Laser-Induced Reactivity of NH on GaAs Surface

(Received 13 February 1996, accepted 25 September 1996)

Abstract
We have studied the reactivity of NH ₃ on GaAs (100) surface irradiated by 280 nm laser beam at low fluence ( < 50 mJ cm ^-2 per pulse) in an experimental set-up which allows a very sensitive characterization of the surface state using mass spectrometry. Thanks to this analysis technique we could follow desorbed NH _x (x = 2, 3) species during the laser treatment; this phase achieved, GaN ⁺ could be identified as an evidence of N fixation using laser desorption mass spectrometry of the treated surface. This characterization mode demonstrates the fluence and laser shot number dependencies on laser treatment efficiency. At 280 nm the N fixation is maximum for laser fluence of about 25 mJ cm ^-2 (per pulse). Still even in the best nitridation conditions, the process appears to be of little efficiency, since it leads to the formation of less than one monolayer of GaN. These results combined with a numerical model of GaAs laser heating give evidence for the laser-induced nitridation to be thermally assisted.

Résumé
Nous avons étudié la réactivité de NH ₃ sur la surface d'un échantillon de GaAs irradié par un faisceau laser UV (280 nm) de faible fluence ( < 50 mJ cm ^-2). Les expériences ont été menées dans un dispositif expérimental utilisant la spectrométrie de masse et permettant une caractérisation présise de l'état de la surface. Grâce à cette technique d'analyse nous avons pu suivre les espèces NH _x⁺ (x = 2, 3) désorbées pendant le traitement laser, cette étape terminée, nous avons détecté, par la spectrométrie de masse associée à la désorption laser, les ions GaN ⁺ émis depuis la surface traitée, ils indiquent que la nitruration de GaAs s'est bien produite pendant le traitement. Cette technique de caractérisation nous a permis d'étudier l'influence de la fluence et du nombre de tirs laser sur l'efficacité du traitement. À 280 nm l'efficacité de la nitruration assistée par laser du GaAs est maximum pour une fluence laser proche de 25 mJ cm ^-2 (par tir). Cependant même dans les conditions optimales de nitruration, le processus apparaît peu efficace puisqu'il conduit à la formation de moins d'une monocouche de GaN. Ces résultats expérimentaux couplés à un modèle numérique du chauffage laser de GaAs ont montré que le laser produit, pour les réactions de surface, des effets essentiellement thermiques proches de ceux obtenus par un chauffage conventionnel, lent, du substrat de GaAs.