在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中GaP与Si晶格参数最为接近，GaP与Si的晶格失配度为0.37%，所以在Si衬底上直接生长Ⅲ-Ⅴ族光电器件，GaP是最为适合的缓冲结构。在非平衡条件下的GaP化合物成核过程中，Si衬底的表面化学性质将决定整个界面的电子结构，并且对后续外延层的缺陷诱导非常重要。在Si(100)衬底异质外延GaP，GaP/Si(100)界面是非常重要的，为了降低反相畴等缺陷的密度，有必要更好地理解生长起始过程中GaP/Si(100)异质界面的基本物理和化学过程。目前已经有文献报道，在Si(100)衬底预铺一层Ga原子，理论计算表明Ga原子作为Si(100)衬底的Prelayer层时，其界面相对形成能较低，有利于Si-Ga成键。当Si(100)表面铺一层Ga原子时，Si(100)与Ga原子形成的Si-Ga键相对形成能要比Si与P原子形成的Si-P键要小，界面更加稳定，更有利于Si(100)基GaP的外延生长。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陆书龙课题组在Si(100)衬底通过分子束外延技术（MBE）生长GaP薄膜作为缓冲层，在外延GaP薄膜之前，在Si(100)衬底表面预铺P原子和Ga原子作为Si(100)衬底的Prelayer，然后使用迁移增强外延方法（MEE）交替喷射Ga源原子和P源原子生长GaP。他们在该工作中系统研究了GaP/Si(100)异质结构的界面动力学，通过Ar离子团簇溅射不同深度的GaP/Si(100)材料的X射线光电子能谱技术（XPS）测试，研究了Si(100)衬底表面原子对GaP/Si(100)界面的影响。结果表明，对于衬底Si(100)表面富P原子的样品，随着溅射深度的增加，Ga-P键组分保持着稳定的比例，Ga-Ga键组分比例较少。对于衬底Si(100)表面富Ga原子的样品，随着溅射深度的增加，GaP材料在溅射深度为30 nm时含有Ga-P键和Ga-Ga键，Ga-Ga金属键是最主要的结合键。此外，通过高分辨透射电镜（HEREM）可以分析，当Si(100)表面富Ga原子时，GaP/Si(100)异质界面处的界面和原子清晰可见，形成陡峭清晰的GaP/Si(100)界面，界面Si-Ga结合键更有利于GaP的成核。

图1. 衬底Si预铺不同原子外延GaP样品的XPS光电能谱随溅射深度的关系。（a）衬底Si富P，P2p能谱图；（b）衬底Si富Ga，P2p能谱图；（c）衬底Si富P，Ga3d能谱图；（d）衬底Si富Ga，Ga3d能谱图。

该文章以题为“Interfacial dynamics of GaP/Si(100) heterostructure grown by molecular beam epitaxy”发表在Journal of Semiconductors上。

图2. 衬底Si预铺不同原子外延GaP样品的高分辨TEM图像。（a-b）衬底Si富P；（c-d）衬底Si富Ga。

文章信息：

Interfacial dynamics of GaP/Si(100) heterostructure grown by molecular beam epitaxy

Tieshi Wei, Xuefei Li, Zhiyun Li, Wenxian Yang, Yuanyuan Wu, Zhiwei Xing, Shulong Lu

J. Semicond. 2022, 43(12): 122101 doi:10.1088/1674-4926/43/12/122101

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/12/122101

来源：半导体学报