量方法。
[0025] 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 溫度和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溫度。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 面通过畑邸D可W观测到表面处于富As状态的（2 X 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W匹配Ga束流致使生长表面出现Ga原子聚集，此时通过 畑邸0可^观测到表面处于富Ga状态，呈现(4X2)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 到并超过最局点。
[0026] 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。
[0027] 测量过程需要满足W下生长条件。因为As原子的最高结合率IWx与衬底溫度Ts有 关，在测量过程中Ts保持不变。当然，rwx随衬底溫度的变化规律可W通过改变Ts重复测量得 到。巧慢过程中As的实际束流Fas也被设定在固定的值，所W此时可W结合到晶格中的As原 子量最大值为rWx ? Fa。测量要用到两个Ga束流源，其源炉的溫度需要调整满足图1中所提 到的条件，即FGaiKrimax ? Fa和FGai#+FGa2#〉rWx ? Fa(F为束流计测到的束流值，下标As、Gal#、 Ga2#分别表示As源和两个Ga源（1#和2#))。注意本发明中讨论的rWx已经包含了束流规对于 不同原子的响应灵敏度差异在内。
[002引在ti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R肥抓出 现富Ga状态的(4X2)表面再构时，立刻关闭第二个Ga束流源。
[0029]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Gal#束流源打开，此时生长表面处于富As状态并在R皿邸显示(2X4)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ti后，R肥抓显示表面出现富Ga状态 (4X2)表面再构。设定此时表面富余的Ga原子总量为G。第二步，当（4X2)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(2X4)表面再构（富As)。也即在ti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R肥邸出现富Ga状态的（4X2)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S步，我们可W推断在tiW2 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rWx。在第一段时间ti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。W上时间可W利用计时器获得。所W对应上述两个时间段，我 们可W分别列出W下等式：
[0030] (FGal#+FGa2#-nmax * FAs ) * tl=A+G ( I )
[003。 (rwx ? Fas-Fg31#) ? t2 = A+G (2)
[0032] 求解W上方程组，消除变量A和G，得到rwx的表达式如下：
(3)
[0034]另外，在W上表达式中束流的单位可W直接采用束流计(BFM)测得的束流等效气 压(肥P)代入求解。同时第二个Ga束流源也可W用Al束流源代替，因为Al和Ga同样属于S族 元素，也可W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，运同时也 增加了本测量方法的灵活性。
【主权项】
1. 一种GaAs分子束外延生长过程中As原子的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。2. 按权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤是： (a) 在GaAs生长过程中打开第2个Ga源，并预先调节使此时的As原子结合率达到最高 点，然后记录表面高能电子束衍射RHEED由富As (2 X 4)转变为富Ga(4 X 2)的时间间隔； (b) 当表面出现富Ga状态的（4X2)表面再构，立即关闭第2个Ga源，并纪录表面由（4X 2)转变为(2X4)表面再构的时间间隔； (c) 利用预先测得的两个Ga源和As源束流，根据测量得到的时间，列出上述两个过程中 表面富余原子总量的等式，最后求解得到该实验条件下As原子的最高结合率。3. 按权利要求2所述的方法，其特征在于通过开关但不限于第二个Ga源的快门实现了 GaAs生长过程中交替出现富Ga或/和富As表面。4. 按权利要求2所述的方法，其特征在于当只有第一个Ga源打开时，As的结合率低于最 大值而未达到最大值；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。5. 按权利要求2所述的方法，其特征在于As原子的最高结合率rwx与衬底温度Ts有关， 在测量过程中Ts保持不变。6. 按权利要求2或5所述的方法，其特征在于最高结合率式中，FGal#为第一个Ga束流源束流值，FGa2#为第二个Ga束流源束流值;FAs为As源束流值， "为第二个Ga源开启后表面出现富Ga状态(4X2)表面再构经过的时间，^为第二个Ga源关 闭后表面出现(2 X 4)表面再构，富As的时间。7. 按权利要求6所述的方法，其特征在于在^过程中两个Ga源同时开启，而^阶段只有 第一个Ga源开启，当观测到RHEED出现富Ga状态的(4 X 2)表面再构时，立即关闭第二个Ga束 流源。8. 按权利要求1、2或6所述的方法，其特征在于第二个Ga束流源可用A1束流源代替，起 到结合表面As原子作用。9. 按权利要求7所述的方法，其特征在于所述的束流的单位可直接用束流计BFM测得的 束流等效气压BEP代入求解。10. 按权利要求6所述的方法，其特征在于计算所得的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相应的差异在内。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H01L21/66
【公开号】CN105632965
【申请号】CN201610171321
【发明人】龚谦, 王朋, 曹春芳, 丁彤彤
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月24日