Атомная структура поверхности GaAs(001)-4х2 при малой степени покрытия йодом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

003052 132

российская академия наук институт общей физики им. а.м.прохоровЯ ^ "/1нг лии/

На правах рукописи

ВЕДЕНЕЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

АТОМНАЯ СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ СаАз(001)-4х2 ПРИ МАЛОЙ СТЕПЕНИ ПОКРЫТИЯ ЙОДОМ

(01.04.07 — физика конденсированного состояния)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2007

003052132

Работа выполнена в Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН

кандидат физико-математических наук Ельцов Константин Николаевич

доктор физико-математических наук профессор

Молотков Сергей Николаевич

доктор физико-математических наук профессор

Терехов Александр Сергеевич

Ведущая организация Институт автоматики и процессов управления

ДВО РАН, г. Владивосток

Защита состоится 2 апреля 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.002.063.02 при Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, ул. Вавилова, 38, корпус 3, конференц. зал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Автореферат разослан «_/_» /ИСЬ^Т^ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.002.063.02 Макаров В.П.

тел. 8 (499) 503-83-94

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Общая характеристика работы Актуальность темы

Кристалл СаЛз является основным материалом сверхвысокочастотной, оптической и спиновой электроники. Исследования атомной структуры и электронных свойств его поверхности интенсивно ведутся на протяжении последних десятилетий. В течение этого времени также совершенствовались сверхвысоковакуумные (СВВ) технологии роста кристаллов. В настоящее время молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) ■ позволяет получать СаЛБ высокой чистоты и кристалличности, тем не менее, точные данные об атомных структурах даже основных граней кристалла отсутствуют. Это связано с тем, что в зависимости от условий роста и/или последующей обработки на одной и той же грани может формироваться несколько устойчивых сложных атомных структур (реконструкций) с разным соотношением ва/Ав, которые сложно идентифицировать. Такая ситуация особенно актуальна для полярных граней кристалла, в частности, грани (001), которая является основной поверхностью для производства приборов на основе ваАя. Тип реконструкции СаА8(001) определяет электронные свойства приповерхностного слоя и химическую активность поверхности. Поэтому существенный научный и технологический интерес заключается в получении точных данных об атомных структурах, формируемых на этой грани, определении их предпочтительных центров адсорбции и описании процессов формирования различных поверхностных структур на атомном уровне.

В настоящей работе представлены результаты исследования взаимодействия ОаАБ(001)-4х2 с молекулярным йодом. Эта реакция, помимо привлекательности исследования самого процесса взаимодействия йода с поверхностью СаА5(001)-4х2 на атомном уровне, интересна еще и тем, что йод является перспективным реагентом для управления атомной структурой поверхности ОаАя(001). Известно, что термическое удаление (нагрев до 300 С) насыщенного хемосорбированного монослоя йода (степень покрытия в

= 1.0) с поверхности СаА8(001)-4х2, которая является Оа-стабилизированной, приводит к формированию Ая-стабилизированной реконструкции 2x4 [1]. В этой связи, понимание процессов, происходящих на поверхности СаА5(001 )-4x2 при адсорбции йода и термической десорбции продуктов химической реакции может быть ключом к управлению атомными реконструкциями СаАх(001). Т.е. может появиться альтернатива молекулярно-лучевой эпитаксии, основанная на управлении атомной структурой ОаА$(001) посредством адсорбции-десорбции йода с поверхности. В настоящее время молекулярно-лучевая эпитаксия является базовой технологией формирования атомной структуры СаАв заданной реконструкции. Следует отметить, что реакция взаимодействия йода с СаАя(001) при комнатной температуре останавливается после формирования насыщенного монослоя [1], что ограничивает воздействие йода верхним атомным слоем подложки и заведомо позволяет избежать травления поверхности. Это основная причина, по которой именно молекулярный йод был выбран в качестве реагента, поскольку есть указания, что другие галогены (Р2, С12, Вг2) травят поверхность СаА8(001) и, тем самым, существенно ухудшают ее атомную гладкость.

Выбор реконструкции СаА$(001)-4х2 в качестве исходного объекта исследований обусловлен тем, что данная поверхность является фактически единственной структурой высокого качества, которую можно подготовить в СВВ без применения технологий роста, используя стандартный метод подготовки - ионное травление и последующий отжиг. Кроме того, ваЛв^О 1)-4х2 одна из структур, максимально обогащенных галлием. Поэтому остается возможность получения всех реконструкций по степени обогащения галлием, находящихся в интервале 4x2 —» 2x4, поскольку базовое предположение, нашедшее свое подтверждение в данной диссертации, основано на том, что структурный переход 4x2 —> 2x4 наблюдаемый в работе [1], обусловлен преимущественным удалением атомов галлия в процессе термической десорбции монослоя йода.

Целью диссертационной работы является экспериментальное изучение атомных структур, формируемых молекулярным йодом на поверхности СаА5(001)-4х2 в процессах адсорбции йода и термического удаления продуктов реакции, определение центров адсорбции и описание механизмов структурных превращений поверхности. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Получить атомно-разрешенные изображения поверхности ОаА8(001)-4х2 в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) для определения ее атомной структуры.

2. На основании полученных экспериментальных данных определить атомную модель поверхности, наиболее адекватно описывающую реконструкцию ОаАя(001)-4х2.

3. Определить места адсорбции йода на поверхности СаЛ5(001 )-4х2. в зависимости от степени покрытия и изучить возможные структурные превращения поверхности.

4. Определить продукты реакции йода с поверхностью СаА$(00! )-4x2 и идентифицировать пики, наблюдаемые в спектрах термодесорбции.

5. Определить атомные поверхностные структуры, получаемые в результате десорбции продуктов реакции Ь+ОаА5 с поверхности ОаА$(001)-4х2 при разной степени покрытия йодом.

Основные результаты.

1. Экспериментально установлено, что атомная структура поверхности СаАз(001)-4х2 наиболее адекватно описывается С-моделью, предложенной в работе [2]. Впервые в СТМ-изображениях получены переключения интенсивности

заполненных электронных состояний над атомами мышьяка в зависимости от напряжения в туннельном зазоре, предсказанные на основе {¡-модели.

2. Впервые установлено, что при малой степени покрытия поверхности ОаА5(ОС)1)-4х2 (в< 0.1 + 0.2) атомы йода адсорбируются над вакансионными рядами в виде димеров 1-1. Центрами адсорбции являются зарядовые особенности данной поверхности, наблюдаемые в заполненных состояниях над вакансионными рядами.

3. Впервые установлено, что в процессе заполнения поверхности СаА5(001)-4х2 йодом при в > 0.2 сначала происходит перемещение атомов йода из вакансионных рядов в положения над атомами галлия в 8р2-состояниях с формированием атомных цепочек йода вдоль направления (110), и лишь затем происходит заполнение атомами йода оборванных связей над дим ерами галлия.

4. Впервые установлено, что на поверхности СаА8(001) молекулярный йод взаимодействует только с атомами галлия, что позволяет путем регулирования исходной степени покрытия йодом (0.1 < в < 1.0) изменять структуру поверхности от реконструкции 4x2, наиболее обогащенной галлием, через последовательный ряд структур типа пхб к реконструкции 2x4, а также к другим локальным структурам, обогащенным мышьяком.

Новизна полученных результатов

В работе впервые проведено изучение взаимодействия молекулярных галогенов с поверхностью ОаАя на атомном уровне в широком диапазоне степени покрытия. Проведенный анализ совокупности экспериментальных

данных позволил создать непротиворечивую картину поверхностных процессов, происходящих как при адсорбции йода, так и при термическом удалении продуктов химической реакции. Практическая значимость

Метод обработки поверхности ОэАб молекулярными галогенами, описанный в настоящей работе, защищен патентом Российской Федерации и применяется при изготовлении полупроводниковых лазерных диодов. Обнаруженное в диссертации селективное травление краев атомных ступеней при низкой степени покрытая йодом поверхности ОаАч(001)-4х2 может быть использовано для получения атомно-гладкой поверхности СаАх.

