本文／８　研究紹介（大竹）　　１３６−１４４Ｃ

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まいえよどぎみ
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1 Vol., No., pp. 6, RHEED GaAs RHEED Studies of GaAs Surface Structure Akihiro OHTAKE National Institute for Materials Science, Nanomaterial Laboratory Sengen, Tsukuba, Ibaraki 5 7 (Received December 6, ) Rocking-curve analysis of reflection high-energy electron diffraction (RHEED) based on dynamical diffraction theory is a powerful method to study atomic structures of solid surfaces. Also, the grazing-angle geometry of the RHEED electron gun makes itself suitable for in-situ monitoring of molecular-beam epitaxy (MBE). This is of great advantage in evaluating the real surface structure of GaAs using RHEED rocking-curve analysis, because the experimental data can be analyzed without considering the effect of the adsorption and or desorption of As, which might occur while the sample is transferred from an MBE chamber. This paper briefly reviews recent RHEED studies on the atomic structures of GaAs() surfaces. Results for the As-stabilized c( ) and Ga-stabilized c(8 ) surfaces, and the adsorption structure of Zn on the ( ) surface are presented. reflection high-energy electron diffraction: RHEED GaAs molecular beam epitaxy: MBE RHEED RHEED MBE RHEED low-energy electron diffraction: LEED X x-ray diffraction: XRD GaAs MBE RHEED GaAs GaAs RHEED OHTAKE.Akihiro@nims.go.jp GaAs -c c 8 GaAs - Zn RHEED GaAs As Ga c 6 6 c 8 MBE As As Ga As Ga As MBE As As As

2 7 As MBE RHEED MBE GaAs RHEED. Fig. MBE scanning tunneling microscopy: STM X x-ray photoelectron spectroscopy: XPS MBE II RHEED MBE GaAs RHEED X total-reflectionangle x-ray spectroscope; TRAXS reflectance difference spectroscope; RDS. epi-ready GaAs MBE I 6 Torr As ML s As GaAs - MBE II As RHEED Staib EK-5-R 7 RHEED multislice RHEED 5 GaAs. GaAs -c GaAs β As c As-As Fig. a STM XPS Load Lock AFM TRAXS RHEED Pre-Heat beam-rocking RHEED m MBE (II) RDS MBE (I) Fig. Dual-chamber MBE system.

8 GaAs -c XRD As-As As-As Fig. b STM 8 9 LEED Fig. Filled state STM images obtained from the GaAs ()-c( ) surface with a tunneling current of.

3 8 (a) three As-dimer model (b) two As-dimer model (c) Ga-As dimer model : As : Ga Fig. Surface reconstruction models for GaAs () - c( ). Fig. -rod intensity (arb. units) (a) 5 C (with As) (b) C (with As) (c) 5 C (with As) (d) 5 C (without As) RHEED rocking curve measured from the GaAs() surfaces at incidence. 8 GaAs -c XRD As-As As-As Fig. b STM 8 9 LEED Fig. Filled state STM images obtained from the GaAs ()-c( ) surface with a tunneling current of. na and a sample voltage of V.Image dimensions are 6 55 (a) and 8 5 (b). The solid lines in (b) show the c( ) lattice mesh. c As 9 c c As MBE RHEED c GaAs -c As.5 7 Torr RHEED Fig c RHEED 5 As 5 5 Torr

4 大竹晃浩 9 (a) (g) (b) (f) (c) (d) (h) (i) (e) (j) Fig. 5 RHEED rocking curves (solid curves) measured from the GaAs ()-c( ) surface at 5. The dashed and dotted curves are calculated from the Ga-As dimer and As-As dimer models, respectively. が RHEED パターンおよびロッキングカーブ形状に変 (y) 化は見られなかったしたがってこの時点で試料を成 (x) 長室から取り出せば As の脱離も吸着も起こさずに As c 表面を保存できる以上の手順で作製した c 表面の STM 像占有状態像を Fig. a と b に示す広いテラス上に長方形の輝点が c 周期で並んでいる様子が見てとれるまた複数の相の存在は確認できないここで Fig. b における拡大像を注意深く観察すると輝点の位置がおよび方向にずれていることがわかる Fig. の STM Fig. 6 像は占有状態像であるため As 原子が輝点として現れているはずであるしたがって Fig. a の As-As ダ Optimized structure model of the GaAs()-c( ) surface. イマーを Ga-As ダイマーに置き換えたモデル Fig. c を仮定すれば Fig. b の STM 像に一応の説明がつす Ga-As ダイマーモデルからの計算結果は実験データくことになるそこでこのモデルの妥当性を検証するの特徴をほぼ再現しているのに対し R 因子 5 As- ために RHEED 解析を行うこととした As ダイマーモデルの計算結果は実験結果と大きく異な Fig. 5 は c 表面に対するロッキングカーブの測っている R 因子また Table および Fig. 6 定結果実線と最適化後の Ga-As ダイマーモデルから明らかなように最表面の Ga はバルク側へ大きく Fig. 6 から計算された結果破線を示すまた図中変位しておりこれがこの構造の安定化の鍵を握っていの点線は As-As ダイマーモデルに対する計算結果を示るまた RHEED 解析と第一原理計算から求めた原

