氧化物/InAs（001）界面氟钝化*

1. 概述

        卤素对氧相关电子态的钝化是减少带隙的方法之一，这已经在InAs（111）A和氟中得到了证明。然而，尚未对具有InAs（001）材料的这种影响进行研究。由于过渡层在与绝缘体的界面处的局部结构的特殊性，InAs表面取向可能对带隙产生重大影响。

        在本研究中，通过分析在78 K温度下测量的电容-电压（C-V）曲线，揭示了氟对阳极（天然）氧化物/InAs（001）界面电子性能的影响。结果表明，与无氟阳极层相比，n-InAs（001）表面的含氟阳极层形成了一个具有未固定费米能级的界面，在中隙附近的态密度约为10¹¹eV⁻¹·cm⁻²（78K）。对化学成分的研究表明，态密度的降低与界面附近形成的氟氧化铟和砷有关。

2. 样品制备

        使用掺有硫（S）的n-InAs（001）衬底（来自中芯晶研），掺杂杂质密度为（4−6）*10¹⁷ cm⁻³进行研究。将所有样品在单乙醇胺与过氧化氢的溶液中脱油，浸入HCl:H2O=1:10的混合物中60秒以去除残留的氧化物层，并将其引入真空室。在2 Torr的压力下，在Ar:O2=4:1和Ar:O2:CF4=7.7:2:0.3的低能量DC等离子体中分别形成了厚度为5-15 nm的阳极氧化物（AO）层和含氟阳极氧化物（FAO）层。

        通过掩模沉积Ti（20 nm）/Au（200 nm）金属层，制备了面积为2*10⁻³cm²的圆形栅极接触。通过沉积400nm厚的In层来形成与样品背面的欧姆接触。

        使用Keysight B1500A半导体参数分析仪和热稳定探针台，在黑暗中测量了制备的金属-绝缘体-半导体（MIS）结构的C-V曲线。结果如图1所示：

图1 在78 K的温度下测量的MIS结构，Au/Ti/AO（～13 nm）/n-InAs（001）（a, c）和Au/Ti/FAO（～7 nm）/n-InAs（001）的C-V曲线（a, b）和G/ω−V（c, d）的频率（1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 1 MHz）依赖性; InAs带隙中D_it（78 K）的相应分布如插图所示

        FAO/InAs（001）界面的化学成分通过X射线光电子能谱（XPS）使用装有ASTRAIOS 190电子能量分析仪和2D-CMOS电子探测器的SPECS GmbH ProvenX ARPES系统进行检测，结果如图2所示：

图2 厚度为7-8nm的FAO初始表面上In 4d、As 3d和F 1s（插图）线的XPS光谱

3. 结论

        分析了Au/Ti/AO/InAs（001）和Au/Ti/FAO/InAs（001）MIS结构的电容-电压曲线的频率（1kHz−1MHz）依赖性，并检测了FAO/InAs界面的化学成分。

        结果表明，AO氟化可产生铟和砷的氟化物，并对氧化物/InAs（001）界面的电子物理参数有显著的正向影响。C-V曲线在富集和耗尽过程中的频率色散几乎完全消除，这是由于边界陷阱和界面态密度的增加。

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