砷化鎵(GaAs)氬氫混合等離子體清洗

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-08-07

砷化鎵(GaAs)是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，具有電子遷移率高、禁帶寬度大和發(fā)光效率高等優(yōu)越特性，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器、太陽(yáng)能電池和光探測(cè)器等光電子器件方面。然而，在空氣中的砷化鎵表面常常附著各種有機(jī)物、粉塵等污染物，而且容易在表面形成氧化層。氧是一種深能級(jí)雜質(zhì)，起非輻射復(fù)合作用，會(huì)降低GaAs材料的發(fā)光效率。另外，氧還可以形成雜質(zhì)缺陷，造成缺陷位錯(cuò)，當(dāng)器件在強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，這種缺陷會(huì)迅速擴(kuò)散，使非輻射復(fù)合幾率增大，從而加快GaAs外延器件的失效。GaAs不同于Si，Si可形成優(yōu)良的自體氧化物SiO2，而As的氧化物非常不穩(wěn)定，在室溫下可以與GaAs發(fā)生反應(yīng)，生成Ga2O3和單質(zhì)As。同時(shí)，GaAs的自體氧化層與本體之間有很高的界面態(tài)密度，它們對(duì)載流子起著散射中心和非輻射復(fù)合中心作用，并引起費(fèi)米能級(jí)釘扎現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到GaAs半導(dǎo)體器件的光學(xué)和電學(xué)特性。傳統(tǒng)清洗技術(shù)主要使用鹽酸、硫酸、氫氟酸、雙氧水、氨水、三氯乙烯等化學(xué)試劑，清洗不徹底，有毒性和腐蝕性，可造成對(duì)GaAs表面的損壞。

采用氫等離子體清洗GaAs表面，可以有效去除襯底表面的氧和碳元素，降低樣品表面態(tài)密度和表面復(fù)合速率，使光致發(fā)光譜強(qiáng)度提高達(dá)60%。氫等離子體清洗是一種表面反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主的清洗工藝，反應(yīng)氣體被電離后可產(chǎn)生高活性反應(yīng)粒子，在一定條件下與GaAs表面發(fā)生作用，生成易揮發(fā)性物質(zhì)而被抽走，從而實(shí)現(xiàn)分子水平的玷污去除目的。除了氫氣以外，用于等離子清洗的氣體源還有氬、氧、氮、四氯化碳等，清洗方式可以是單一氣體清洗，或者是2種氣體混合清洗。

氬氫混合等離子體清洗GaAs基片

采用Ar，H₂混合等離子體清洗GaAs基片，可以起到化學(xué)清洗和物理清洗的雙重作用，同時(shí)氬等離子體的引入還有利于提高氫等離子體的數(shù)量，能夠增強(qiáng)樣品的清洗效果。

物理清洗
氬等離子體參與的是表面反應(yīng)以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗，也叫濺射刻蝕。氬離子在自偏壓或外加偏壓作用下被加速產(chǎn)生動(dòng)能，然后轟擊到放在負(fù)電極上的被清洗樣品表面。氬離子撞擊表面時(shí)產(chǎn)生的巨大能量可清除附著污染物，轟擊產(chǎn)生的機(jī)械能可將污染物中的大分子化學(xué)鍵分離成小分子而汽化(式(1))，隨后被抽走。氬氣本身是隋性氣體，等離子態(tài)的氬氣并不和樣品表面分子發(fā)生反應(yīng)，保持了被清洗物的化學(xué)純潔性，且腐蝕作用各向異性。然而，對(duì)于氬、氫混合氣體，由于氬的原子量為39．95，遠(yuǎn)大于氫的原子量1．00794，因而在加速過(guò)程中氬離子獲得了較大的動(dòng)能，通過(guò)對(duì)氫氣的撞擊作用能夠起到分離氫分子，增加氫等離子體數(shù)量的效果。
Ar+e^－→Ar++2e^－，Ar⁺+沾污→揮發(fā)性沾污．

化學(xué)清洗
氫等離子體參與的是表面反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗。一般，在GaAs基底表面會(huì)覆蓋有一層成分為Ga₂O₃和As₂O_x，厚度約為10nm的氧化層。在高頻電磁場(chǎng)作用下，氫等離子體通過(guò)輝光放電的方式產(chǎn)生，除了包含高溫電子外，還包含有各種氫離子(H+、H2+、H3+、H－)、基態(tài)和電子激發(fā)態(tài)的氫原子及氫分子。其中，大量的活性氫原子在低溫下能夠與樣品表面分子發(fā)生還原反應(yīng)，有效去除GaAs表面氧化層并活化表面性能。同時(shí)，氫等離子體清洗還有助于修復(fù)氬等離子體轟擊過(guò)程中產(chǎn)生的輕微損傷，從而提高樣品表面均勻性，保證較高的PL強(qiáng)度。

氬、氫混合等離子體清洗在降低GaAs樣品的界面態(tài)密度、消除費(fèi)米能級(jí)釘扎現(xiàn)象和改善樣品表面特性等方面具有明顯的作用，為GaAs光電器件性能的進(jìn)一步改善提供了新的技術(shù)途徑。