5 Table As Ga As Ga As As As As Atomic displacements from bulk positions in the optimized structure model for the GaAs()- c( ) surface (in ). RHEED analysis First-principles calculations x y z x y z (a) (b) (c) (d) (e) : As : Ga Fig. 7 Surface reconstruction models for GaAs()-c(8 ). Ga-As Table As-As Ga-As. GaAs -c 8 Ga GaAs -c 8 As β Ga As β Fig. 7 a Ga β Fig. 7 b 5 Ga ζ Fig. 7 d 6 LEED STM XRD 6 7 XRD Fig. 7 e 8 Ga c c 8 Ga As c c c 8 c STM XRD Fig. 8 6 ζ Fig. 7 d Fig. 8 R. Kumpf Fig. 7 e Ga Ga Ga Ga R 8.9 Fig. 8 Table Fig. 9

6 (a) 6 (g) (b) 7 (h) (c) (d) (e) (i) (j) (k) 5 (f) (l) Fig. 8 RHEED rocking curves (solid curves) measured from the GaAs()- c(8 ) surface at 6. Thedashed and dotted curves are calculated from the optimized structures based on the models proposed by Kumpf et al. 8 and Lee et al. 6,respectively. Table Ga() As() Ga() Ga() Ga() As() As() Ga(5) Ga(6) Atomic coordinates of the optimized structure model for the GaAs()-c(8 ) surface. The atomic coordinates x and yaregivenasfractionofunit cells along the and, directions in Fig. 9. The z coordinates refers to the [] direction with magnitude equal to the bulk () spacing of 5.658,theorigin of which is at the fifth atomic layer. This study Kumpf et al. (ref. 8) x y z θ x y z θ ζ Fig. 7 d 9 Fig. 7 e Ga ζ Ga XRD RHEED Fig. 7 d c c 8 5

7 表面科学第巻第号り余剰および欠損 Ga 原子の存在と矛盾しないように GaAs 表面上での Zn 原子吸着. も思われるしかしながら高温でのみ c 8 構造代表的な II-VI 族半導体である ZnSe を GaAs 上が安定に存在するメカニズムは未だ不明であり局所構に成長させる際に表面上への Zn 分子線の照造の評価も含めて今後の研究が待たれる射から成長を開始させると最も欠陥の少ない膜ができることが知られているそのメカニズムを知るためには表面上での Zn の吸着サイトおよび吸着量に関する知見が不可欠でありこれまでに STM や XPS 5 などを用いた研究がなされてきたところが Zn 6 照射後の表面から測定した XPS スペクトル中 As には Zn の存在が確認されたものの同じ条件で作製した STM 像中にはそれに相当するコントラストは観 6 6 性があるそこで ZnSe 成長直前の Zn 吸着量を正確に見積もるために表面上への Zn 照射中に RHEED Optimized structure model of the GaAs()-c(8 ) surface. (a) GaAs() (5 C) ロッキングカーブ測定を行った (b) Zn/GaAs() (5 C) 5 Fig. (c) Zn/GaAs() ( C) 5 脱離しやすいため成長温度で Zn を照射した後のサンプル搬送中に Zn が脱離してしまう可能 5 Fig. 9 測されないまた表面上の Zn は非常に 5 5 (a) RHEED rocking curves (solid curves) measured from the GaAs()( ) surface. The dashed curves are calculated for the optimized structure based on the β ( ) model. (b) and (c) are same as in Fig. (a), but for the surfaces exposed to the Zn beam at 5 and, respectively. 6

8 Fig. Zn Zn RHEED Zn β Fig. a 5 Zn Fig. bc Fig. β As As 6 A D Zn Zn Table 5 Zn C D Ga A B C D A B Zn As-As Table A C (x) (y) As D B A,B A,B [] (z) C,D (y) Zn TRAXS STM Zn Zn Ga STM Zn Zn II STM Zn 5 RHEED GaAs RHEED InSb InAs RHEED 5 7 MBE RHEED MBE 8 Zn GaAs RHEED Fig. Surface reconstruction model for GaAs()-( ). Adsorption sites of Zn are indicated by the letters A, B, C, and D. RHEED Table The atomic coordinates (x, y, and z) and the site occupancies (θ )ofznatoms on the GaAs()-( ) surface. Notations 5 in Fig. 8 x y z θ x y z θ A B C D (..77). (.5.6). (.7.).99 (.6.) (..). (..).59 (..8).9 (.8.79) 7

