GaAs分子束外延生长过程中As原子最高结合率的测量方法

摘要

本发明提供一种GaAs分子束外延生长过程中As原子最高结合率的测量方法，其特征在于利用Ga原子束流的变化使GaAs生长过程中交替出现富Ga和富As的表面，并记录表面再构变化的时间，最终通过求解表面富余原子总量的表达式，得到As原子在生长过程中的最高结合率。所述测量方法特征在于通过开关但不限于第二个Ga源快门富Ga或富As表面交替出现，且用RHEED方法进行测量，且最终结果不涉及到实际的原子总量，所以与束流规最终直接测到的Ga和As的束流值相关。本发明对于利用MBE制备材料，特别是迁移率增强外延生长(MEE)模式有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaAs分子束外延生长过程中As原子最高结合率的测量 方法，更确切地说本发明涉及一种分子束外延(MBE)技术中测量计算GaAs生 长过程中As原子最高结合率的方法，属于半导体材料和器件工艺技术领域。

背景技术

从20世纪70年代问世至今，分子束外延(MBE)技术已经发展成一种重要 的晶体材料生长技术手段^[1-3]。最先利用MBE外延生长的材料即为最重要的 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料GaAs。而砷化物材料可以成功制备取决于一个关键原因， 即过剩的V族元素As会从样品的表面脱附掉最终得到符合化学计量比的生长。 因此，在多数情况下As原子只有部分可以结合到晶格当中去并且生长过程中 样品表面保持富As状态。As原子的结合率可以定义为结合到晶格中的As原 子量与总入射As束流中As原子量的比值。首先，因为As的解吸附是一种热 激活的过程，因此As的结合率会与温度相关。另外，特定温度下Ga原子的 量也决定了As结合率的大小，因为它可以决定有多少As原子可以结合到外 延晶格中，其余富余的As原子会从表面脱附。

所以，在分子束外延生长中As的结合率受材料外延生长温度和Ga原子 束流决定。当材料生长温度确定后，As的结合率会就只受Ga原子束流决定， 会存在极限最大值。由于在通常的材料生长过程中As原子往往处于过量富余 的状态，此时也没有特别必要精确测量As的结合率。然而在特定的情况下对 于As的最高结合率的精确测量显得尤为重要，比如分子束外延方法中的一种 特殊生长模式：迁移率增强外延生长(MEE).在异质结材料外延过程中通常会 有界面原子互扩散的问题存在从而导致外延层的掺杂最终影响器件的性能。 为了抑制界面原子互扩散的问题，通常在生长初期采用较低的生长温度，然 而这又导致原子在生长表面的迁移率降低影响晶格质量。最终采用Ⅲ/Ⅴ族原 子周期间隔生长的MEE外延生长模式解决了以上问题^[4]。而GaAs材料MEE 外延生长技术的关键之一即调整As束流的量使得As的结合率处在最大值的 临界点。另外，如果能够测得As的最大结合率，就可以在设置生长参数时避 免使用过高的As束流，不但可以避免源材料的浪费，也可以获得最优的外延 材料质量。

GaAs是一种晶体材料，在具体材料内部原子处于晶格格点上，在晶体表 面原子位置会偏离晶格格点位置，同时产生一些新的化合键，从而使整个体 系的能量降到最低。上述过程被称为表面再构过程。对于GaAs材料，其表面 原子会在特定晶向发生移动和成键的表面再构现象，这种表面再构会在高能 电子衍射(RHEED)条纹中得到体现。RHEED技术是分子束外延中非常关 键的表面特性表征技术，有着不可替代的作用。对于富As或富Ga的GaAs 表面其再构会有所不同，在RHEED衍射条纹分别表现为(2×4)表面再构和(4×2) 表面再构。通过对GaAs材料的外延生长过程分析，我们得到可以通过周期性 调节生长过程中Ga束流的值使得As的结合率在最大值附近周期性波动。本 发明拟利用此周期性的生长参数变化外加高能电子束衍射(RHEED)对生长表 面再构变化的记录测量计算As原子的最大结合率。该发明对于增加MEE外 延生长过程的控制等有重要作用。

以上涉及的参考文献是：

1.A.Y.Cho,GrowthofPeriodicStructuresbytheMolecular-BeamMethod， Appl.Phys.Lett.,19(11),467-468(1971).