Полученное понимание механизма и последовательности взаимодействия йода с атомами галлия и мышьяка позволяют предложить новый способ изготовления поверхности СаАк(001) заданной атомной реконструкции, основанный на селективном удалении нужного количества атомов галлия йодом и нагреве до температуры поверхностной диффузии. Данный способ формирования требуемой реконструкции крайне важен для многих исследований, проводимых на поверхности арсенида галлия, поскольку не требует дорогостоящего технологического оборудования, такого как МЛЭ, и может быть применен в любой исследовательской или технологической (лабораторной) сверхвысоковакуумной установке. Области возможного применения - оптическая, спиновая и СВЧ-электроника современного уровня, где требуется подготовка исходной поверхности ваАз заданной атомной реконструкции, определяющей качество конечного продукта.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на Международной конференции по зондовой микроскопии (Нижний Новгород 2002), Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород 2005, 2007 гг.), Конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Москва 2006 г.), совещании «Спин-

зависимые явления в твердых телах и спинтроника» (Санкт-Петербург 2006 г.), Международном семинаре по статистической физике и низкоразмерным структурам (Нанси, Франция 2006 г.), 7-м Российско-японском семинаре (Владивосток 2006 г.), семинарах Центра естественно-научных исследований (2006 г.) и Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН (2005,2007 г). Публикации. По результатам диссертации опубликовано 8 работ. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Краткое содержание глав диссертации

Во введении обоснована актуальность темы исследований, определена цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту, указаны их научная новизна и практическая ценность, дана краткая аннотация полученных результатов.

Глава 1. Описаны основные представления о механизме формирования реконструкций поверхности бинарных полупроводников. Рассмотрены основные As- и Ga-стабилизированные реконструкции поверхности GaAs(OOl), проведен анализ предложенных для них атомных моделей. Представлен обзор работ о взаимодействии галогенов с поверхностью GaAs(001)-4x2. Сформулированы основные задачи диссертационной работы. Глава 2. Дано описание экспериментальной установки, физических основ и возможностей используемых методов анализа: сверхвысоковакуумной сканирующей туннельной микроскопии, электронной оже-спектроскопии, термодесорбционной масс-спектрометрии, дифракции медленных электронов. Описаны процедуры подготовки поверхности образцов и создания объектов исследования.

Для экспериментов использовалась многокамерная

сверхвысоковакуумная установка, оснащенная анализатором электронов типа «цилиндрическое зеркало» для электронной оже-спектроскопии (Riber ОРС-100), квадрупольным масс-спектрометром (Riber QMM-17), трехсеточным

анализатором электронов (VG RVL/17) для наблюдения дифракции медленных электронов, сканирующим туннельным микроскопом (Сигма Скан GPI-300) и системой напуска газов с пьезокерамическими натекателями. Базовое давление в установке не превышало 1-Ю"10 Topp. Для опытов брались образцы размером 5x5x0.5 мм3, выкалываемые из пластины GaAs(001) п-типа (Si, 7-Ю17 см"3, угол разориентации менее 0.5°), подготовленной для МЛЭ (epi-ready). После внесения образца в вакуум проводился программируемый нагрев с целью удаления окислов. Полная очистка поверхности достигалась ионным травлением Af (400 эВ), восстановление кристаллической структуры -отжигом при Т = 550 °С.

Молекулярный йод на поверхность образца подавался в аналитической камере, содержащей оже- и масс-спектрометры или непосредственно в СТМ. Давление молекулярного йода в пучке вблизи поверхности составляло 10"s ^ 10"9 Topp. Напуск газа, анализ элементного состава и структуры поверхности проводились при комнатной температуре. В оже-спектрах анализировались линии Ga М2,зМ4 ^М4 5 (55 эВ), As M45VV (31 эВ)и1М,.5КГ(510эВ).

Все СТМ-изображения были получены в режиме постоянного тока как для заполненных, так и для свободных состояний поверхности. Туннельный ток во всех экспериментах составлял 0.1 нА.

Глава 3. На основе интегральных методов анализа поверхности, таких как электронная оже-спектроскопия, термодесорбционная масс-спектрометрия, дифракция медленных электронов дано описание поверхностных процессов при адсорбции йода и термическом удалении продуктов реакции.

Установлено, что при адсорбции йода на поверхности GaAs(001)-4x2 происходит заполнение хемосорбированного монослоя и на этом реакция йодирования прекращается. В оже-спектрах и в спектрах термодесорбции (ТД) наблюдается насыщение линий, характеризующих наличие йода на

поверхности. Дифракция медленных электронов (ДМЭ) показывает, что исчезновение исходной структуры 4x2 происходит при заполнении примерно 65-75 % насыщенного слоя йода (в = 0.7): на картине дифракции исчезают дробные рефлексы, остаются только рефлексы 1x1. В СТМ-изображениях насыщенного монослоя йода больших участков поверхности с упорядоченной структурой не наблюдается. Отсюда сделано заключение, что при разрушении атомной структуры с периодом 4x2 новая упорядоченная поверхностная структура не образуется, а наблюдаемые картины ДМЭ 1x1, по-видимому, связаны с дифракцией от 2-го и 3-го атомных слоев подложки.

Температура, "С

Рис.1 Спектр термодесорбции продуктов реакции при формировании на поверхности GaAs(001)-lxl-I насыщенного монослоя йода {в = 1.0).

В спектрах ТД вне зависимости от степени покрытия наблюдается два температурных пика Gal. Соединения йода с мышьяком обнаружены не были. На рис.1 приведен спектр ТД при нагреве насыщенного монослоя йода. Помимо пиков Gal на нем присутствует пик As2. Мышьяк начинает появляться в масс-спектрах лишь при исходной степени покрытия йода, превышающей 0.7, и достигает максимума при десорбции монослойного покрытия. Из этого факта следует, что при в < 0.7 происходит обеднение

поверхности галлием вследствие его удаления в виде Gal. Появление пика As; при десорбции слоя йода при в > 0.7, можно объяснить тем, что после удаления значительной части атомов галлия первого слоя подложки, открывается атомный слой мышьяка со структурой 1x1, которая является нестабильной и предполагает удаление части атомов для формирования стабильной As-обогащенной структуры, например 2x4. Как следует из данных ЭОС, чистой поверхности GaAs{001), полученной в результате десорбции продуктов реакции с йодом, соответствует более высокое соотношение As/Ga, чем для исходной структуры 4x2. Максимальное соотношение As/Ga наблюдается после десорбции йода при в ~ 0.7, Дальнейшее обогащение поверхности мышьяком невозможно из-за указанной термодесорбции мышьяка при в > 0.7.

Анализ картин ДМЭ от поверхности, получаемой в результате десорбции йода при различной исходной степени покрытия (измерены 6 = 0.J5, 0.40, 0.70, 1.0), позволяет однозначно интерпретировать лишь структуру, получаемую при термодесорбции насыщенного монослоя. Это As-стабилизированная реконструкция 2x4. Для определения других структур были проведены подробные СТМ-иеследования (гл. 6).

Рис.2 СТМ-изображения фрагмента 240x240 к2 поверхности СаА5(001)-4х2, полученные в разных полярностях туннельного напряжения, а) свободные состояния, напряжение на образце и5 = +2.8 В, б) заполненные состояния, и£ = -3.5 В.

Глава 4, Приведены эксперименты по изучению атомной структуры поверхности ОаАк(001)-4х2, в результате которых было установлено, что данная структура адекватно описывается ^-моделью [2].

Установлено, что получаемое в СТМ-изображениях распределение свободных электронных состояний (на образец подается положительный потенциал) поверхности СаА5(00])-4х2 не отражает распределение атомов С а в приповерхностном слое подложки и представляет собой структуру, «волнообразную» вдоль направления (-110) (рис.2а). Период этой структуры равен периоду реконструкции Аа и составляет 16 А. Анализ СТМ-изображений свободных состояний чистой поверхности СаЛ8(001 )-4х2 не позволяет получить информацию об ее атомной структуре.

