研究简报砷化镓半导体表面自然氧化层的 X射线光电子能谱分析 任殿胜 3 1 ,2 王为1李雨辰 2 严如岳 2 1 (天津大学化工学院 ,天津 300072) 2 (信息产业部电子第四十六研究所 ,天津 300192) 摘要用X射线光电子能谱(XPS) ,测量了 Ga3d 和As3d 光电子峰的结合能值 ,指认了砷化镓( GaAs) 晶片表 面的氧化物组成 ,计算了表面氧化层的厚度 ,定量分析了表面的化学组成 ;比较了几种不同的砷化镓晶片表面 的差异.结果表明 :砷化镓表面的自然氧化层主要由 Ga2O3 、 As2O5 、 As2O3 和单质 As 组成 ,表面镓砷比明显偏 离理想的化学计量比 ,而且 ,氧化层的厚度随镓砷比的增大而增加 ;溶液处理后 ,砷化镓表面得到了改善.讨 论了可能的机理. 关键词 砷化镓 ,X射线光电子能谱 2002211224 收稿 ;2003204210 接受 1 引言砷化镓( GaAs) 是重要的化合物半导体材料 ,具有高的电子迁移率和禁带宽度 ,在国防及卫星通讯领 域有极其重要的作用.越来越多的研究表明 1 ,2 ,砷化镓的表面质量对器件的性能有很大影响 ,表面已 成为制约该类器件发展的主要因素.因此 ,很有必要了解砷化镓晶片的表面特性 ,有效地监控各种处理 对表面的影响.以往对砷化镓表面特性的研究 ,大多集中在表面平整度、 洁净度、 表面缺陷、 位错等宏观 方面 ,而对砷化镓表面微观化学构成、 表面化学计量比等方面则由于分析技术的限制 ,人们的了解非常 有限 ,而且争议也较多. X射线光电子能谱(XPS) 分析技术 ,是非常重要的现代表面分析技术 ,具有理论成熟、 表面灵敏度 高、 可进行元素化学价态分析等特点.近年来 ,不少研究人员用 XPS 对砷化镓表面进行了研究 3 ,4 ,但 大多用污染碳 C1s 谱峰作为校准方法 ,给出的峰位差别较大 ,影响了化学价态的正确指认 ;而且在定量 分析时 ,选取了信息深度相差较大的谱峰 ,使结果不能反映真实的表面状况. 本实验用 XPS 分析了砷化镓晶片表面 ,用内标法测量了 Ga3d 和As3d 光电子峰的结合能值 ,指明了 砷化镓晶片表面的氧化物组成 ,计算了表面氧化层的厚度 ;对表面的化学组成进行了定量分析 ,并研究 了不同的砷化镓晶片以及经不同表面处理技术制备的砷化镓晶片表面以及空气对表面的氧化作用. 2 理论部分 2. 1 定量分析 XPS 的定量分析研究是当代能谱学研究的重要课题 5 .通常 ,某个元素的含量越高 ,对应的光电子 信号强度会越强 ,但两者并不成简单的正比关系.在定量分析时 ,常用灵敏度因子法 ,如下式 : nA = IAΠ SA (1) 式中 , nA 为A元素的浓度 ; IA 为元素 A 某能级的光电子谱峰强度 ; SA 为元素 A 对应能级的灵敏度因 子. 这样 ,本研究中砷化镓样品的镓砷比可表示为 : nGa nAs = IGaΠ SGa IAsΠ SAs (2) 第31 卷2003 年10 月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究简报 Chinese Journal of Analytical Chemistry 第10 期1191~1194 本研究选用能量非常接近的 Ga3d、 As3d(采用 Al K α射线时 ,动能分别为 1466 eV 和1446 eV) 进行分 析 ,采用实测的灵敏度因子进行计算 ,既保证信号来源于同一深度的区域 ,又使结果更加准确 ,可靠. 2. 2 氧化层厚度计算 在X射线光电子能谱中光电子峰的信号强度与表面膜厚度有如下关系 6 : Is Ib = 1 - exp ( dΠ λ cosθ ) exp ( dΠ λ cosθ ) (3) 式中 , Is 和Ib 分别为表面膜层和基体的光电子信号强度 , d 为膜的厚度 ,λ为光电子非弹性散射平均自 由程 ;θ为光电子相对于样品表面的发射角. 在已知信号强度的情况下 ,由上式可以求得厚度 d : d =λ · cosθ · ln Is Ib + 1 (4) 对于本研究中 GaAs 表面的氧化层厚度 ,即可由上式求得.Ga3d 和As3d 光电子的非弹性散射平均 自由程为 2. 7 nm 6 ,实验中光电子的发射角为 45° ,于是 ,氧化层的厚度为 : d = 1. 9ln Is Ib + 1 (5) 3 实验部分 砷化镓晶片均为晶向为(100) 的非掺半绝缘单晶抛光片(SI2GaAs) .来自国内外 3 家不同的公司 ,分 别记为 A、 B、 C.表面自然氧化层的去除用盐酸溶液 (体积比为 HCl∶ H2O = 1∶ 1) 处理 1 min ,去离子水冲 洗,N2 吹干.然后进行 XPS 分析. X 射线光电子能谱仪为美国 PHI 公司 PHI25300 ESCA 系统.