GaAs分子束外延生长过程中As原子最高结合率的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种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 切地说本发明设及一种分子束外延(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】
[0002] 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 料生长技术手段最先利用M邸外延生长的材料即为最重要的虹-V族半导体材料GaAs。 而神化物材料可W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W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W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的结合率会与溫度相关。另外，特定溫度下Ga原子的量也决定了 As结合率的大 小，因为它可W决定有多少As原子可W结合到外延晶格中，其余富余的As原子会从表面脱 附。
[0003] 所W，在分子束外延生长中As的结合率受材料外延生长溫度和Ga原子束流决定。 当材料生长溫度确定后，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渗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溫度，然而运又导致原子在生 长表面的迁移率降低影响晶格质量。最终采用m/v族原子周期间隔生长的1邸外延生长模 式解决了 W上问题W。而GaAs材料M邸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W在设置生长参 数时避免使用过高的As束流，不但可W避免源材料的浪费，也可W获得最优的外延材料质 量。
[0004] 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，运种表面再构会在高能电子衍射(畑EED)条纹中得到体现。畑E抓技术是分子 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，在畑E抓衍射条纹分别表现为(2X4)表面再构和(4X2)表面再构。通 过对GaAs材料的外延生长过程分析，我们得到可W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(R皿ED)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 对于增加肥6外延生长过程的控制等有重要作用。
[0005] W上设及的参考文献是：
[0006] 1.A.Y.QicsGrowth of Periodic Structures by the Molecular-Beam Method, Appl.Phys.Lett.,19(11),467-468(1971).
[0007] 2.M.B.Panish,Molecular Beam Epi1:a巧，Science,208,916-922(1980).
[0008] 3.E.H.C.Parker,The Technology and Physics of Molecular Beam Epitaxy, Plenum Press(化W York), 1985.
[0009] 4.Y.Horikoshi,M.Kawashima and H.Yamaguchi,Migration-Enhanced Epitaxy of GaAs and AlGaAsJapanse Journal of Applied Physics,27(2),169-179(1988).
【发明内容】
[0010] 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。
[0011]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。
[0012]具体包括S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 X 4)表面再构转变为富Ga状态的（4 X 2)表面再构的时间间隔；2)当表面出现富Ga 状态的（4X2)表面再构，立即关闭第二个Ga源，并观测纪录生长表面由（4X2)转变为（2X 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。
[OOU]巧慢过程中通过第二个(?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。
[0014] 本发明所述的测量方法，其特征在于：
[0015] (1)通过开关但不限于第二个Ga源的快口实现了测量时GaAs生长过程交替出现富 Ga和富As表面。
[0016] (2)富Ga和富As表面的状态是通过高能电子衍射(R肥邸)方法进行测量。
[0017] (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n实现。
[0018] (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。
[0019] (5化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。
[0020] (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。
[0021] 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M邸设备本身具备的测量设备R皿邸和束 流计就可W完成对所需数据的测量;3)可W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。最终结果不设及到实际的原子总量，所W与 束流规最终直接测到的Ga和As的束流值相关。
【附图说明】
[0022] 图1是在GaAs的M肥生长过程中一特定生长溫度和As束流值下变化Ga束流时As的 结合率的变化趋势。
[0023] 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】
[0024] 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