湿法蚀刻的GaAs表面研究

摘要

为了能够使用基于 GaAs 的器件作为化学传感器，它们的表面必须进行化学改性。GaAs 表面上液相中分子的可重复吸附需要受控的蚀刻程序。应用了几种分析方法，包括衰减全反射和多重内反射模式 (ATR/MIR) 中的傅里叶变换红外光谱 (FTIRS)、高分辨率电子能量损失光谱 (HREELS)、X 射线光电子能谱 (XPS) 和原子用于分析用不同湿蚀刻程序处理的 GaAs (100) 样品的力显微镜 (AFM)。通过与粉末状氧化物（Ga2O3、As2O3 和 As2O5）相比，振动和 XPS 光谱中存在的表面氧化物导致的不同特征的分配。这里描述的蚀刻程序，即，使用低浓度 HF 溶液的那些，大大减少了砷氧化物 (100) 表面中存在的砷氧化物和脂肪族污染物的数量，并完全去除了氧化镓。

介绍

GaAs (100) 表面具有高表面能。1 因此，它们具有很强的反应性和化学稳定性。GaAs (100) 表面上存在的不同氧化物的化学表征是有问题的，因为仅通过红外光谱和高分辨率电子能量损失光谱 (HREELS) 3 对氧化物进行了几次鉴定，并且在X 射线光电子能谱 (XPS) 值存在。

上述所有方法在表面成分和粗糙度方面的结果从未进行过比较。事实上，这些方法主要用于分子束外延 (MBE)，其中应通过在 580 °C 的热清洁温度以上真空下对 GaAs 样品进行退火来进行第二步氧化物消除。工作，因为我们对在环境温度下从液体溶液中吸附感兴趣，所以不进行第二步。为了为我们的目的选择最合适的湿法蚀刻，我们使用上述一些程序研究了湿法蚀刻的 GaAs (100) 表面。此外，必须研究随后从液体溶液中吸附分子、溶剂（即水）对基材组成和形态的作用。

样品制备

GaAs 样品先在丙酮中超声 5 分钟，然后在乙醇中清洗。脱脂后的样品随后通过将它们浸入水溶液中使用不同的程序进行蚀刻（成分按体积比例给出）：

(a) H2SO4 : H2O2 : H2O (4: 1: 1 at 70 °C） 10 分钟，然后用盐酸 5 分钟，然后冲洗 5 秒；

(b) 改良的 RCA 处理：NH4OH : H2O2 : H2O (1:1:

100) 5 分钟，然后漂洗 5 秒，然后再用 NH4OH : H2O2 : H2O (1:1: 30) 处理 5 分钟，然后漂洗 5 秒；

(c) HCl : H2O (1:1) 1 分钟并冲洗 1 分钟；

(d) HF：H2O（不同浓度）5 秒，冲洗3 秒。

DIW 始终用于冲洗步骤。

通过将样品浸入 H2O2 中 30 秒，然后将其在 DIW 中冲洗 2 分钟来进行表面氧化。然后用氮气流干燥样品，并将通过 HREELS 和/或 XPS 分析的样品在氩气气氛下转移到 UHV 室中，并在氮气流下引入。

在清洁玻璃器皿时要特别小心，以避免污染并防止来自洗涤剂的离子（如 NaC 和磷酸盐）的存在。小心洗涤后，将所有玻璃器皿在沸水去离子水浴中漂洗 1.5 小时。

结论

本研究的目标是建立一种制备方法，以确保传感器技术在 GaAs (100) 表面上有机层的良好吸附。我们将这项工作的重点放在比较不同蚀刻程序和确定其化学成分和形态方面的表面质量上。通过不同的方法研究了 GaAs 样品，通过与粉末氧化物分析中获得的那些进行比较，获得了表面氧化物的 ATR/MIR 和 XPS 分配。为了改进分析，还使用过氧化氢对 GaAs 晶片进行氧化，然后进行蚀刻，以便更容易识别不同的氧化物。还发现用有机溶剂进行脱脂不仅可以去除脂肪族污染物，还可以去除一些天然氧化物。

比较了不同湿法蚀刻方法的作用，并通过 HREELS 和 XPS 分析了极端表面。两种方法都表明，蚀刻后氧化镓的存在可以忽略不计，并且氧化砷仍然保留在表面上。XPS 还显示蚀刻将氧化物厚度从 1.6 纳米减少到 0.1 纳米。还确定了 HF 浓度对表面最终质量的影响，即其化学成分和粗糙度。AFM 图像显示，使用不同湿蚀刻方法（HF、HCl 或 NH3）的蚀刻表面具有非常低的粗糙度。在用三种程序蚀刻的样品中观察到的 HREELS 光谱中 GaAs (100) 的强烈表面声子的存在也证明了非常规则的表面。

图6 砷和镓XPS区域（2p3/2 和3d) 在GaAs样品中：原始（完整符号）并用1% HF（空符号）处理。3d 区域配有双峰。为清楚起见，仅标记了GaAs组件的双峰。使用AlK˛ 辐射和90的TOA记录光谱

图1 粉末状三氧化二镓（粗线）、三氧化二砷（线）和五氧化二砷（虚线）的 FTIRS 光谱

图2 脱脂后 GaAs (100) 表面的 ATR/MIR 光谱。负峰和正峰分别与去除和不同物种的出现相关

　　审核编辑：汤梓红