真空度优于 10 - 7 Pa ,X 射线源为 Al K α射线 (1486. 6 eV) ;阳极电压为 13 kV ,功率为 250 W ,窄扫描通能为 35. 75 eV ,步长为 0. 05 eVΠ 步 ;该 仪器条件下测得的 Ag3d5Π 2 谱峰的半高宽(FWHM) 为1. 0 eV ;荷电校正用 GaAs 中As( - Ga) 的As3d(41. 1 eV) 进行.数据处理用专用的 PHI 软件包处理. 4 结果与讨论 在大气环境下砷化镓抛光片表面会被空气中的氧所氧化 ,形成自然氧化层 ,该氧化层会对器件性能 造成很大影响 ,但长期以来对自然氧化层的结构及组成还存在一定争议. 图1中,a 为未作任何处理的砷化镓 A 晶片表面的 Ga3d 和As3d 的XPS 光电子谱的拟合分解图. 可以看出 ,Ga 主要由两种化合态组成 ,高结合能端的谱峰(20. 4 eV) 对应于 Ga2O3 ,右边的低结合能端的 谱峰(19. 1 eV) 为本体 GaAs 的状态 ;而As 的3d 轨道电子能谱图则呈现出多种状态 ,由高到低峰分别为 45. 8、 44. 4、 42. 6 以及 41. 1 eV ,对应于 As2O5 、 As2O3 、 元素 As 及本体 GaAs.而对 B 和C晶片的 XPS 分析 表明 ,自然氧化层的组成与 A 不同 ,主要由 Ga2O3 和As2O3 组成 ,而未检测到 As2O5 和单质 As(见表 1) . 而用 HCl 对该晶片表面进行处理后 ,由Ga3d 和As3d 轨道电子能谱图可以看出(图1b) ,高结合能端的氧 化物峰及元素砷的信号全部消失 ,只留下本底的 GaAs 的信号.说明 HCl 对砷化镓表面的自然氧化层有 较好的溶解性 ,不仅能溶解氧化镓也能溶解氧化砷和元素砷 ,起到一定的表面清洗效果. 表1几种砷化镓晶片表面自然氧化层的 XPS 分析结果 Table 1 The X 2ray photoelectron spectroscopic (XPS) analysis results of oxide layer on different GaAs wafers 样品 Samples Ga3d(eV) Ga2As Ga2O3 As2Ga As3d(eV) As2As As2O3 As2O5 GaΠ As Atomic ratio 厚度( ! ) Thickness A 19. 1 20. 4 41. 1 42. 6 44. 4 45. 8 1. 67 20. 3 B 19. 1 20. 5 41. 1 - 44. 3 - 1. 26 9. 8 C 19. 1 20. 3 41. 1 - 44. 3 - 1. 16 8. 7 A 经HCl 处理 HCl treated A 19. 1 - 41. 1 - - - 1. 01 0 2 9 1 1 分析化学第31 卷图1GaAs 晶片原始表面(a) 及经 HCl 溶液处理后(b) Ga3d 和As3d 光电子的 XPS 谱图 Fig. 1 Ga3d and As3d spectra of native surface of GaAs wafer(a) and after treated by HCl solution(b) 此外 ,用XPS 进行了表面定量分析和氧化膜厚度计算 ,由表 1 可以看出 ,3 种晶片表面镓砷比都明 显偏离砷化镓晶体的化学计量比 ,而且氧化层厚度也各不相同 ,随着镓砷比的下降而下降 ;其中 A 晶片 氧化层最厚 ,镓砷比最高.而经 HCl 溶液处理后 ,氧化层完全消失 ,镓砷比变为 1. 01 ,基本上达到理想 的化学计量比.这说明砷化镓晶片表面自然氧化层是造成镓砷比偏离的主要原因. 由于砷化镓中的镓和砷的化学反应性各不相同 ,造成氧化物的种类不同.Ga2O3 的生成热大于 As2O3 的生成热 ,使砷化镓在空气中进行的热力学反应中 ,更容易生成 Ga2O3 .此外研究认为 7 ,砷化镓 表面的自然氧化层中的氧化物会与基底发生如下反应 : As2O3 + 2GaAs Ga2O3 + 4As (6) 3As2O5 + 10GaAs 5Ga2O3 + 16As (7) 可见砷化镓表面自然氧化层中 Ga 只有一种 Ga2O3 ,而As 除了氧化物外还生成了元素 As.由于砷 的氧化物和单质有一定的挥发性 ,因此在自然氧化层中大多呈现出富镓的现象.B 片和 C 片为国外公 司生产的砷化镓晶片 ,可能对表面做了适当处理 ,从而使表面得以保护 ,避免了进一步的氧化 ,使镓砷比 和氧化膜厚度均大大低于未做任何处理的 A 晶片.而A片经过 HCl 溶液处理后 ,由于表面自然氧化层 被溶解 ,晶片露出了有序的新鲜表面 ,使表面镓砷比更接近理想的化学计量比 ,可以应用于器件制作前 的表面处理工艺. 