江苏华林科纳半导体GaAs在氯化钠-异丙醇溶液中的表面钝化和形态

引言

原子平面的制备是半导体基板上原子尺度操作的必要前提。由于自组装现象或使用原子探针技术操纵单个原子，只有原子平面的表面才能产生可重复制造纳米级原子结构的机会。原子平坦的表面也应该是原子清洁的，因为氧化物和污染会引响原子尺度的粗糙度。原子平坦和清洁的表面也需要许多在微和光电子的应用。

实验

实验是在砷化镓外延层上进行的，以避免结构缺陷的可能影响，这些缺陷存在于由机械和化学机械抛光制备的商业基底的表面附近。我们使用液相外延(LPE)在传统GaAs（100）基质和图形GaAs（100）基质上生长的砷化镓层，不同大小的方形中台面面积在0.2到2mm2不等。

HCl-iPA溶液的制备包括盐酸蒸汽对iPA的等光饱和，制备方法如下：将含有100ml高纯双蒸馏iPA的玻璃放入装满300ml高纯浓缩37%盐酸的3-l干燥器中。为了确定溶液中盐酸浓度CHCl的时间依赖性，从玻璃中提取1mlHCl-ipa探针。用水稀释的探针的比例计算浓度CHCl。这些测量值的精度约为5%，并通过滴定法进行了验证。CHCl的时间依赖性如图所示：1.由闭上的圆圈表示。结果表明，在t50h时，浓度线性增加到CHCl10%，并在CHCl20%时饱和到t>100h。除使用稀释的HCl-iPA溶液进行的特殊实验外，还使用饱和的20%溶液进行砷化镓处理。与盐酸在异丙醇中的直接稀释相比，等压法最大限度地减少了生成的盐酸-异丙醇溶液中的水量和污染物。原则上，酒精氯化反应可能发生在HCl-iPA溶液中，产生异丙基氯和水:C3 H7-羟基盐酸！C3 H7-Cl H2O (1)

反应(1)会降低氯氯的浓度，氯氯是盐酸-异丙醇溶液的活性成分。

为了检查反应(1)对盐酸-异丙醇溶液稳定性的可能不利影响，在t 100 h，将30毫升溶液探针放入单独的密闭玻璃中。在该探针中测量的时间相关性CHCl(t)如图1所示：通过开圆圈，可以看出，在实验误差范围内，浓度一直保持到t 500 h。此外，104小时后盐酸浓度保持不变(图中未显示）。因此，在室温下，盐酸-异丙醇非常稳定，可使用约1年。

所有测量都是在样品冷却至室温后进行的。LEED研究了表面重建。用x光电子能谱测定了表面的成分。铝卡(1486.6电子伏)和锆Mz (151.4电子伏)线用于XPS测量。表面粗糙度可能会扭曲XPS测量的结果，因此要特别注意薄膜的形态。图2示出了在传统衬底上通过液相外延生长的外延膜的典型原子力显微镜图像。可以看到，表面包含原子级的平坦区域，宽度为几微米，由10纳米高度的台阶束隔开。在平坦区域内可以看到高度为0.28纳米的高分辨率单原子台阶。由于表面的大部分是原子级平坦的，这些薄膜可以被认为适合XPS实验。

结果和讨论

本文提出的结果，以及对光电发射线的化学位移成分的直接观察，证明了在HCl-iPA处理下，非晶态砷在砷化镓表面积累的事实。然而，这种积累的机制尚不清楚。据推测，HCl-iPA与砷化镓表面的相互作用如下。第一阶段镓和氧化二砷溶解。我们通过实验证明，在室温下，去除氧化物需要少于10秒。

光发射光谱的角度依赖性如图所示。允许我们假设HCl-iPA处理氧化gaa（100）表面导致形成均匀的As0钝化层，并保持了表面的原子平坦度。本节中提供的LEED和AFM数据得到了这一假设的直接证明。盐酸-ipa处理表面的LEED图像如图3(a)，在这个表面上，（11）结构在电子能量E130，而在E40–6040–60在漫射背景上没有看到衍射点。在2508C真空退火去除了As0层的大部分，因此在低能量E¼42eV下观察到（11）衍射模式(见图3（b)在T¼4508C退火后(图。3(c))在LEED图像中可以清楚地看到对应于As稳定(2 4)/c(2 8)重建的衍射图案。更高温度下的退火通过一系列中间重建将砷稳定表面转变为镓稳定表面。在T 550 8C退火后获得的Ga稳定的(4 ^ 2)/c(8 ^ 2)重构如图所示。

总结

用XPS、LEED和原子力显微镜研究了异丙醇-盐酸溶液中GaAs(1 0 0)表面的组成、形貌和结构。清洁的砷稳定GaAs(100)–(24)/碳(2 8)表面的盐酸-异丙醇，处理导致表面被过量砷的亚单层化学钝化。这种砷阻止了氯进入下面的镓原子，从而阻止了反应，导致砷通过GaAs溶解进一步积累。氧化GaAs表面的处理导致在表面上形成1-3个无定形砷单层，其中大部分砷来自表面氧化物。在特殊图案化衬底上生长的原子级平坦外延膜处理前后进行的原子力显微镜测量证明，HCliPA处理保持了GaAs(1 0 0)表面的原子级平滑度。