAs(001)-β2(2×4)重构为例，在β2(2×4)重构原胞中(N×M)就是8，原胞中有3个As dimers[13]，n为6，采用式(1)计算获得其As覆盖率为0.75 ML。

图3 GaAs(001)-(2×6)重构的3种球棍模型示意图，每个重构原胞在沟道外沿都有两个As Dimers，在沟道中分别有分别具有3个(a)、0个(b)、1个(c) dimers和0个(a)、2个(b)、1个(c)Ga dimers

Fig 3 Ball-and-stick models proposed for GaAs(001)-(2×6), there are two As dimers out of the trench, and there are three(a), 0(b), one(c) As dimer and 0(a), two(b), one(c) Ga dimers in the trench respectively in a reconstruction unit

同理，α(2×4)与γ(2×4)的As覆盖率分别是0.5和1 ML，这与其它研究人员[1,13]的计算结果完全一致。利用式(1)计算As覆盖率的方法，只需画出相应表面重构的球棍模型，就能够直接获得对应的As覆盖率，方法直观易懂。式(1)的物理意义也很明确，假定一个以完全由Ga终结的还未发生重构的GaAs表面，现拟用As对其进行覆盖并形成(N×M)的重构表面，在重构原胞顶层As下就必有(N×M)个Ga原子，每个Ga原子需要一个As对其进行覆盖，采用重构原胞中As原子n数目除以(N×M)就能够得到As的覆盖率；As覆盖率用ML作为单位，它体现顶层As对于Ga的覆盖能力，当顶层As原子数目等于次层Ga原子数目，其覆盖率就是1 ML，表明在该重构形式下GaAs最表层刚好由一层As原子覆盖。将式(1)推广到其它的As系化合物半导体的重构表面，比如在InGaAs富金属[14-15]的不同(4×3)表面重构原胞中，能够直接算出其As覆盖率分别是0.25和0.5 ML，这与A.Riposan[16]以及Lee.E.Sears[17]关于InGaAs表面处于该重构原胞中的As覆盖率计算结果完全一致，进一步表明利用式(1)能够方便准确的计算As系化合物半导体的重构表面的As覆盖率。

2.4 球棍模型下的(2×6)重构表面分析

采用式(1)对图3(a)-(c)进行计算，As覆盖率分别是0.83，0.33和0.50 ML。在实验中，GaAs(001)-(2×6)重构表面是从β2(2×4)重构表面作为起始表面经过530 ℃、1.33 μPa As BEP退火30 min获得，长时间的低As BEP退火，表面的As原子数目不可能获得提高，其As覆盖率也必然小于β2(2×4)重构(0.75 ML)，故(2×6)重构原胞不会是图3(a)；实验中还发现，在图1的STM图片中还有少部分的β2(2×4)重构区域，说明β2(2×4)重构向(2×6)重构的转变出现了明显的过渡阶段，那么As覆盖率在这两种重构间变化时也必然存在中间过程；在这一渐变的过程中，实验中获得的(2×6)重构原胞更可能是图3(b)，而不是图3(c)；因为在1.33 μPa As BEP条件下β2(2×4)重构向(2×6)重构的转变仅仅是伴随着最顶层非金属As原子的脱附，表面的金属Ga原子不脱离表面，最顶层的金属Ga原子与非金属As原子数目的比值将增大。在530 ℃、低As BEP下，富As-GaAs(001)表面的As原子随着退火的进行逐渐脱离表面，表面重构也随之从富As状态向富Ga状态演变。图3(c)中最顶层Ga/As原子数目的比值为2，而图3(b)的为2.5，二者相对于β2(2×4)重构的1.5均增大。然而对比图3(b)与(c)，发现图3(c)可以由图3(b)沟道中的一对Ga dimer的脱离而形成，最顶层Ga原子数目图3(b)比图3(c)多。相对于β2(2×4)重构而言，图3(b)最顶层Ga/As原子数目的比值增大是由于Ga原子数目增多As原子数目减少，而图3(b)中Ga原子与As原子数目均减少，只是As原子数目相对减少的更多，因此图3(c)所示的重构模型不符合。综合图2、球棍模型以及As覆盖率，认为在实验中获得的(2×6)重构原胞的球棍模型就是图3(b)。采用该球棍模型对于(2×6)重构表面进行模拟，球棍模型(图4(b))与STM扫描图片(图4(a))吻合得非常好，这再次证实在实验中获得的(2×6)重构原胞中有两对As dimers和两对Ga dimers，其中两对As dimers在沟道外的dimer row上，两对Ga dimers共同位于沟道之中。

图4 GaAs(001)-(2×6)重构下20 nm×20 nm的STM图片，采用沟道中含有1对As dimers的(2×6)重构球棍模型模拟的GaAs(001)-的重构表面(图4(a)偏压-2.6 V, 电流200 pA)

Fig 4 20 nm×20 nm STM image (a) and simulated by ball-and-stick (2×6) model with one dimers in trench (b) of GaAs (001)-(2×6) surface (images (a) gap voltage -2.6 V, current 200 pA)

3 结 论

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3.College of Science, Guizhou University, Guiyang 550025,China)

Morphology and reconstructed unit cell at GaAs(001)-(2×6) surface

ZHOU Xun1，LUO Zijiang2，WANG Jihong3，GUO Xiang3，DING Zhao3

(1.School of Physics and Electronics Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001,China；2.School of Information, Guizhou University of Finance and Economics, Guiyang 550004，China；

The morphology and reconstructed unit cell at GaAs(001)-(2×6) reconstructed surface were studied using reflection high energy electron diffraction and scanning tunneling microscopy (STM). We found that GaAs(001)-(2×6) reconstructed surface can be obtained annealing the GaAs(001)-β2(2×4) reconstructed surface under 530 ℃ and 1.33 μPa As beam equivalent pressure. The morphology at GaAs(001)-(2×6) surface was disordered flat which existed series of islands and pits with 1monolayer height. To clarify the actual structure of GaAs(001)-(2×6), a new method to calculate the As coverage on GaAs(001) surface was proposed and used it to determine the GaAs(001)-(2×6) reconstruction. Combined the STM images and ball-and-stick model to confirm that there were two As dimers and two Ga dimers in a reconstructed unit cell on GaAs(001)-(2×6) surface, then utilized this unit cell to conceive the (2×6) reconstructed surface which was highly consistent with STM image.

GaAs(001)-(2×6) surface； morphology； As coverage； reconstructed unit cell

1001-9731(2016)04-04147-05

国家自然科学基金资助项目(60866001)；贵州省科学技术基金资助项目(黔科合J字[2014]2046号,[2013]2114号)；贵州师范大学2012年博士基金资助项目([2012]001号)；贵州省教育厅自然科学研究资助项目(黔教合KY字(2014)265号)

2015-04-10

2015-07-20 通讯作者：罗子江，E-mail: lah5200@sina.com

周 勋 (1966-)，男，贵州贵阳人，教授，博士，主要从事低维半导体材料的研究。

TN3；O47

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.04.030