5 结论由以上研究可以看出 ,X 射线光电子能谱能有效地分析砷化镓晶片表面微观化学组成和表面化学 计量比以及氧化层厚度.在研究中发现砷化镓抛光片的表面自然氧化层中含有 Ga2O3 、 As2O5、 As2O3 及 元素 As ;表面化学计量比明显富镓 ,而且氧化层越厚镓砷比越大 ;而经过适当的化学处理后这些表面特 3 9 1 1 第10 期 任殿胜等 :砷化镓半导体表面自然氧化层的 X 射线光电子能谱分析 性能得到较大改善.对于改进晶片加工工艺和器件制作工艺有重要的指导意义. References 1 Shoji D , Shinohara M , Miura T. J . Vac. Sci. Technol. A , 1999 , 17(2) :363~372 2 Hong M , K ortan A R , K wo J , Mamaerts J P , Lu Z H. J . Vac. Sci. Technol. B , 2000 , 18(3) :1688~1691 3 Kang Mingu , Sa Seunghoon , Park Hyungho , Suh Kyungsoo , Oh Kyunghui. Thin Solid Films , 1997 , 308~309 : 634~642 4 Mihailova T, Velchev N , Krastev V , Marinova T. Appl. Surf . Sci. , 1997 , 120 :213~219 5 Liu Shihong(刘世宏) ,Wang Danghan(王当憨) ,Pan Chenghuang(潘承璜) . Analysis by X2ray Photoelectron Spectroscopy (X 射线 光电子能谱分析) . Beijing(北京) :Science Press (科学出版社) ,1988 6 Ren Diansheng(任殿胜) ,Hua Qingheng(华庆恒) ,Yan Ruyue(严如岳) ,Liu Y ongmei(刘咏梅) . Journal of Instrumental Analysis (分析测试学报) ,1996 ,15(4) :63~66 7 Tanuma S , Powell C J , Penn D R. Surf . Interface Anal. , 1991 , 17(11) : 927 8 Hollinger G, Skheyta2kabbani R , Gendry M. Physical Review B ( Condensed Matter) , 1994 , 49(16) :11159~11167 X2Ray Photoelectron Spectrocopic Analysis of Native Oxides Layer on G allium Arsenide Semiconductor Surface Ren Diansheng 3 1 ,2 , Wang Wei 1 , Li Yuchen 2 , Yan Ruyue 2 1 ( School of Chemical Engineering and Technology , Tianjin University , Tianjin 300072) 2 ( Tianjin Electronic Materials Institute , Tianjin 300192) Abstract X2ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyte native oxides layer on gallium arsenide ( GaAs) surface. The Ga3d and As3d binding energies associated with some compounds were measured. The oxides present on the GaAs surface were identified. A measurement method of GaΠ As atomic ratio and oxide layer thickness was developed. A series of GaAs polished wafers and GaAs wafers treated with some chemical solutions were studied by XPS. The results show that the native oxide layer on GaAs surface is composed of Ga2O3 、 As2O5 、 As2O3 and elemental As ; and the GaΠ As atomic ratio is drifted off the stoichiometry far away. The thickness of oxide layer on GaAs surface increases with increasing the GaΠ As atomic ratio. After treated with some chemical solutions , the GaAs surface is modified. The formation mechanism of surface oxide in the air was also discussed. Keywords Gallium arsenide , X2ray photoelectron spectroscopy (Received 24 November 2002 ; accepted 10 April 2003) 《冶金分析》 征订启事 《冶金分析》 杂志是经国家科委批准 ,由钢铁研究总院、 中国金属学会主办和出版的综合性分析化学专业的科技期 刊. 《冶金分析》 办刊宗旨以实用主为 ,主要报道分析方面的新技术、 新方法、 先进经验、 研究结果 ,发表综述文章及介绍 国内外冶金分析动态等.适合于冶金、 矿山、 化工、 机械、 地质、 环保、 外贸、 国防等部门从事冶金分析的科技人员、 生产管 理人员及大专院校和中等技术学校有关专业的师生阅读参考. 《冶金分析》 1981 年创刊 ,现为中国科技论文统计用期刊、 全国中文核心期刊、 中国期刊网全文收录期刊、 美国工程信 息公司 Ei 数据库收录期刊、 美国 "CA" 千种表我国化学化工类核心期刊. 《冶金分析》 在国内外公开发行 ,每期为大 16 开,84 页,2004 年定价 8 元Π 本 ,全年六期为 48 元 ,国内统一刊号 CN112 2030Π TF ,本刊由全国各地邮局发行 ,邮发代号 :822157. 《冶金分析》 编辑部地址 :北京海淀区学院南路 76 号 ,邮编 100081 ,电话 (010) 62182398 ,传真 : (010) 62182398 ,E2mail : yjfx @analysis.org. cn. 4 9 1 1 分析化学第31 卷
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研究简报砷化镓半导体表面自然氧化层的 X射线光电子能谱分析 任殿胜 3 1 ,2 王为1李雨辰 2 严如岳 2 1 (天津大学化工学院 ,天津 300072) 2 (信息产业部电子第四十六研究所 ,天津 300192) 摘要用X射线光电子能谱(XPS) ,测量了 Ga3d 和As3d 光电子峰的结合能值 ,指认了砷化镓( GaAs) 晶片表 面的氧化物组成 ,计算了表面氧化层的厚度 ,定量分析了表面的化学组成 ;比较了几种不同的砷化镓晶片表面 的差异.结果表明 :砷化镓表面的自然氧化层主要由 Ga2O3 、 As2O5 、 As2O3 和单质 As 组成 ,表面镓砷比明显偏 离理想的化学计量比 ,而且 ,氧化层的厚度随镓砷比的增大而增加 ;溶液处理后 ,砷化镓表面得到了改善.讨 论了可能的机理. 关键词 砷化镓 ,X射线光电子能谱 2002211224 收稿 ;2003204210 接受 1 引言砷化镓( GaAs) 是重要的化合物半导体材料 ,具有高的电子迁移率和禁带宽度 ,在国防及卫星通讯领 域有极其重要的作用.越来越多的研究表明 1 ,2 ,砷化镓的表面质量对器件的性能有很大影响 ,表面已 成为制约该类器件发展的主要因素.因此 ,很有必要了解砷化镓晶片的表面特性 ,有效地监控各种处理 对表面的影响.以往对砷化镓表面特性的研究 ,大多集中在表面平整度、 洁净度、 表面缺陷、 位错等宏观 方面 ,而对砷化镓表面微观化学构成、 表面化学计量比等方面则由于分析技术的限制 ,人们的了解非常 有限 ,而且争议也较多. X射线光电子能谱(XPS) 分析技术 ,是非常重要的现代表面分析技术 ,具有理论成熟、 表面灵敏度 高、 可进行元素化学价态分析等特点.近年来 ,不少研究人员用 XPS 对砷化镓表面进行了研究 3 ,4 ,但 大多用污染碳 C1s 谱峰作为校准方法 ,给出的峰位差别较大 ,影响了化学价态的正确指认 ;而且在定量 分析时 ,选取了信息深度相差较大的谱峰 ,使结果不能反映真实的表面状况. 本实验用 XPS 分析了砷化镓晶片表面 ,用内标法测量了 Ga3d 和As3d 光电子峰的结合能值 ,指明了 砷化镓晶片表面的氧化物组成 ,计算了表面氧化层的厚度 ;对表面的化学组成进行了定量分析 ,并研究 了不同的砷化镓晶片以及经不同表面处理技术制备的砷化镓晶片表面以及空气对表面的氧化作用. 