(а)

(б)

Ряд днмеров Ряд вакансий ♦ \

(в)

И-

[по]

и =-3.5В

Ц = -2.2В

Рис.3 а) СТМ-изображения одного и того же фрагмента (90x55 А2) поверхности СаА$(001 )-4х2 при разных туннельных напряжениях, б) компьютерное моделирование СТМ-изображений поверхности в рамках ^-модели [2], в) - схема ^-модели [2], светлыми стрелками указаны атомы мышьяка, ограничивающие ряд вакансий, темными стрелками указаны атомы мышьяка, связанные с димерами ва-Са (О), атомы галлия в 2-состояниях отмечены Р. Рамкой выделена элементарная ячейка 4x2.

СТМ-изображения, полученные в обратной полярности, представляют

собой чередующиеся темные и светлые полосы, на которых наблюдаются яркие особенности, т.н. «духи» - локальные возмущения электронной плотности состояний (зарядовые особенности). Природа этих особенностей до сих пор не ясна, и наиболее реалистичным их объяснением является локализация поверхностных состояний [3]. От скана к скану распределение «духов» по поверхности может претерпевать изменения. На СТМ-изображениях заполненных состояний присутствуют значительные участки поверхности, не занятые «духами», что позволяет сделать выводы о положении атомов мышьяка в структуре СаА5(001)-4х2. Изображения заполненных электронных состояний подложки сильно зависят от туннельного напряжения. На рис.За показаны изображения одного и того же фрагмента поверхности, записанные при туннельных напряжениях -2.5 и -3.5 В, соответственно. В первом случае «духи» наблюдаются в светлых полосах, во втором - в темных. Это объясняется тем, что атомы мышьяка на поверхности присутствуют в двух различных состояниях. Наблюдаемое переключение интенсивностей в СТМ-изображениях соответствует предсказаниям (¡-модели (рис.Зв) [2]. СТМ-изображения заполненных состояний, вычисленные в рамках (¡-модели, также зависят от напряжения в туннельном зазоре (рис.36) [2]. Однако значение напряжения, при котором происходит переключение интенсивности полос, образованных атомами мышьяка, ограничивающими ряды вакансий, и атомами мышьяка связанными с димерами ва-Са, не совпадает с полученным экспериментально. Поэтому, отмеченное несоответствие необходимо учитывать при интерпретации СТМ-изображений заполненных состояний СаАх(001)-4х2.

Адсорбция на поверхности СаА8(001)-4х2 незначительного количества йода приводит к улучшению качества СТМ-изображений заполненных состояний. На рис.4 показано СТМ-изображение СаЛ8(001)-4х2-1(0= 0.03) с атомным разрешением. Положения атомов мышьяка на рис.4

хорошо совпадают с положениями, задаваемыми ¡¡-моделью, и образуют чередую и! неся пары сдвоенных рядов с периодом 4 и 8 А вдоль направления (ПО). Это хорошо видно на увеличенном фрагменте изображения в нижней части рис.4.

Рис.4 Атомно-разрешенное СТМ-изображение поверхности ОаАк((Ю1)-4х2-1 (<?= 0.03) (180x140 А2 , ив = -2.7 В). На фрагмент изображения в нижней части рисунка наложена атомная схема ^-модели, в которой атомы Аз изображены белыми, а атомы Са - черными кружками.

Ряды атомов мышьяка с периодом 4 А вдоль (ПО) ограничивают ряды вакансий атомов галлия, ряды атомов мышьяка, имеющих период 8 А вдоль (110), связаны с димерами Оа-Са. На фрагменте также явно видно смещение вдоль направления (-110) тех атомных рядов мышьяка, внутри которых

находится ряд димеров галлия, по сравнению с положениями, задаваемыми С-моделью. Измеренные величины смещений составляют 0.60 ± 0.25 А. Обнаруженное несоответствие реального положения атомов мышьяка расчетным позициям требует корректировки ^-модели и, по-видимому, определяется неучтенным в ней взаимодействием димеров ва-ва и связанных с ними атомов мышьяка с нижележащими атомами.

СТМ-изображения свободных состояний претерпевают существенные изменения при адсорбции йода. «Волнообразная» структура, представленная на рис,2а исчезает, в изображении проявляется атомная структура подложки. Определенная сложность получения качественных изображений заключалась в высокой подвижности атомов адсорбата при сканировании в этой полярности. Тем не менее, на отдельных участках поверхности достигалось атомное разрешение.

(а) (б)

Ьиа димеров Ряд галлия в 5р -состояниях

I ♦

Ц = +3.0В и, = +1.1В

Рис.5 а) 'фрагменты (60x30 А2) СТМ-изображений ОаА5(001)-4х2, б) компьютерное моделирование СТМ-изображений этой же поверхности [2].

и5 = +2.8В

и. « +0.8В

Фрагменты СТМ-изображений подложки, полученные при разных туннельных напряжениях, приведены на рис.5а. Они в деталях совпадают с

рассчитанными теоретически [2] (рис.5б). При низком туннельном напряжении атомы галлия в 8р2-состояниях видны через один, при повышении напряжении все атомы галлия присутствуют в изображении. Как и в случае заполненных состояний, наблюдается несоответствие значения туннельного напряжения, при котором происходит изменение СТМ-изображения. Однако, СТМ-изображения свободных состояний мало зависят от туннельного напряжения, и это не влияет на их интерпретацию.

Таким образом, ¿¡-модель с достаточно хорошей точностью описывает реконструкцию СаА8(001)-4х2. Обнаруженное смещение атомов мышьяка, связанных с димерами Оа-ва, требует корректировки модели, но при определении позиций атомов адсорбата, образующих связи с другими атомами подложки, ¿¡-модель может быть использована.

Глава 5. Описаны исследования основных атомных структур, формируемых йодом на поверхности СаА«(001)-4х2 в зависимости от степени покрытия.

Рис.6 а,б) фрагмент поверхности СаА$(001)-4х2, 300x300 А2 до и после напуска йода (в« 0.01), из = -2.2 В.

Установлено, что на начальной стадии взаимодействия йод адсорбируется над вакансионными рядами поверхности С5аА5(001)-4х2. Это видно на рис.4, где яркие особенности атомного размера наблюдаются над более интенсивными рядами мышьяка (см. рис.Зв). Данные особенности идентифицированы как атомы йода, т.к. их количество коррелирует с

интенсивностью оже-ника йода. Атомы адсорбата на поверхности ОаАй(001)-4x2, не локализованные на конкретных оборванных связях, обнаружены впервые. В этой связи были проведены дополнительные исследования по изучению природы петров адсорбции йода в вакансионных рядах. Для этого йод адсорбировался на поверхность непосредственно в СТМ, что позволило проследить изменения СТМ-изображения конкретного участка поверхности при адсорбции. Полученные результаты приведены на рис.6а,б. Из них отчетливо видно, что после экспозиции йода на СТМ-изображении появляются новые элементы, позиции которых совпадают с положениями «духов» на исходном изображении (позиции «духов» и адсорбата определены относительно дефекта поверхности). Следовательно, центрами адсорбции в вакансионных рядах поверхности ваАз(003 )-4х2 являются ее зарядовые особенности.

ч I

- .. .Л

Рис.7 СТМ-изображения СаА8(001)-4х2-1 при различной степени покрытия атомами йода (в), а) 0=0.05,48x75 А2, из=-2.2 В; б) 0.15, 56x32 А2,^--2.2 В; в) $= 0.3, 56x32 А2, и, =-2.2 В; г) в= 0.25, 90x94 А2, и, - +2.8 В; Кадры а) и г) наблюдаются при низкой исходной плотности «духов», б) и в) - при высокой плотности «духов».