2.M.B.Panish,MolecularBeamEpitaxy,Science,208,916-922(1980).

3.E.H.C.Parker,TheTechnologyandPhysicsofMolecularBeamEpitaxy, PlenumPress(NewYork),1985.

4.Y.Horikoshi,M.KawashimaandH.Yamaguchi,Migration-Enhanced EpitaxyofGaAsandAlGaAs,JapanseJournalofAppliedPhysics, 27(2),169-179(1988).

发明内容

本发明的目的在于提供一种GaAs分子束外延生长过程中As原子最高结 合率的测量方法。

所述的方法利用Ga原子束流的变化使GaAs生长过程中交替出现富Ga 和富As的表面，并记录表面再构变化的时间，最终通过求解表面富余原子总 量的表达式，得到As原子在生长过程中的最高结合率。

具体包括三个步骤：1)在GaAs生长过程中打开第二个Ga源，并预先调 节使此时的As原子结合率处于最高值状态，通过高能电子束衍射(RHEED) 观测并记录生长表面由富As状态的(2×4)表面再构转变为富Ga状态的(4×2) 表面再构的时间间隔；2)当表面出现富Ga状态的(4×2)表面再构，立即关闭 第二个Ga源，并观测纪录生长表面由(4×2)转变为(2×4)表面再构的时间间隔； 3)利用预先用束流计(BFM)测得两个Ga源和As源的束流等效气压，根据上 述两个过程中表面富余As原子耗尽和表面富余Ga原子累积的等式，最终求 解得到As的最高结合率。

测量过程中通过第二个Ga源的开关实现了GaAs生长过程中交替出现富 Ga或/和富As表面。其关键在于，第一个Ga源的束流值要使得As的结合率 低于最大值，而两个Ga源的束流值之和要使得As的结合率达到并超过最高 结合率的临界点。在结果计算过程中，无法测量的值例如表面富余的Ga或 As原子总量会被消除。并且，最终得到As的最高结合率值已经包含束流规 对于不同原子响应差异在内。

本发明所述的测量方法，其特征在于：

(1)通过开关但不限于第二个Ga源的快门实现了测量时GaAs生长过 程交替出现富Ga和富As表面。

(2)富Ga和富As表面的状态是通过高能电子衍射(RHEED)方法进 行测量。

(3)富Ga和富As表面的交替出现是通过但不限于开关第二个Ga源的 快门实现。

(4)第一个Ga源的束流值要控制在使As原子结合率小于最高结合率。 而当两个Ga源同时打开时，总的Ga束流值要使得As原子的结合率达到最 大，同时生长表面转为富Ga状态。

(5)在求解等式过程中代表GaAs表面富余Ga原子和As原子总量的参 数会被消除，剩余所需参数均为可测量值。

(6)计算所得的As原子最高结合率已经包含测量束流值的束流规对于 不同原子响应差异在内。

本发明提供的一种As原子最高结合率的测量方法，其优点在于：1)原 位测量，准确可靠；2)操作简单，无需添加额外的测量手段：利用MBE设 备本身具备的测量设备RHEED和束流计就可以完成对所需数据的测量；3) 可以通过增加测量周期数提高计算精确度；4)计算结果已经包括束流规对不 同元素的响应差异。最终结果不涉及到实际的原子总量，所以与束流规最终 直接测到的Ga和As的束流值相关。

附图说明

图1是在GaAs的MBE生长过程中一特定生长温度和As束流值下变化 Ga束流时As的结合率的变化趋势。

图2表示测量计算As最高结合率所需参数的过程。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种GaAs分子束外延生长过程中As原子最高结 合率的测量方法。