2 理论部分 2. 1 定量分析 XPS 的定量分析研究是当代能谱学研究的重要课题 5 .通常 ,某个元素的含量越高 ,对应的光电子 信号强度会越强 ,但两者并不成简单的正比关系.在定量分析时 ,常用灵敏度因子法 ,如下式 : nA = IAΠ SA (1) 式中 , nA 为A元素的浓度 ; IA 为元素 A 某能级的光电子谱峰强度 ; SA 为元素 A 对应能级的灵敏度因 子. 这样 ,本研究中砷化镓样品的镓砷比可表示为 : nGa nAs = IGaΠ SGa IAsΠ SAs (2) 第31 卷2003 年10 月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究简报 Chinese Journal of Analytical Chemistry 第10 期1191~1194 本研究选用能量非常接近的 Ga3d、 As3d(采用 Al K α射线时 ,动能分别为 1466 eV 和1446 eV) 进行分 析 ,采用实测的灵敏度因子进行计算 ,既保证信号来源于同一深度的区域 ,又使结果更加准确 ,可靠. 2. 2 氧化层厚度计算 在X射线光电子能谱中光电子峰的信号强度与表面膜厚度有如下关系 6 : Is Ib = 1 - exp ( dΠ λ cosθ ) exp ( dΠ λ cosθ ) (3) 式中 , Is 和Ib 分别为表面膜层和基体的光电子信号强度 , d 为膜的厚度 ,λ为光电子非弹性散射平均自 由程 ;θ为光电子相对于样品表面的发射角. 在已知信号强度的情况下 ,由上式可以求得厚度 d : d =λ · cosθ · ln Is Ib + 1 (4) 对于本研究中 GaAs 表面的氧化层厚度 ,即可由上式求得.Ga3d 和As3d 光电子的非弹性散射平均 自由程为 2. 7 nm 6 ,实验中光电子的发射角为 45° ,于是 ,氧化层的厚度为 : d = 1. 9ln Is Ib + 1 (5) 3 实验部分 砷化镓晶片均为晶向为(100) 的非掺半绝缘单晶抛光片(SI2GaAs) .来自国内外 3 家不同的公司 ,分 别记为 A、 B、 C.表面自然氧化层的去除用盐酸溶液 (体积比为 HCl∶ H2O = 1∶ 1) 处理 1 min ,去离子水冲 洗,N2 吹干.然后进行 XPS 分析. X 射线光电子能谱仪为美国 PHI 公司 PHI25300 ESCA 系统.真空度优于 10 - 7 Pa ,X 射线源为 Al K α射线 (1486. 6 eV) ;阳极电压为 13 kV ,功率为 250 W ,窄扫描通能为 35. 75 eV ,步长为 0. 05 eVΠ 步 ;该 仪器条件下测得的 Ag3d5Π 2 谱峰的半高宽(FWHM) 为1. 0 eV ;荷电校正用 GaAs 中As( - Ga) 的As3d(41. 1 eV) 进行.数据处理用专用的 PHI 软件包处理. 4 结果与讨论 在大气环境下砷化镓抛光片表面会被空气中的氧所氧化 ,形成自然氧化层 ,该氧化层会对器件性能 造成很大影响 ,但长期以来对自然氧化层的结构及组成还存在一定争议. 图1中,a 为未作任何处理的砷化镓 A 晶片表面的 Ga3d 和As3d 的XPS 光电子谱的拟合分解图. 可以看出 ,Ga 主要由两种化合态组成 ,高结合能端的谱峰(20. 4 eV) 对应于 Ga2O3 ,右边的低结合能端的 谱峰(19. 1 eV) 为本体 GaAs 的状态 ;而As 的3d 轨道电子能谱图则呈现出多种状态 ,由高到低峰分别为 45. 8、 44. 4、 42. 6 以及 41. 1 eV ,对应于 As2O5 、 As2O3 、 元素 As 及本体 GaAs.而对 B 和C晶片的 XPS 分析 表明 ,自然氧化层的组成与 A 不同 ,主要由 Ga2O3 和As2O3 组成 ,而未检测到 As2O5 和单质 As(见表 1) . 而用 HCl 对该晶片表面进行处理后 ,由Ga3d 和As3d 轨道电子能谱图可以看出(图1b) ,高结合能端的氧 化物峰及元素砷的信号全部消失 ,只留下本底的 GaAs 的信号.说明 HCl 对砷化镓表面的自然氧化层有 较好的溶解性 ,不仅能溶解氧化镓也能溶解氧化砷和元素砷 ,起到一定的表面清洗效果. 表1几种砷化镓晶片表面自然氧化层的 XPS 分析结果 Table 1 The X 2ray photoelectron spectroscopic (XPS) analysis results of oxide layer on different GaAs wafers 样品 Samples Ga3d(eV) Ga2As Ga2O3 As2Ga As3d(eV) As2As As2O3 As2O5 GaΠ As Atomic ratio 厚度( ! ) Thickness A 19. 