Превращения структуры поверхности в зависимости от степени покрытия йодом показаны на рис.7,8. На рис.7 представлен ряд СТМ-изображений, демонстрирующий изменение атомной структуры поверхности по мере адсорбции йода (кадры взяты из разных экспериментов). На рис.8

приведена соответствующая схема структурных превращений поверхности.

При низкой степени покрытия (в< 0.1 0.2) атомы йода заполняют зарядовые состояния в вакансионных рядах, причем адсорбирующаяся молекула йода распадается на атомы, которые фиксируются в вакансионных рядах в окрестности «духа» (рис.7а, 8а).

а) б) в) г)

Рис.8 Схема аруктурных превращений поверхности ОаАя(001)-4х2-1 при увеличении степени покрытия йодом, а) - формирование зародышей адсорбированного йода на зарядовых состояниях в вакансионных рядах в виде димеров йода, в < 0.1; б) - рост зародышей йода путем присоединения атомов к димеру йода при адсорбции на атомы галлия а 8р2-состояниях, 9~ 0.05-0.2; в) - заполнение йодом 8р2-центров, в = 0.2-0.4; г) - заполнение оборванных связей наддимерами галлия, в- 0.4-0.7,

После того как произошло заполнение всех зарядовых состояний, адсорбция йода происходит путем присоединения атомов йода к существующим зародышам, при этом начинают заполняться адсорбционные центры над атомами галлия в хр2-состояниях (рис.7а,б, 86). Сначала образуются тримеры с раздвиганием атомов йода исходного зародыша внутри вакансионного ряда (рис.7а,б, 86), а затем происходит разделение исходного ряда атомов йода (случай высокой плотности исходных зарядовых состояний) на два ряда, располагающихся над атомами галлия в ^-состояниях (рис.76,в и 8в), Установлено, что атомы йода из вакансионного ряда могут переходить в ряд галлия в кр2-с о стояниях (рис.8б). После заполнения примерно половины

оборванных связей над атомами галлия в 8р2-состояниях атомы йода начинают заполнять адсорбционные центры над димерами Ga-Ga (рис.7г, 8г), при этом происходит уплотнение атомов йода в направлении (-110): характерные расстояния на рис.7в составляют 8 Á, а на рис.7г все расстояния примерно равны 5 Á. Здесь также следует различать два случая: случай низкой плотности исходных зарядовых состояний (примерно через 32-50 Á в направлении (110)) и случай высокой плотности (16-32 Á). В первом случае происходит заполнение всех адсорбционных состояний над атомами и димерами Ga-Ga в окрестности "духа" (формируются островки), причем остаются участки поверхности, не заполненные йодом. Именно этот случай показан на рис.7г. Рост островков йода приводит к уплотнению структуры вдоль направления (110), что при степени покрытия в = 0.7 вызывает разрушение реконструкции подложки (дробные рефлексы в картине дифракции медленных электронов исчезают). Во втором случае сначапа происходит заполнение центров над 8р2-состояниями по всему образцу, а затем начинается адсорбция над димерами галлия. После заполнения примерно половины связей над 8р2-состояниями и всех оборванных связей над димерами галлия (в = 0.7) происходит уплотнение слоя, по-видимому, путем заполнения оставшихся оборванных связей над sp'-состояниями с разрушением исходной периодичности 4x2.

Глава 6. Описаны процессы термического удаления галлия с поверхности GaAs(001)-4x2, покрытой йодом, и определены результирующие атомные структуры поверхности GaAs(OOl).

При нагреве хемосорбированный йод вне зависимости от степени покрытия покидает поверхность GaAs(001)-4x2 в виде Gal (гл. 3). Этому соответствует два пика в спектре ТД =200 °С и =250 °С (для покрытий близких к монослою). При уменьшении исходной степени покрытия пики синхронно смещаются в сторону меньших температур. Установлено, что даже

при очень малой степени покрытия, когда йод занимает места в в ака не ионных рядах, структура спектра термодесорбции остается практически неизменной. Для выяснения происхождения указанных пиков ТД и их связи с наблюдаемыми атомными структурами были проведены дополнительные эксперименты. Их результаты представлены на рис.9.

Рис.9 а) фрагмент 710x475 А2 поверхности GaAs{001)-4x2-I (0 = 0.15), Us =-2.5, б) пик Gal в спектре полной и частичной десорбции йода с поверхности (а), в) фрагмент 550x375 Л2 результирующей поверхности после полной десорбции Gal, Us = -2.5 В, г,д) фрагменты 420x210 Á2 и 120x70 А2 поверхности после частичной десорбции Gal, Us = +2.8В.

На первом этапе была проведена адсорбция йода с контролем степени покрытия в СТМ, в результате чего были заняты все адсорбционные состояния в вакансионных рядах и образовано некоторое количество

островков, содержащих атомы йода на оборванных связях галлия в sp2-состоянии и димерах Ga-Ga, аналогичных структурам, представленным на рис.7г (рис.9а) (положение островка указано стрелкой). Также видно, что на исходной поверхности вблизи краев атомных ступеней присутствует структура пхб. После этого был проведен нагрев поверхности до полного удаления атомов йода (250 °С). Аналогичный эксперимент (адсорбция йода и нагрев) был проведен повторно, но нагрев был остановлен после достижения максимума первого пика в спектре ТД, 150 °С (рис.9б).

Если в первом случае, помимо восстановления исходной структуры 4x2 на основной площади образца (центры террас), вблизи краев атомных ступеней наблюдалось существенное увеличение фазы со структурой пхб (рис.9в), то во втором случае в СТМ-изображениях на рис.9г,д наблюдались структурные дефекты, связанные с удалением атомов галлия. На поверхности также присутствовал остаточный йод в состояниях над димерами Ga-Ga как на террасе (рис.9д), так и вблизи атомной ступени (рис.9г). Таким образом, при температуре образца равной 150 °С восстановления структуры не происходкт и наблюдаются места вытравливания поверхности, как в центре террасы (рис.9д), так и вблизи атомной ступени (со стороны верхней и нижней террасы) (рис.9г).

Представленные данные интерпретированы следующим образом. При нагреве атомы йода, адсорбированные в вакансионных рядах, представляющих собой потенциальные каналы, диффундируют к краям ступеней. В результате вблизи ступеней происходит увеличение локальной плотности покрытия и идет взаимодействие йода с оборванными связями галлия в димерах и Бр2-состояниях по схеме, представленной на рис.8. Далее при должной температуре йод удаляется с поверхности в виде Gal, причем первый пик связан с удалением галлия из яр^состояний, а второй пик в ТД - с удалением галлия из димеров.

Установлено, что полное удаление атомов галлия верхнего слоя в виде

Оа! и части (избытка) атомов мышьяка в виде Аз2 при нагреве исходного насыщенного слоя йода до температуры около 250 °С (рис.1) приводит к формированию новой структуры 2x4 (рис. Юг). Представленное на рис. Юг СТМ-изображение по качеству вполне соответствует Ав-обогащенным структурам, получаемым в процессах молекулярно-лучевой эпигаксии [4].

Рис.10. СТМ-изображения поверхности ОаАв^О 1), полученные путем адсорбции йода заданной степени покрытия на структуру 4x2 и последующего нагрева до 250 °С со скоростью 1 град/с. а) - 6>= 0.15, 185x95 А2, и5 =+2.8 В; б) 0= 0.4,450x240 А2, и5 =-2.5 В; в) 0= 0.6, 371x200 А2, и8 =-2.5 В; г) в= 1.0, 193x104 А2, и5 =-2.5 В.

