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引言
? ? ? 原子平面的制備是半導(dǎo)體基板上原子尺度操作的必要前提。由于自組裝現(xiàn)象或使用原子探針技術(shù)操縱單個原子，只有原子平面的表面才能產(chǎn)生可重復(fù)制造納米級原子結(jié)構(gòu)的機(jī)會。原子平坦的表面也應(yīng)該是原子清潔的，因?yàn)檠趸锖臀廴緯懺映叨鹊拇植诙?。原子平坦和清潔的表面也需要許多在微和光電子的應(yīng)用。
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實(shí)驗(yàn)
? ? ? 實(shí)驗(yàn)是在砷化鎵外延層上進(jìn)行的，以避免結(jié)構(gòu)缺陷的可能影響，這些缺陷存在于由機(jī)械和化學(xué)機(jī)械拋光制備的商業(yè)基底的表面附近。我們使用液相外延(LPE)在傳統(tǒng)GaAs（100）基質(zhì)和圖形GaAs（100）基質(zhì)上生長的砷化鎵層，不同大小的方形中臺面面積在0.2到2mm2不等。
? ? ? ?HCl-iPA溶液的制備包括鹽酸蒸汽對iPA的等光飽和，制備方法如下：將含有100ml高純雙蒸餾iPA的玻璃放入裝滿300ml高純濃縮37%鹽酸的3-l干燥器中。為了確定溶液中鹽酸濃度CHCl的時間依賴性，從玻璃中提取1mlHCl-ipa探針。用水稀釋的探針的比例計算濃度CHCl。這些測量值的精度約為5%，并通過滴定法進(jìn)行了驗(yàn)證。CHCl的時間依賴性如圖所示：1.由閉上的圓圈表示。結(jié)果表明，在t50h時，濃度線性增加到CHCl10%，并在CHCl20%時飽和到t>100h。除使用稀釋的HCl-iPA溶液進(jìn)行的特殊實(shí)驗(yàn)外，還使用飽和的20%溶液進(jìn)行砷化鎵處理。與鹽酸在異丙醇中的直接稀釋相比，等壓法最大限度地減少了生成的鹽酸-異丙醇溶液中的水量和污染物。原則上，酒精氯化反應(yīng)可能發(fā)生在HCl-iPA溶液中，產(chǎn)生異丙基氯和水:C3 H7-羥基鹽酸！C3 H7-Cl H2O (1)
? ? ? 反應(yīng)(1)會降低氯氯的濃度，氯氯是鹽酸-異丙醇溶液的活性成分。
? ? ? 為了檢查反應(yīng)(1)對鹽酸-異丙醇溶液穩(wěn)定性的可能不利影響，在t 100 h，將30毫升溶液探針放入單獨(dú)的密閉玻璃中。在該探針中測量的時間相關(guān)性CHCl(t)如圖1所示：通過開圓圈，可以看出，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，濃度一直保持到t 500 h。此外，104小時后鹽酸濃度保持不變(圖中未顯示）。因此，在室溫下，鹽酸-異丙醇非常穩(wěn)定，可使用約1年。
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圖1在鹽酸蒸汽（填充圓）飽和過程中，測量了HCliPA溶液中鹽酸濃度CHCl的時間依賴性。CHCl的穩(wěn)定性用開圈表示
? ? ? 所有測量都是在樣品冷卻至室溫后進(jìn)行的。LEED研究了表面重建。用x光電子能譜測定了表面的成分。鋁卡(1486.6電子伏)和鋯Mz (151.4電子伏)線用于XPS測量。表面粗糙度可能會扭曲XPS測量的結(jié)果，因此要特別注意薄膜的形態(tài)。圖2示出了在傳統(tǒng)襯底上通過液相外延生長的外延膜的典型原子力顯微鏡圖像?？梢钥吹?，表面包含原子級的平坦區(qū)域，寬度為幾微米，由10納米高度的臺階束隔開。在平坦區(qū)域內(nèi)可以看到高度為0.28納米的高分辨率單原子臺階。由于表面的大部分是原子級平坦的，這些薄膜可以被認(rèn)為適合XPS實(shí)驗(yàn)。
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? ? ? 圖2 通過液相外延(a)生長的外延GaAs（100）薄膜的典型AFM圖像（三維模式）；沿x軸y?3mm測量的薄膜浮雕的橫截面輪廓，其中包含兩個步驟束(b)；臺階束(c)之間平面區(qū)域內(nèi)的橫截面輪廓(b)片段。注意（b、c）中不同的x和zy刻度
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結(jié)果和討論
? ? ? 本文提出的結(jié)果，以及對光電發(fā)射線的化學(xué)位移成分的直接觀察，證明了在HCl-iPA處理下，非晶態(tài)砷在砷化鎵表面積累的事實(shí)。然而，這種積累的機(jī)制尚不清楚。據(jù)推測，HCl-iPA與砷化鎵表面的相互作用如下。第一階段鎵和氧化二砷溶解。我們通過實(shí)驗(yàn)證明，在室溫下，去除氧化物需要少于10秒。
? ? ? 光發(fā)射光譜的角度依賴性如圖所示。允許我們假設(shè)HCl-iPA處理氧化gaa（100）表面導(dǎo)致形成均勻的As0鈍化層，并保持了表面的原子平坦度。本節(jié)中提供的LEED和AFM數(shù)據(jù)得到了這一假設(shè)的直接證明。鹽酸-ipa處理表面的LEED圖像如圖3(a)，在這個表面上，（11）結(jié)構(gòu)在電子能量E130，而在E40–6040–60在漫射背景上沒有看到衍射點(diǎn)。在2508C真空退火去除了As0層的大部分，因此在低能量E?42eV下觀察到（11）衍射模式(見圖3（b)在T?4508C退火后(圖。3(c))在LEED圖像中可以清楚地看到對應(yīng)于As穩(wěn)定(2 4)/c(2 8)重建的衍射圖案。更高溫度下的退火通過一系列中間重建將砷穩(wěn)定表面轉(zhuǎn)變?yōu)殒壏€(wěn)定表面。在T 550 8C退火后獲得的Ga穩(wěn)定的(4 ^ 2)/c(8 ^ 2)重構(gòu)如圖所示。
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總結(jié)
? ? ? 用XPS、LEED和原子力顯微鏡研究了異丙醇-鹽酸溶液中GaAs(1 0 0)表面的組成、形貌和結(jié)構(gòu)。清潔的砷穩(wěn)定GaAs(100)–(24)/碳(2 8)表面的鹽酸-異丙醇，處理導(dǎo)致表面被過量砷的亞單層化學(xué)鈍化。這種砷阻止了氯進(jìn)入下面的鎵原子，從而阻止了反應(yīng)，導(dǎo)致砷通過GaAs溶解進(jìn)一步積累。氧化GaAs表面的處理導(dǎo)致在表面上形成1-3個無定形砷單層，其中大部分砷來自表面氧化物。在特殊圖案化襯底上生長的原子級平坦外延膜處理前后進(jìn)行的原子力顯微鏡測量證明，HCliPA處理保持了GaAs(1 0 0)表面的原子級平滑度。