1 20. 4 41. 1 42. 6 44. 4 45. 8 1. 67 20. 3 B 19. 1 20. 5 41. 1 - 44. 3 - 1. 26 9. 8 C 19. 1 20. 3 41. 1 - 44. 3 - 1. 16 8. 7 A 经HCl 处理 HCl treated A 19. 1 - 41. 1 - - - 1. 01 0 2 9 1 1 分析化学第31 卷图1GaAs 晶片原始表面(a) 及经 HCl 溶液处理后(b) Ga3d 和As3d 光电子的 XPS 谱图 Fig. 1 Ga3d and As3d spectra of native surface of GaAs wafer(a) and after treated by HCl solution(b) 此外 ,用XPS 进行了表面定量分析和氧化膜厚度计算 ,由表 1 可以看出 ,3 种晶片表面镓砷比都明 显偏离砷化镓晶体的化学计量比 ,而且氧化层厚度也各不相同 ,随着镓砷比的下降而下降 ;其中 A 晶片 氧化层最厚 ,镓砷比最高.而经 HCl 溶液处理后 ,氧化层完全消失 ,镓砷比变为 1. 01 ,基本上达到理想 的化学计量比.这说明砷化镓晶片表面自然氧化层是造成镓砷比偏离的主要原因. 由于砷化镓中的镓和砷的化学反应性各不相同 ,造成氧化物的种类不同.Ga2O3 的生成热大于 As2O3 的生成热 ,使砷化镓在空气中进行的热力学反应中 ,更容易生成 Ga2O3 .此外研究认为 7 ,砷化镓 表面的自然氧化层中的氧化物会与基底发生如下反应 : As2O3 + 2GaAs Ga2O3 + 4As (6) 3As2O5 + 10GaAs 5Ga2O3 + 16As (7) 可见砷化镓表面自然氧化层中 Ga 只有一种 Ga2O3 ,而As 除了氧化物外还生成了元素 As.由于砷 的氧化物和单质有一定的挥发性 ,因此在自然氧化层中大多呈现出富镓的现象.B 片和 C 片为国外公 司生产的砷化镓晶片 ,可能对表面做了适当处理 ,从而使表面得以保护 ,避免了进一步的氧化 ,使镓砷比 和氧化膜厚度均大大低于未做任何处理的 A 晶片.而A片经过 HCl 溶液处理后 ,由于表面自然氧化层 被溶解 ,晶片露出了有序的新鲜表面 ,使表面镓砷比更接近理想的化学计量比 ,可以应用于器件制作前 的表面处理工艺. 5 结论由以上研究可以看出 ,X 射线光电子能谱能有效地分析砷化镓晶片表面微观化学组成和表面化学 计量比以及氧化层厚度.在研究中发现砷化镓抛光片的表面自然氧化层中含有 Ga2O3 、 As2O5、 As2O3 及 元素 As ;表面化学计量比明显富镓 ,而且氧化层越厚镓砷比越大 ;而经过适当的化学处理后这些表面特 3 9 1 1 第10 期 任殿胜等 :砷化镓半导体表面自然氧化层的 X 射线光电子能谱分析 性能得到较大改善.对于改进晶片加工工艺和器件制作工艺有重要的指导意义. References 1 Shoji D , Shinohara M , Miura T. J . Vac. Sci. Technol. A , 1999 , 17(2) :363~372 2 Hong M , K ortan A R , K wo J , Mamaerts J P , Lu Z H. J . Vac. Sci. Technol. B , 2000 , 18(3) :1688~1691 3 Kang Mingu , Sa Seunghoon , Park Hyungho , Suh Kyungsoo , Oh Kyunghui. Thin Solid Films , 1997 , 308~309 : 634~642 4 Mihailova T, Velchev N , Krastev V , Marinova T. Appl. Surf . Sci. , 1997 , 120 :213~219 5 Liu Shihong(刘世宏) ,Wang Danghan(王当憨) ,Pan Chenghuang(潘承璜) . Analysis by X2ray Photoelectron Spectroscopy (X 射线 光电子能谱分析) . Beijing(北京) :Science Press (科学出版社) ,1988 6 Ren Diansheng(任殿胜) ,Hua Qingheng(华庆恒) ,Yan Ruyue(严如岳) ,Liu Y ongmei(刘咏梅) . Journal of Instrumental Analysis (分析测试学报) ,1996 ,15(4) :63~66 7 Tanuma S , Powell C J , Penn D