Если провести процесс, включающий в себя адсорбцию йода на поверхность СаА5(001)-4х2 и полную десорбцию продуктов реакции, при исходной степени покрытия йодом 0.2 <6 < 0.4, поверхность претерпит частичный структурный переход 4х2->пх6 (рис.Юа), приводящий к увеличению доли реконструкции пхб на поверхности образца. В левой верхней части Рис. Юа отчетливо видна структура 4x2. При десорбции йода при 0.4 <в < 0.5 переход 4x2—>пх6 происходит полностью (рис.Юб). В результате термического удаления с СаАя(001)-4х2 слоя йода со степенью покрытия 0.5 < в < 0.7 наблюдается формирование сложных локальных

структур, обогащенных мышьяком. (рис.Юв). Измеренное отношение интенсивностей пиков Аз/Оа в оже-спектре этой поверхности оказалось больше чем для Ав-стабилизированной фазы 2x4. Интерпретация данной структуры представляется как поверхность, состоящая из избыточных атомов мышьяка, расположенных над слоем структуры 2x4.

Таким образом, молекулярный йод можно использовать для подготовки поверхности СаАз(001) с заданной атомной конфигурацией (реконструкцией), определяемой соотношением атомов галлия и мышьяка на поверхности, а также для улучшения атомной гладкости поверхности за счет многократных циклов селективного травления атомных ступеней, проводимых при малой исходной степени покрытия поверхности йодом. Основные выводы

1. Экспериментально установлено, что атомная структура поверхности СаАя(001)-4х2 наиболее адекватно описывается ^-моделью, предложенной работе [2]. Впервые в СТМ-изображениях получены переключения интенсивности заполненных электронных состояний, предсказанные на основе ¡¡-модели.

2. Впервые установлено, что при малой степени покрытия {в < 0.1) поверхности СаА$(001)-4х2 атомы йода адсорбируются над вакансионными рядами в виде пар. Центрами адсорбции являются зарядовые особенности данной поверхности, наблюдаемые в заполненных состояниях (в валентной зоне) над вакансионными рядами.

3. Впервые установлено, что в процессе формирования монослоя атомы йода из вакансионных рядов могут переходить на оборванные связи над атомами галлия в зр2-состояниях.

4. Впервые установлено, что концентрация зарядовых особенностей на исходной поверхности СаАв(001)-4х2 влияет на начальную стадию адсорбции йода. При их низкой концентрации наблюдается рост островков, состоящих из атомов йода, адсорбированных как над атомами

GaAs(OOl) surfaces// App.Surf.Sci. - 1999. - V. 141, N. 3-4,- P. 244-263 .

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Общие сведения.

1.1.1 Терминология и список сокращений.

1.1.2 Реконструкция и релаксация поверхности.

1.2 Реконструкция поверхности GaAs(OOl).

1.2.1 Атомная структура кристалла GaAs.

1.2.2 Формирование поверхности GaAs(OOl).

1.2.3 Реконструкция GaAs(001)-c(4X4).

1.2.4 Реконструкция GaAs(001)-2X4/c(2X8).

1.2.5 Реконструкции GaAs(001)-nX6.

1.2.6 Реконструкция GaAs(001)-4X2/c(8X2).

1.2.7 Реконструкция G(4X6).

1.3 Взаимодействие галогенов с поверхностью GaAs(OOl).

1.3.1 Общие закономерности взаимодействия галогенов с поверхностью.

1.3.2 Взаимодействие XeF2 с поверхностью GaAs(OOl).

1.3.3 Взаимодействие С12 с поверхностью GaAs(OOl).

1.3.4 Взаимодействие. Вг2 с поверхностью GaAs(OOl).

1.3.5 Взаимодействие 12 с поверхностью GaAs(OOl).

1.4 Выводы к главе 1 и постановка задачи.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА, МЕТОДЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1 Экспериментальная установка.

2.2. Измерение температуры.

2.3 Процедура подготовки поверхности GaAs(001)-4x2.

2.4 Методика эксперимента и методы измерений.

2.4.1 Методика эксперимента.

2.4.2 Электронная оже-спектроскопия.

2.4.3 Термодесорбционная спектроскопия.

2.4.4 Дифракция медленных электронов.

2.4.5 Сканирующая туннельная микроскопия.

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО ЙОДА С ПОВЕРХНОСТЬЮ GAAS(001)-4x2.

3.1 Адсорбция молекулярного йода на поверхность GaAs(001)-4x2.

3.2. Десорбция йода с поверхности GaAs(001)-4x2.

3.3 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. АТОМНАЯ СТРУКТУРА ПОВЕРХНОСТИ GAAS(001)-4x2.

4.1 Структура атомно-чистой поверхности GaAs(001)-4x2.

4.2 Структура GaAs(001)-4x2 при низкой степени покрытия атомами йода.

4.2.1 Заполненные состояния.

4.2.2 Свободные состояния.

4.3 Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. АДСОРБЦИОННЫЕ ЦЕНТРЫ ПОВЕРХНОСТИ GAAS(001)-4x2 ДЛЯ АТОМОВ ЙОДА.

5.1 Параметры сканирования.

5.2. Центры зародышеобразования.

5.3 Формирование хемосорбированного слоя йода.

5.3.1. Низкая концентрация «духов».

5.3.2 Высокая концентрация «духов».

5.4. Структура насыщенного монослоя йода (0= 1.0).

5.5. Выводы к главе 5.

ГЛАВА 6. УПРАВЛЕНИЕ АТОМНОЙ СТРУКТУРОЙ ПОВЕРХНОСТИ GAAS(001).

6.1 Десорбция йода.

6.2 Результирующие атомные структуры GaAs(OOl).

6.3 Выводы к главе 6.

Кристалл GaAs является основным материалом СВЧ, оптической и спиновой электроники. Исследования атомной структуры и электронных свойств его поверхностей интенсивно ведутся на протяжении нескольких десятилетий. В течение этого времени также совершенствовались сверхвысоковакуумные (СВВ) технологии роста кристаллов. На настоящий момент молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) позволяет получать GaAs высокой чистоты, тем не менее, точные данные об атомных структурах даже основных граней кристалла отсутствуют. Это связано с тем, что в зависимости от условий роста или последующей обработки зависит отношение концентраций атомов Ga и As в приповерхностном слое образца, поэтому на одной и той же грани может формироваться несколько устойчивых сложных атомных структур (реконструкций), с разным отношением As/Ga. Такая ситуация особенно актуальна для полярных граней кристалла, в частности (001), которая является основной поверхностью для производства приборов на основе GaAs. Тип реконструкции GaAs(OOl) определяет электронные свойства приповерхностного слоя и химическую активность поверхности. Поэтому существенный научный и технологический интерес заключается в получении точных данных об атомных структурах, формируемых на этой грани, определении их предпочтительных центров адсорбции и описании процессов формирования различных поверхностных структур на атомном уровне.

В настоящей работе представлены результаты исследования взаимодействия GaAs(001)-4x2 с молекулярным йодом. Эта реакция помимо изучения химических свойств и атомной структуры поверхности GaAs(OOl)-4x2 интересна тем, что йод является перспективным реагентом для управления атомной структурой поверхности GaAs(OOl) путем изменения отношения As/Ga в приповерхностном слое. Известно, что термическое удаление (нагрев до 300 °С) насыщенного хемосорбированного монослоя (МС) йода с Ga-стабилизированной поверхности GaAs(001)-4x2 приводит к формированию As-стабилизированной фазы GaAs(001)-2x4 [1]. Таким образом, методика управления атомной структурой GaAs(OOl) посредством адсорбции-десорбции йода может стать альтернативой МЛЭ, которая на настоящий момент является единственной технологией для решения этой задачи. Следует отметить, что реакция взаимодействия йода с GaAs(OOl) при комнатной температуре вне зависимости от реконструкции останавливается с формированием насыщенного МС [1], это ограничивает его воздействие одним атомным слоем подложки и заведомо позволяет избежать травления поверхности. Это основная причина, по которой именно молекулярный йод был выбран в качестве реагента, поскольку есть указания, что другие галогены (F2, СЬ, Вг2) травят поверхность GaAs(OOl) и, тем самым, существенно ухудшают ее атомную гладкость.

