Reconstructions of InAs (001) surface

Indium arsenide (InAs) is an important semiconductor, with current or potential applications in electronical, optical, or spintronical devices. These devices are based on interfaces between indium arsenide and other materials. Detailed knowledge of the surface structure of the compound is essential for the synthesis of such interfaces, for example by means of molecular beam epitaxy (MBE). In this work technologically important (001) surface of the semiconductor, which is known for having rather complicated reconstructions is being investigated by means of low energy electron diffraction (LEED).Three different preparation procedures of the surface were carried out in order to optimize and control the process.Firstly, the sample was subjected to ion sputtering with argon ions for 3 hours, with normal incidence of the ion bean. Afterwards it was annealed in the temperature of 380 degrees Celsius for about 3,5 hours. We found that this preprataion procedure has led to indium-rich c(8x2)/(4x2) reconstruction with relatively good quality of the surface. Howewer, the appearance of “facettes”, additional crystallographic faces on the surface led to the conclusion that annealing temperature was too high and that the process of decomposition has begun on the surface. The second preparation procedure differed from the previous one by shortening sputtering time to 2 hours, shortening annealing time to 2,5 hours and lowering annealing temperature to 330 degrees Celsius. This led to surface domains with different reconstructions – both In-rich c(8x2)/(4x2) and As-rich (2x4). Moreover, the quality of prepared surface was rather poor, with probable large areas of amorphous material.In the last preparation cycle the sample was subjected to sputtering for around 1,5 hours, with incidence angle of the ion beam of 30 degrees. The sample was also heated while being sputtered to about 300 degrees Celsius. The temperature of annealing was raised to 360 degrees Celsius with the same time of the process (2,5 hours). This preparation procedure led again to surface domains with (2x4) and c(8x2)/(4x2) reconstructions. However, the quality of surface improved significantly, compared to the previous procedure.We have found that the surface structure of InAs is strongly dependent of the details of preparation procedure. Annealing at higher temperatures leads to relative enrichment of the surface with indium, compared to lower temperatures.

Arsenek indu (InAs) jest ważnym materiałem znajdującym zastosowania w urządzeniach elektronicznych, optycznych, czy w przyszłości również spintronicznych. Urządzenia te bazują na złączach InAs i innych materiałów. Dla procesów syntezy tych złącz, na przykład za pomocą epitaksji z wiązki molekularnej (molecular beam epitaxy – MBE) konieczna jest znajomość struktury i reaktywności powierzchni, która charakteryzuje się skomplikowanymi rekonstrukcjami. W tej pracy zostały zbadane rekonstrukcje ważnej technologicznie powierzchni tego związku o orientacji krystalograficznej (001), za pomocą techniki dyfrakcji elektronów niskich energii (low energy electron diffraction – LEED).Badaną próbkę przygotowano za pomocą trzech różnych procedur preparacji, przeprowadzonych w celu optymalizacji procesu.W pierwszej z nich próbka została poddana rozpylaniu jonowemu za pomocą wysokoenergetycznej wiązki jonów argonu padającej prostopadle do powierzchni przez około 3 godziny, a następnie wygrzana w temperaturze ok. 380 stopni Celsjusza przez 3,5 godziny. Otrzymana za jej pomocą rekonstrukcja powierzchni to rekonstrukcja c(8x2)/(4x2), bogata w ind. Powierzchnia była stosunkowo dobrej jakości, jednak na jej powierzchni zaobserwowano pojawienie się dodatkowych mikropłaszczyzn krystalicznych, „fasetek”. Doprowadziło to do wniosku że temperatura wygrzewania była zbyt wysoka i że zaczął się proces powierzchniowej dekompozycji próbki.Drugi sposób preparatyki polegał na zmniejszeniu czasu przemiatania jonowego powierzchni do 2 godzin, zmniejszeniu temperatury wygrzewania do 330 stopni Celsjusza oraz skróceniu wygrzewania do 2,5 godzin. Zaobserwowano że prowadzi to do powstania na powierzchni domen o różnych rekonstrukcjach – c(8x2)/(4x2) bogatej w ind oraz (2x4) bogatej w arsen. Ponadto otrzymana powierzchnia była stosunkowo złej jakości, z prawdopodobnymi dużymi obszarami amorficznymi.W ostatnim cyklu preparatyki zmieniono kąt padania wiązki jonowej na 30 stopni w stosunku do powierzchni, a także ogrzano ją podczas rozpylania do temperatury 300 stopni Celsjusza. Wygrzewanie prowadzono w temperaturze 360 stopni Celsjusza przez ok. 2,5h. Doprowadziło to ponownie do powstania powierzchni z domenami o rekonstrukcjach (2x4) i c(8x2)/(4x2), jednakże z zauważalnie lepszą jakością powierzchni.Otrzymana rekonstrukcja powierzchni InAs (001) silnie zależy od sposobu jej preparatyki. Do uzyskania powierzchni dobrej jakości konieczne może być jej wielokrotne czyszczenie za pomocą przemiatania jonowego oraz wygrzewanie. Zaobserwowaliśmy również że wygrzewanie w wyższych temperaturach powoduje relatywne wzbogacenie powierzchni w ind w stosunku do wygrzewania w temperaturach niższych.