首先对GaAs分子束外延生长过程中的相关现象做针对性描述。图1展示 了在一定温度和As束流值下，As的结合率随Ga束流的变化。在曲线的第一 部分，Ga束流的增加使得从表面脱附的As原子量减少，导致As的结合率上 升。随后As的结合率达到最大值并保持不变。As的最高结合率取决于生长 时的衬底温度。在As的结合率达到最大值前，GaAs的生长速率取决于Ga 束流的大小，As的结合率随Ga束流线性增加。生长表面的As处于过量状态， 此时表面通过RHEED可以观测到表面处于富As状态的(2×4)表面再构。当 Ga束流增加使As结合率超过最大值临界点，As束流将不足以匹配Ga束流 致使生长表面出现Ga原子聚集，此时通过RHEED可以观测到表面处于富 Ga状态，呈现(4×2)表面再构。测量过程的关键在于控制第一个Ga源束流使 As结合率未到最大值，而第一个和第二个Ga源的束流总和使得As的结合率 达到并超过最高点。

当只有第一个Ga源打开时，As的结合率未达到最大值。当两个Ga源同 时打开时，As的结合率达到最大同时生长表面转变为富Ga状态。

测量过程需要满足以下生长条件。因为As原子的最高结合率η_max与衬底 温度T_s有关，在测量过程中T_s保持不变。当然，η_max随衬底温度的变化规 律可以通过改变T_s重复测量得到。测量过程中As的实际束流F_As也被设定在 固定的值，所以此时可以结合到晶格中的As原子量最大值为η_max·F_A。测 量要用到两个Ga束流源，其源炉的温度需要调整满足图1中所提到的条件， 即F_Ga1#<η_max·F_A和F_Ga1#+F_Ga2#>η_max·F_A(F为束流计测到的束流值， 下标As、Ga1#、Ga2#分别表示As源和两个Ga源(1#和2#))。注意本发明 中讨论的η_max已经包含了束流规对于不同原子的响应灵敏度差异在内。

在t₁过程中两个Ga源同时开启，而t₂阶段只有第一个Ga源开启。当观 测到RHEED出现富Ga状态的(4×2)表面再构时，立刻关闭第二个Ga束流源。

为进一步对本方法进行说明，下面对测量计算的步骤进行详细描述。在 测试开始时只有Ga1#束流源打开，此时生长表面处于富As状态并在RHEED 显示(2×4)表面再构。我们设定此时表面富余的As原子总量为A。第一步， 打开第二个Ga源，即Ga2#束流源，此时As的结合率达到最大值临界点。表 面富余的As原子将被逐渐消耗直至耗尽，随后生长表面出现Ga原子的累积。 如图2所示，在Ga2#束流源开启后经过时间t₁后，RHEED显示表面出现富 Ga状态(4×2)表面再构。设定此时表面富余的Ga原子总量为G。第二步，当 (4×2)表面再构刚出现时，关闭Ga2#束流源。表面富余的Ga原子将被耗尽并 有As原子的逐渐聚集，Ga2#束流源关闭经过时间t₂后表面出现(2×4)表面再 构(富As)。也即在t₁过程中两个Ga源同时开启，而t₂阶段只有第一个Ga 源开启，当观测到RHEED出现富Ga状态的(4×2)表面再构时，立即关闭第 二个Ga束流源。此时表面总的富余As原子量恢复到最初的值A。第三步， 我们可以推断在t₁+t₂整个时间段中的样品表面经历了富余As原子被耗尽而 再度重新累积的过程中，As的结合率始终是处于最大值η_max。在第一段时间 t₁过程中，表面的富余的As原子总量A被耗尽，并且出现总量为G的富余 Ga原子。在第二段时间t₂过程中，表面富余的Ga原子总量G被耗尽，并随 即出现总量为A的富余As原子。以上时间可以利用计时器获得。所以对应上 述两个时间段，我们可以分别列出以下等式：

(F_Ga1#+F_Ga2#-η_max·F_As)·t₁＝A+G(1)

(η_max·F_As-F_Ga1#)·t₂＝A+G(2)

求解以上方程组，消除变量A和G，得到η_max的表达式如下：

${\eta }_{max}=\frac{(F_{Ga1\#}+F_{Ga2\#}·\frac{t_1}{t_1+t_2})}{F_{As}}---\left(3\right)$

另外，在以上表达式中束流的单位可以直接采用束流计(BFM)测得的束流 等效气压(BEP)代入求解。同时第二个Ga束流源也可以用Al束流源代替，因 为Al和Ga同样属于三族元素，也可以起到结合表面As原子，使As结合率达 到并超过最高值临界点的作用，这同时也增加了本测量方法的灵活性。