Выбор реконструкции GaAs(001)-4x2 в качестве исходного объекта исследований обусловлен тем, что данная поверхность является фактически единственной структурой высокого качества, которую можно подготовить в СВВ без применения технологий роста, используя стандартный метод подготовки - ионное травление и последующий отжиг. Кроме того, GaAs(001)-4x2 одна из структур, максимально обогащенных галлием. Поэтому остается возможность получения всех реконструкций по степени обогащения галлием, находящихся в интервале 4x2 —► 2x4, поскольку базовое предположение, нашедшее свое подтверждение в данной диссертации, основано на том, что структурный переход 4x2 —► 2x4 наблюдаемый в работе [1], обусловлен преимущественным удалением атомов галлия в процессе термической десорбции монослоя йода. Целью диссертационной работы является экспериментальное изучение атомных структур, формируемых молекулярным йодом на поверхности GaAs(001)-4x2 в процессах адсорбции йода и термического удаления продуктов реакции, определение центров адсорбции и описание механизмов структурных превращений поверхности. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Получить атомно-разрешенные изображения поверхности GaAs(001)-4x2 в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) для определения ее точной атомной структуры.

2. На основании полученных экспериментальных данных определить атомную модель поверхности, наиболее адекватно описывающую реконструкцию GaAs(001)-4x2.

3. Определить места адсорбции йода на поверхности GaAs(001)-4x2 в зависимости от степени покрытия и изучить возможные структурные превращения поверхности.

4. Определить продукты реакции йода с поверхностью GaAs(001)-4x2 и идентифицировать пики, наблюдаемые в спектрах термодесорбции.

5. Определить атомные поверхностные структуры, получаемые в результате десорбции продуктов реакции I2+GaAs с поверхности GaAs(001)-4x2 при разной степени покрытия йодом.

Диссертация структурно состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Основные выводы диссертации могут быть сформулированы следующим образом.

1. Экспериментально установлено, что атомная структура поверхности GaAs(001)-4x2 наиболее адекватно описывается ^-моделью, предложенной работе [2]. Впервые в СТМ-изображениях получены переключения интенсивности заполненных электронных состояний, предсказанные на основе (^-модели.

2. Впервые установлено, что при малой степени покрытия (#<0.1 - 0.2) поверхности GaAs(001)-4x2 атомы йода адсорбируются над вакансионными рядами в виде пар. Центрами адсорбции являются зарядовые особенности данной поверхности, наблюдаемые в заполненных состояниях (в валентной зоне) над вакансионными рядами.

3. Впервые установлено, что в процессе формирования монослоя атомы йода из вакансионных рядов могут переходить на оборванные связи над атомами галлия в зр2-состояниях.

4. Впервые установлено, что концентрация зарядовых особенностей на исходной поверхности GaAs(001)-4x2 влияет на начальную стадию адсорбции йода. При их низкой концентрации наблюдается рост островков, состоящих из атомов йода, адсорбированных как над атомами галлия в sp -состояниях, так и над димерами Ga-Ga. При высокой концентрации исходных зарядовых особенностей адсорбция на оборванные связи над димерами Ga-Ga начинается после заполнения половины оборванных связей над атомами галлия в зр2-состояниях.

5. Впервые определены атомные структуры, формируемые йодом на поверхности GaAs(001)-4x2 вплоть до степени покрытия в « 0.7. На основании СТМ-данных предложена структурная схема превращений в слое адсорбированного йода.

6. Впервые установлено, что на поверхности GaAs(OOl) молекулярный йод взаимодействует только с атомами галлия, что позволяет путем регулирования исходной степени покрытия йодом (0.1 < в < 1.0) изменять структуру поверхности от реконструкции 4x2, наиболее обогащенной галлием, через непрерывный ряд структур типа пхб или более сложных локальных структур до реконструкции 2x4, обогащенной мышьяком.

Следует отметить серьезную практическую значимость результатов работы. Полученное понимание механизма и последовательности взаимодействия йода с атомами галлия и мышьяка позволяют предложить новый способ изготовления поверхности GaAs(OOl) заданной атомной реконструкции, основанный на селективном удалении нужного количества атомов галлия йодом и нагреве до температуры поверхностной диффузии. Молекулярный йод можно использовать также для улучшения атомной гладкости поверхности за счет многократных циклов селективного травления атомных ступеней, проводимых при малой исходной степени покрытия поверхности йодом. Предлагаемый способ формирования нужной реконструкции и выглаживания поверхности крайне важен для многих исследований, проводимых на поверхности арсенида галлия, поскольку не требует дорогостоящего технологического оборудования, такого как молекулярно-лучевая эпитаксия, и может быть применен в любой исследовательской или технологической (лабораторной) сверхвысоковакуумной установке. Области возможного применения -оптическая, спиновая и СВЧ-электроника современного уровня, где требуется подготовка исходной поверхности GaAs заданной атомной реконструкции, определяющей качество конечного продукта.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Константину Николаевичу Ельцову за постоянную заботу, внимание и помощь в работе. Особую признательность автор выражает сотрудникам лаборатории поверхностных явлений ЦЕНИ ИОФ РАН Шевлюге Владимиру Михайловичу и Климову Андрею Николаевичу за поддержку и помощь при проведении исследований.

Заключение

В диссертационной работе впервые на атомном уровне представлена непротиворечивая картина структурных превращений поверхности GaAs при воздействии галогенов, созданная на основе полученных экспериментальных результатов. Методами сканирующей туннельной микроскопии, масс-спектрометрии, электронной спектроскопии и дифракции была изучена реакция взаимодействия молекулярного йода с поверхностью GaAs(001)-4x2 и выявлены основные закономерности формирования насыщенного монослоя йода при адсорбции молекулярного йода и реконструкции верхних слоев поверхности при термической десорбции продуктов химической реакции.

Для того, чтобы на атомном уровне контролировать процессы, протекающие на поверхности GaAs(001)-4x2, и, в первую очередь, иметь возможность идентификации мест адсорбции йода, необходимо знать исходную атомную структуру чистой поверхности. Принимая во внимание, что в результате атомной реконструкции в верхнем слое полярной поверхности (001) могут присутствовать как атомы галлия, так и атомы мышьяка, было крайне желательно установить точное пространственное расположение каждого отдельного атома и его тип (галлий или мышьяк) для структуры 4x2. Нами было надежно установлено, что наиболее адекватно данная реконструкция поверхности GaAs(OOl) описывается ^-моделью, предложенной в 2000 г. в работе [2]. Было экспериментально показано, что, в основном, атомы галлия и мышьяка занимают места, определенные ^-моделью, за исключением атомов мышьяка в реконструированных положениях, которые оказались смещенными на 0.60±0.25 А в направлении (-110). В наших экспериментах впервые наблюдались переключения интенсивности СТМ-изображений атомов мышьяка, расположенных в неэквивалентных положениях, в зависимости от туннельного напряжения, предсказанные в [2]. В ходе экспериментов была выявлена важная особенность поверхности GaAs(001)-4x2, которая не описывается ^-моделью, но существенным образом определяет поведение адсорбированных атомов йода. Имеется в виду наличие поверхностных зарядов (т.н. "духов") в вакансионных рядах на чистой поверхности GaAs(001)-4x2, которые, являясь потенциальной ямой для такого адсорбата как йод, при небольших расстояниях между ними вдоль вакансионного ряда могут формировать потенциальные каналы для поверхностной диффузии атомов йода. Нами было надежно установлено, что процесс зародышеобразования адсорбционного слоя йода начинается именно на указанных зарядовых особенностях и развивается либо в отдельной потенциальной яме, образованной в окрестности "духа", либо вдоль вакансионного ряда в случае формирования потенциального канала из близко расположенных "духов". И в том, и в другом случае процесс проходит сходным образом: сначала в потенциальной яме происходит диссоциация молекулы йода на отдельные атомы, которые в СТМ-изображениях наблюдаются как пары атомов с межатомным расстоянием около 6 А (стадия 1), затем под действием новых атомов йода, которые адсорбируются вблизи потенциальной ямы на оборванные связи атомов галлия в sp2-состояниях, происходит "раздвигание" исходной пары атомов йода в вакансионном ряду за края атомных рядов йода, расположенных над Gaл sp (стадия 2). Установлено, что только после формирования рядов атомов йода в положениях над Ga-sp2 со средним расстоянием между рядами около 8 А, может происходить адсорбция йода на оборванные связи в димерах атомов галлия Ga-D (стадия 3). Заметим, что наблюдаемая картина абсолютно не соответствует расчетам, которые показали наибольшую энергию связи для галогена (С1) над оборванными связями Ga-D и должны были бы являться основными адсорбционными центрами [46]. Следует отметить, что заполнение йодом оборванных связей над рядами Ga-sp на второй стадии процесса происходит не над каждым атомом, а через один, в то время как в рядах Ga-D атомы йода располагаются над каждой оборванной связью. На последней стадии формирования монослоя (стадия 4) происходит заполнение йодом оставшихся оборванных связей над Ga-sp с разрушением исходной реконструкции 4x2. После этого адсорбция йода при комнатной температуре прекращается и поверхность образца пассивируется.