9 ) A. Ichimiya: Jpn. J. Appl. Phys. Part, 76 (98);, 65 (985). ) A. Ohtake, J. Nakamura, S. Tsukamoto, N. Koguchi and A. Natori: Phys. Rev. Lett. 89, 6 (). ) A. Ohtake, S. Tsukamoto, M. Pristovsek, N. Koguchi and M. Ozeki: Phys. Rev. B 65, (). ) A. Ohtake, T. Komura, T. Hanada, S. Miwa, T. Yasuda, K. Arai and T. Yao: Phys. Rev. B 59, 8 (999); A. Ohtake, T. Hanada, T. Yasuda and T. Yao: Appl. Phys. Lett. 7, 975 (999). 5) A. Ohtake, M. Ozeki, T. Yasuda and T. Hanada: Phys. Rev. B 65, 655 (). 6) D.J. Chadi: J. Vac. Sci. Technol. A 5, 8 (987). 7) T. Hashizume, Q.K. Xue, A. Ichimiya and T. Sakurai: Phys. Rev. B 5, (995). 8) D.K. Biegelsen, R.D. Bringans, J.E. Northrup and L.-E. Swarts: Phys. Rev. B, 57 (99). 9) A.R. Avery, D.M. Holmes, J. Sudijono, T.S. Jones and B. A. Joyce: Surf. Sci.,9(995). ) M. Sauvage-Simkin, R. Pinchaux, J. Massies, P. Calverie, N. Jedrecy, J. Bonnet and I.K. Robinson: Phys. Rev. Lett. 6, 56 (989). ) A. Nagashima, M. Tazima, A. Nishimura, Y. Takagi and J. Yoshino: Surf. Sci. 9, 7 (). ) N. Moll, A. Kley, E. Pehlke and M. Scheffler: Phys. Rev. B 5, 88 (996). ) C. Sasaoka, Y. Kato and A. Usui: Surf. Sci. 65, L9 (99). ) Q. Xue, T. Hashizume, J.M. Zhou, T. Sakata, T. Ohno and T. Sakurai: Phys. Rev.Lett. 7, 77 (995). 5) J. Cerdá, F.J. Palomares and F. Soria: Phys. Rev. Lett.75, 665 (995). 6) S.H. Lee, W. Moritz and M. Sheffler: Phys. Rev. Lett. 85, 89 (). 7) D. Paget, Y. Garreau, M. Sauvage, P. Chiaradia, R. Pinchaux and W.G. Schmidt : Phys. Rev. B 6, 65 (). 8) C. Kumpf, L.D. Marks, D. Ellis, D. Smilgies, E. Landemark, M. Nielsen, R. Feidenhans l, J. Zegenhagen, O. Bunk, J.H. Zeysing, Y. Su and R.L. Johnson: Phys. Rev. Lett. 86, 586 ();C. Kumpf, D. Smilgies, E. Landemark, M. Nielsen, R. Feidenhans l, O. Bunk, J. H. Zeysing, Y. Su, R.L. Johnson, L. Cao, J. Zegenhagen, B. O. Fimland, L.D. Marks and D. Ellis: Phys. Rev. B 6, 757 (). 9) M.D. Pashley: Phys. Rev. B, 8 (989). ) L.H. Kuo, K. Kimura, T. Yasuda, S. Miwa, C.G. Jin, K. Tanaka and T. Yao: Appl. Phys. Lett. 68, (996). ) S. Heun, J.J. Paggel, S. Rubini and A. Franciosi: J. Vac. Sci. Technol. B, 98 (996). ) S. Miwa, L.H. Kuo, K. Kimura, T. Yasuda, A. Ohtake, C. G. Jin and T. Yao: Appl. Phys. Lett. 7, 99 (998). ) S. Ahsan, A. Kahn and M.D. Pashley: Appl. Phys. Lett. 7, 78 (997). ) R. Miotto, G.P. Srivastava and A.C. Ferraz: Appl. Phys. Lett. 76, 75 (); Phys. Rev. B 6, 6 (). 5) A. Ohtake, T. Komura, T. Hanada, S. Miwa, T. Yasuda, K. Arai and T. Yao: Phys. Rev. B 59, 8 (999). 6) A. Ohtake, T. Hanada, T. Yasuda, K. Arai and T. Yao: Phys. Rev. B 6, 86 (999). 7) A. Ohtake, J. Nakamura, T. Komura, T. Hanada, T. Yao, H. Kuramochi and M. Ozeki: Phys. Rev. B 6, 58 (). 8) H. Nakahara and A. Ichimiya: Surf. Sci., (99). 9) Y. Fukaya, Y. Shigeta and K. Maki: Phys. Rev. B 6, (). ) A. Ohtake, M. Ozeki and J. Nakamura: Phys. Rev. Lett. 8, 665 (). 8

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