低速^84Kr^15＋,17＋离子轰击GaAs单晶-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014)053201低速84Kr15+，17+离子轰击GaAs单晶冰杨变)2)杨治虎)十徐秋梅)郭义盼)2)武晔虹)2)宋张勇)蔡晓红)1)(中国科学院近代物理研究所，兰州730000)2)(中国科学院大学，北京100049)(2013年9月18日收到；2013年11月20日收到修改稿)用345keV的Kr+和340keV的Kr离子以45。角入射n型GaAs单晶f1001面，测量了表面形貌的变化和发射的375—500nmGaI和KrII的特征光谱线．Krq+(q=15，17)离子轰击后表面形貌

2、的变化主要取决于入射离子的电荷态口．离子沉积到靶表面的能量引起Ga原子激发，其辐射光谱为GaI403．2nm和GaI417．0nm．入射离子中性化过程中俘获GaAs导带电子形成高激发态原子，通过级联退激填充3p，4d等空穴，P壳层电子跃迁发射谱线为KrII410．0nm，KrII430．4nm，KrII434．0nm和KrII486．0nm，KrII486．0nm为较强谱线．实验结果表明，入射离子与GaAs单晶相互作用发射的可见光产额与入射离子的电荷态密切相关，较高电荷态Kr"+离子入射产生的光辐射产额大约为Kr15+离子的两倍．关键词：表面形貌，光谱

3、，高激发态PACS：32．30．Jc．34．80．Dp．61．80．JhDOI：10．7498／aps．63．053201[14,15】．当入射离子电荷态较低时，表面附近被俘获1引言电子的光辐射跃迁速率比自电离和俄歇跃迁的速率小约6个数量级[16]，因此光辐射退激过程可以忽GaAs单晶是直接带隙半导体材料，禁带宽度略．文献『17—201从实验上研究了单电荷态离子与大(室温下为1．43eV)，有较高的发光效率，其带隙金属表面相互作用的可见光发射．低速单电荷态离位于红外光范围，广泛应用于发光二极管、红外光子入射金属表面主要是俄歇中性化过程．高电源、半导体激

4、光器等领域【，引．载能离子束引起的荷态离子与表面相互作用的可见光谱主要有两种，注入、溅射等效应，推进了GaAs辐照损伤和GaAs分别为靶原子、靶离子的光辐射和入射离子中性化微波场效应管等器件的研究[2-7]．过程中的跃迁光谱[22,23]．目前，高电荷态离子与固高电荷态离子逼近金属或半导体表面过程中，体相互作用的研究多集中于高里德堡态原子的电表面极化产生镜像电荷，使入射离子获得能量增益[，引．当入射离子与表面间的势垒低于费米面时，子和X射线发射的研究，对于入射离子中性化过程中的可见光辐射实验研究很少．入射离子与固体金属或半导体表面的导带电子会大量共振转

5、移到入射离子的高激发态，形成高激发态的里德堡原相互作用过程中形成的高里德堡原子的高激发态子，它可通过俄歇跃迁、X射线发射或可见光辐射上电子通过光辐射退激的速率随核电荷数的4次方等方式退激[9-13】．入射离子进入靶表面后，在约激增，而自电离和俄歇跃迁与核电荷数的关系不大[24]100S时间尺度俘获大量电子而被屏蔽，将势能．高电荷态离子轰击金属或半导体材料的光辐沉积在表面1nm2、几个原子层的空间尺度，引起射研究，有助于深入理解离子入射表面的能量转移电子、离子及原子的溅射[2,9,12】，以及x射线的发射机理，特别是相互作用过程中形成的高里德堡原子国家自

6、然科学基金(批准号：11174296)和国家重点基础研究发展973计划(批准号2010CB8329011资助的课题十通讯作者．E—mail：z．yang@impcas．ac．cn◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．c礼053201．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014)053201外壳层空穴引起的多电子组态间的跃迁．目前，高实验中束流强度保持在约240—260nA之间．电荷态离子入射半导体材料的可见光发射实验数为了尽量降低光谱测量时的本底，实验在暗室

7、中据相对缺乏．进行．基于以上考虑，我们从实验上研究了Krq+利用原子力显微镜(AFM)观测了Krq+(q=(q：15，17)离子轰击GaAs单晶(100)面的表面形15，17)离子束轰击GaAs单晶(100)面后表面形貌貌的变化和可见光发射．的变化．AFM的型号为MFP一3D—SA，分辨率为10nm，测量样品尺寸为80gm×80pm．2实验装置与测量方法3实验结果与讨论实验在中国科学院近代物理研究所320kV高电荷态离子综合研究平台进行．Krq+(q=15，17)3．1Krq+(q=15，17)离子轰击GaAs离子由电子回旋共振离子源(ECRIS)提供

8、，经平台单晶(100)面的表面形貌变化上90。分析磁铁、90。二极偏转磁铁、四极磁透镜组、图2