Удаление адсорбированных атомов йода в процессе нагревания поверхности происходит при температурах 150+-250 °С в виде двух пиков термодесорбции, состоящих из молекул Gal. Данный процесс был интерпретирован нами как сублимация верхнего слоя атомов галлия, связи которых с подлежащим слоем мышьяка сильно ослаблены за счет переноса электронной плотности на связи Ga-I. Это приводит к уменьшению температуры сублимации галлия примерно на 250-300 °С по сравнению с чистой поверхностью GaAs(001)-4x2. В работе экспериментально доказано, что атомы йода, находящиеся в вакансионных рядах над "духами", при нагревании подложки имеют возможность достигать края атомных ступеней и там (из-за повышения локальной степени покрытия) переходить на оборванные связи Ga-sp и Ga-D. Установлено, что более интенсивный пик термодесорбции с максимумом ~ 170 °С обусловлен удалением атомов галлия из sp -состояний, а пик с максимумом ~ 220 °С - удалением атомов галлия из димеров. В результате адсорбции йода и последующем термическом удалении заданного количества атомов галлия удалось контролируемым образом получать различные атомные реконструкции поверхности, обогащенные как галлием, так и мышьяком. Фактически в верхних атомных слоях происходило изменение соотношения атомов галлия и мышьяка, которое при температуре выше 200 °С соответствует

106 определенной реконструкции, поскольку поверхностная диффузия при этих температурах уже достаточна для атомной перегруппировки. Помимо известных реконструкций 4x6, 6x6, 2x4, получаемых обычно с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии, нами была сформирована новая структура 2x4+2x4, обогащенная мышьяком, которая представляет собой структуру 2x4, поверх которой лежат реконструированные цепочки димеров мышьяка на слое атомов галлия в структуре 2x4. Ниже приведена обобщенная схема атомных превращений поверхности GaAs(001)-4x2, составленная на основе полученных экспериментальных данных.

Адсорбция 12

Степень покрытия, МС

-1-1-1-1-Г+

0.1 0.2 0.4 0.7 1.0

Стадия 1 и-Стадия 2-н Стадия 3 Стадия 4

Атомные структурь»1

4x2 + пхб вдоль краев атомных ступеней

2x4 + пхб островки 2x4

2x4

Обобщенная схема структурных превращений поверхности GaAs(OOl)-4x2 при адсорбции молекулярного йода и последующем нагреве.

1. Varekamp P.R., Hakkansson М.С., Kanski J. et al. Reaction of with001. surfaces of GaAs, InAs and Insb. 1. Chemical interaction with the substrate// Phys. Rev. В 1996. - V. 54. - P. 2101 - 2113.

2. Lee S.-H., Moritz W., Scheffler M. GaAs(OOl) surface under conditions of low As pressure: evidence for novel surface geometry// Phys. Rev. Lett. -2000.-V.85.-P. 3890-3893.

3. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин A.A. и др. Введение в физику поверхности М. Наука, 2007.

4. Harrisson W.A. Theory of polar semiconductor surfaces// J. Vac. Sci. Technol. В 1979. -V. 16. - P. 1492 - 1496.

5. Wood E.A. Vocabulary of surface crystallography// J. Appl. Phys. -1964.-V. 35.-P. 1306- 1311.

6. Larsen P.K., Chadi D.J. Surface structure of As-stabilized GaAs(OOl): 2x4, c(2x8), and domain structures//. Phys. Rev. В 1988. - V. 37. - P. 8282-8288.

7. McLean J.G., Kruse P., Kummel A.C. Atomic structure determination for GaAs(001)-(6><6) by STM// Surf. Sci. 1999. - V. 424. - P. 206 - 218.

8. Melloch M., Woodball J., Harmon E. Low-Temperature Grown III-V Materials// Annu. Rev. Mater. Res. 1995. - V. 25. - P. 547 - 600.

9. Ohno H., A. Shen, F., Matsukura F. (Ga,Mn)As: A new diluted magnetic semiconductor based on GaAs// Appl. Phys. Lett. 1996. - V. 69. - P. 363 -365.

10. Massies J., Etienne P., Dezaly F., Linh N. Stoichiometry effects on surface properties of GaAs {100} grown in situ by MBE// Surf. Sci. 1980. -V. 99.-P. 121-131.

11. Sauvage-Simkin M., Pinchaux R., Massies J. Fractional Stoichiometry of the GaAs(OOl) c{AM) Surface: An In-Situ X-Ray Scattering Study// Phys. Rev. Lett. 1989. -V. 62. - P. 563 - 566

12. Northrup J.E., Froyen S. Structure of GaAs(OOl) surfaces: The role of electrostatic interactions// Phys. Rev. В 1994. - V. 50. - P. 2015 - 2018.

13. Biegelsen D.K., Bringans R.D., Northrup J.E., Swartz L.E. Surface reconstructions of GaAs(100) observed by scanning tunneling microscopy// Phys. Rev. В 1990. - V. 41. - P. 5701 - 5706.

14. Resch-Esser U., Esser N., Wang D.T. Surface quality and atomic structure of MBE-grown GaAs(100) prepared by the desorption of a protective arsenic layer// Surf. Sci. 1996. - V. 352 - 354. - P. 71 - 76.

15. Avery A.R., Holmes D.M., Sudijono J. The Location of Silicon Atoms and the Initial-Stages of Formation of the SI/GaAs(001) Interface Studied by STM// Surf. Sci. 1995. - V. 323. - P. 91 - 101.

16. Othake A., Koguchi N. Two types of structures for the GaAs(OOl)-c(4x4) surface// Appl. Phys. Lett. 2003. -V. 83. - P. 5193 - 5195.

17. Larive M., Jezequel G., Landesman J.P. Photoelectron-Spectroscopy Study of Ga 3d and As 3d Core Levels on MBE-Grown GaAs-Surfaces// Surf. Sci. 1994 - V. 304. - P. 298 - 308.

18. Chen W., Dumas M., Mao D., Kahn A. J. Work Function, Electron-Affinity, and Band Bending at Decaped GaAs(100) Surfaces// Vac. Sci. Technol. В 1992. - V. 10. - P. 1886 - 1890.

19. Chadi D.J. Atomic structure of GaAs(100)-(2xl) and (2x4) reconstructed surfaces// Vac. Sci. Technol. A 1987. - V. 5. - P. 834 - 837.

20. Pashley M.D., Haberern K.W. Compensating surface defects induced by Si doping of GaAs// Phys. Rev. Lett. 1991. - V. 67. - P. 2697 - 2700.

21. Xue Q.-K, Hashizume Т., Sakurai T. Scanning tunneling microscopy of III-V compound semiconductor (001) surfaces// Progress in Surf. Sci. -1997.-V. 56.-P. 1-131.

22. Farrell H.H., Palmstrom C.J. Reflection high energy electron diffraction characteristic absences in GaAs(lOO) (2x4)-As: A tool for determining the surface stoichiometry// Vac. Sci. Technol. В 1990. - V. 8. - P. 903 - 907.