R. Surf . Interface Anal. , 1991 , 17(11) : 927 8 Hollinger G, Skheyta2kabbani R , Gendry M. Physical Review B ( Condensed Matter) , 1994 , 49(16) :11159~11167 X2Ray Photoelectron Spectrocopic Analysis of Native Oxides Layer on G allium Arsenide Semiconductor Surface Ren Diansheng 3 1 ,2 , Wang Wei 1 , Li Yuchen 2 , Yan Ruyue 2 1 ( School of Chemical Engineering and Technology , Tianjin University , Tianjin 300072) 2 ( Tianjin Electronic Materials Institute , Tianjin 300192) Abstract X2ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyte native oxides layer on gallium arsenide ( GaAs) surface. The Ga3d and As3d binding energies associated with some compounds were measured. The oxides present on the GaAs surface were identified. A measurement method of GaΠ As atomic ratio and oxide layer thickness was developed. A series of GaAs polished wafers and GaAs wafers treated with some chemical solutions were studied by XPS. The results show that the native oxide layer on GaAs surface is composed of Ga2O3 、 As2O5 、 As2O3 and elemental As ; and the GaΠ As atomic ratio is drifted off the stoichiometry far away. The thickness of oxide layer on GaAs surface increases with increasing the GaΠ As atomic ratio. After treated with some chemical solutions , the GaAs surface is modified. The formation mechanism of surface oxide in the air was also discussed. Keywords Gallium arsenide , X2ray photoelectron spectroscopy (Received 24 November 2002 ; accepted 10 April 2003) 《冶金分析》 征订启事 《冶金分析》 杂志是经国家科委批准 ,由钢铁研究总院、 中国金属学会主办和出版的综合性分析化学专业的科技期 刊. 《冶金分析》 办刊宗旨以实用主为 ,主要报道分析方面的新技术、 新方法、 先进经验、 研究结果 ,发表综述文章及介绍 国内外冶金分析动态等.适合于冶金、 矿山、 化工、 机械、 地质、 环保、 外贸、 国防等部门从事冶金分析的科技人员、 生产管 理人员及大专院校和中等技术学校有关专业的师生阅读参考. 《冶金分析》 1981 年创刊 ,现为中国科技论文统计用期刊、 全国中文核心期刊、 中国期刊网全文收录期刊、 美国工程信 息公司 Ei 数据库收录期刊、 美国 "CA" 千种表我国化学化工类核心期刊. 《冶金分析》 在国内外公开发行 ,每期为大 16 开,84 页,2004 年定价 8 元Π 本 ,全年六期为 48 元 ,国内统一刊号 CN112 2030Π TF ,本刊由全国各地邮局发行 ,邮发代号 :822157. 《冶金分析》 编辑部地址 :北京海淀区学院南路 76 号 ,邮编 100081 ,电话 (010) 62182398 ,传真 : (010) 62182398 ,E2mail : yjfx @analysis.org. cn. 4 9 1 1 分析化学第31 卷