23. Northrup J.E., Froyen S. Energetics of GaAs(100)-(2><4) and -(4x2) reconstructions// Phys. Rev Lett. 1993. - V. 71. - P. 2276 - 2279.

24. Jona F. Observations of "Clean" Surfaces of Si, Ge and GaAs by LEED// IBM Journal of Research and Development 1965. - V. 9. - P. 375 -387.

25. Frankel D.J., Yu C., Harbison J.P., Farrell H.H. High-resolution electron-energy-loss spectroscopy studies of GaAs (100) surfaces// J. Vac. Sci. Technol. В 1987. - V. 5. - P. 1113 - 1118.

26. Scala S.L., Hubacek S., J. R. Tucker J.R., Lyding J.W. Structure of GaAs(100)-c(8x2) determined by scanning tunneling microscopy// Phys. Rev. В 1993. - V. 48. - P. 9138 - 9141.

27. Xue Q.-K., Hashitzume Т., Zhou J.M. Structures of the Ga-Rich 4x2 and 4x6 Reconstructions of the GaAs(OOl) Surface// Phys. Rev. Lett. -1995.-V. 74.-P. 3177-3180.

28. Cerda J., Palomares F.J., Soria F. Structure of GaAs(100)- c(8*2)-Ga// Phys. Rev. Lett. 1995. - V. 75. - P. 665 - 658.

29. Pendry J.B. Phys. Reliability factors for LEED calculations// C: Solid St. Phys. 1980. - V. 13. - P. 937 - 944.

30. Kleinle G., Moritz W, Adams D.L., Ertl G. A novel procedure for fast surface structural analysis based on LEED intensity data// Surf. Sci. 1989. -V.219.-P. L637-645.

31. Tersoff J., Hammann D.R. Theory of the scanning tunneling microscope// Phys. Rev. В 1985. - V. 31. - P. 805 - 813.

32. Kruse P., McLean J.G., Kummel A.C. Localized excess negative charges in surface states of the clean Ga-rich GaAs(100)c(8x2)/4x2 reconstruction as imaged by scanning tunneling microscopy// J. Chem. Phys. 2000. - V. 113. - P. 2060 - 2063.

33. Андрюшечкин Б.В., Ельцов K.H., Шевлюга B.M. и др. Химическое состояние и атомная структура поверхности г.ц.к. металлов в реакции взаимодействия с галогенами// Труды ИОФАН Наука 2003. - Т. 59.

34. Eltsov K.N., Zueva G.Ya., Klimov A.N. Reversible coverage-dependent Cu + Clads -> CuCl transitions on Cu(l 11)/C12 surface// Surf. Sci. 1991. -V. 251 -252.-P. 753-758.

35. Bowker M., Waugh K.C. Chlorine adsorption and chlorination of Ag(100)// Ibid. 1987. - V. 179. - P. 254 - 256.

36. Simpson W.C, Durbin T.D., Varekamp P.R., Yarmoff J.A. The Grotwh of GaF3 Films on GaAs(llO) at Elevated-Temperatures Studied with Soft-X-Ray Photoelectron-Spectroscopy// J. Appl. Phys. 1995. - V. 77. - P. 2751 -2758.

37. W.C. Simpson W.C., Varecamp P.R., Shuh D.K, Yarmoff J.A. Soft-X-Ray Photoelectron-Spectroscopy Study of the Reaction of XeF2 with GaAs// J. Vac. Sci. Technol. В 1995. - V. 13. - P. 1709 - 1713.

38. Varecamp P.R., Simpson W.C., Shuh D.K. Electronic structure of GaF3 films grown on GaAs via exposure to ХеР2// Phys. Rev. B. 1994. - V. 50. -P. 14267-14276.

39. McLean A.B., Terminelo L.J., McFeely F.R. Core-level photoemission investigation of atomic-fluorine adsorption on GaAs(llO)// Phys. Rev. B. -1989.-V. 40.-P. 11778- 11785.

40. Su C., Xi M., Dai Z.-G. Dry etching of GaAs with Cl2: correlation between the surface CI coverage and the etching rate at steady state// Surf. Sci. 1993. V. 282. - P. 357 - 370.

41. Ludviksson A., Xu M.D., Martin R.M. Atomic Layer Etching Chemistry of C12 on GaAs(lOO)// Surf. Sci. 1992. - V. 277. - P. 282 -300.

42. Sallivan D.J.D, Flaum H.C., Kummel A.C. Competition Between Continuous Etching and Surface Passivation for Cl-2 Chemisorption onto GaAs(lOO) c(8x2), GAAS(IOO) c(2x8), and GsAs(llO) (lxl) Surfaces // J. Chem. Phys.- 1994.-V. 101.-P. 1582-1594.

43. McLean J.G., Kruse P., Guo-Ping J. Anomalous Mobility of Strongly Bound Surface Species: CI on GaAs(m)-c(%*2)lI Phys. Rev. Lett. 2000. -V. 85.-P. 1488- 1491.

44. Lee S.M., Lee S.-H., Scheffler M. Adsorption and diffusion of a CI adatom on the GaAs(001)-c(8><2) surface// Phys.Rev. B. 2004. - V. 69. -P. 125317.

45. Bharadwaj L.M., Bonhomme P., Faure J. J. Chemically assisted ion beam etching of InP and InSb using reactive flux of iodine and Ar + beam// Vac. Sci. Technol. В 1991. - V. 9. - P. 1440 - 1444.

46. Varecamp P.R., Hakkansson M.C., Kanski J. et al. Reaction of I2 with the (001) surfaces of GaAs, InAs, and InSb. II. Ordering of the iodine overlayer Phys. Rev. В 1996. - V. 54. - P. 2114 - 2120.

47. Wang W.K, Simpson W.C, Yarmoff J.A. Passivation versus etching: Adsorption of 1-2 on InAs(OOl)// Phys. Rev. Lett. 1998. - V. 81. - P. 1465 - 1468.

48. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, под.ред. Д.Бригса, М.Сиха М.: Мир, 1987.-600 с.

49. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности М.: Мир, 1989. -564 с.

50. Redhead P. A. Thermal desorption of gases // Vacuum 1962. - V.12. -P. 203-211.

51. Binnig G., Rohrer H., Gerber C., Weibel E. 7x7 reconstruction on Si(lll) resolved in real space // Phys.Rev.Lett 1983. - V.50. - P.120 -123.

52. Binnig G, Rohrer H. Scanning tunnelling microscopy // IBM J.Res.Dev. 1986. - V.30. - P.355 - 369.

53. Sakurai Т., Hashisume Т., Kamiya I. Field ion-scanning tunneling microscopy // Prog.Surf.Sci. 1990. - V.33. - P. 3 - 89.

54. Eltsov K.N., Shevlyuga V.M., Yurov V.Yu. Sharp tungstem tips prepared for STM study of deep nanostructures in UHV // Phys.Low-Dim.Struct. 1996. - V. 9/10. - P. 7 - 14.

55. Besenbacher F. Scanning tunneling microscopy studies of metal surfaces // Rep.Prog.Phys. 1996. - V.59. - P .1737 - 1802.

56. Bondi A. Van der Waals volumes and radii// J. Phys. Chem. 1964. -V. 68.-P. 441 -451.

57. Chauvin P. Explicit periodic trend of Van der Waals radii// J. Phys. Chem. 1992. - V. 96. - P. 9194 - 9197.

58. Martrou D., Cavanna A., Natali F. Unreconstructed As atoms mixed with 3x2 cells and 6x6 supercells in low As pressure epitaxy on GaAs(OOl)// Phys. Rev. В 2005. - V. 72. - 241307.

59. Ohtake A, Kocan P, Seino K. Ga-rich limit of surface reconstructions on GaAs(OOl): Atomic structure of the (4 x 6) phase// Phys. Rev. Lett. 2004. -V.93.-266101.