GaAs半導體表面的等離子氮鈍化特性研究

許留洋，高　欣，袁緒澤，夏曉宇，曹曦文，喬忠良，薄報學

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春　130022)

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GaAs半導體表面的等離子氮鈍化特性研究

許留洋，高欣，袁緒澤，夏曉宇，曹曦文，喬忠良，薄報學*

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春130022)

采用射頻(RF)等離子方法，對GaAs樣品進行了150 W高功率等離子氮鈍化及快速退火處理。經過該方法鈍化后的樣品，光致發光(PL)強度上升了91%。XPS分析得出，GaAs樣品表面的氮化效果隨著氮等離子體功率的增加而逐漸趨于明顯。氮化后的樣品表面未發現氧化物殘余。樣品在空氣中加熱放置30 d，PL強度下降不明顯，說明表面鈍化層具有良好的穩定性。

等離子；XPS；PL；GaAs

*Corresponding Author,E-mail:bbx@cust.edu.cn

1　引　　言

高濃度表面態在禁帶中造成費米釘扎現象[1]，對GaAs基高功率半導體激光器的腔面穩定性帶來嚴重影響。研究人員嘗試采用多種鈍化方法改善或解決這一問題。含硫鈍化液對GaAs表面具有明顯的PL增強效果[2]，但生成的硫化物表面層性能不穩定，空氣中鈍化效果不能夠長期保持；同時，溶液中常含有雜質元素，會造成器件鈍化表面的二次污染。利用外延的方法在GaAs表面生長一層GaN，具有化學性質穩定、熱導率高等優點，生成的GaN薄膜也能起到很好的鈍化效果[3]。但較高的外延生長溫度及大型昂貴的外延生長設備條件使得該方法并不適合實際器件的制作工藝。

對GaAs表面進行等離子氮鈍化，使氮離子與表面GaAs反應生成GaN層，可以起到很好的鈍化作用[4-5]。然而低功率下的氮等離子體與GaAs表面很難反應；而高功率下氮離子雖然滿足與GaAs表面反應的條件，但離子損傷引起的表面缺陷使非輻射復合中心增多，鈍化效果并不明顯[6]。本工作在采用高功率氮等離子體與GaAs表面反應生成GaN層的基礎上，對樣品進行了后序退火特性研究，采用快速熱退火方法，消除了高能離子損傷導致的負面影響，使得等離子氮鈍化效果更加明顯。

2　實　　驗

實驗利用JCP-350型射頻等離子設備作為N等離子激發源，采用n型摻雜(Si)濃度為2.4×1018cm-3的GaAs(100)襯底片作為實驗樣品。樣品首先經過甲苯、丙酮、酒精、去離子水各超聲清洗5 min，氮氣吹干，隨后放入設備腔體內，對腔體進行抽真空。當真空度達到1×10-4Pa時，進行氮等離子處理實驗。優化的工作條件為：射頻功率150 W；氮氣流量30 cm3/min；工作真空度1 Pa；處理時間30 min；襯底溫度為150 ℃。

3　結果與討論

樣品的光致發光(PL)強度能夠較好地反映出樣品表面的物理特性，光譜強度越高則樣品表面的缺陷態就越少。通過比較鈍化前后樣品的PL，能夠直觀地看出GaAs樣品的鈍化效果。PL測量采用由海洋光學HR2000+型光譜儀搭建的PL測試系統，以輸出功率為1～100 mW的660 nm波長半導體激光器作為激發光源。樣品表面的熒光經會聚光學系統，由光纖傳輸到光譜儀中。

等離子氮化前后的GaAs樣品的PL光譜如圖1所示。從圖中可以看出，經過150 W等離子氮處理后，樣品的PL強度有微弱提高，但效果不明顯。分析認為，經過150 W高功率N等離子轟擊，GaAs樣品在獲得清潔的過程中表面也受到一定程度的損傷，由晶格損傷引起的非輻射復合中心增多，從而導致樣品PL強度未出現明顯提高。另外，發現PL的峰值波長出現了可能由表面損傷層引起的3 nm紅移。為了研究紅移現象，我們采用不參與化學反應的等離子Ar在相同條件下對GaAs樣品進行轟擊。PL測試發現，峰值波長出現同樣的紅移現象，并且退火后得到恢復。因此，實驗中出現的紅移現象應為高能N離子造成的物理損傷所致。

圖1　等離子N鈍化前后樣品的PL譜

為了嘗試對等離子處理樣品表面損傷層進行修復，我們對氮化處理后的樣品進行了低溫(300 ℃)快速熱退火處理，時間為1 min。退火后的樣品的PL強度如圖1所示。通過比較發現，經過氮等離子處理結合后續退火工藝后，GaAs樣品的PL強度比原始樣品提高了91%。與未處理樣品比較，峰值波長紅移了2 nm。退火使氮化后樣品的峰值波長發生了1 nm的回移，說明N離子轟擊引起的表面損傷得到了部分修復。

圖2GaAs的XPS N1s圖譜

Fig.2XPS N1sspectra of GaAs with/without nitridation

XPS測量能夠更加細微地分析出材料表面元素的組分、含量、價態等物理信息。我們將處理后的樣品分別進行了N1s、Ga3d、As3d光電子能譜測試。圖2為N1s的XPS譜，處理前的樣品有明顯的Ga俄歇峰，經過等離子氮化處理后，出現明顯的GaN峰，且Ga俄歇峰減弱，說明樣品表面已經出現氮化層，形成了GaN類化合物。GaN具有更好的物理化學穩定性，且帶隙寬，會對表面光吸收、氧化等嚴重影響GaAs基器件性能及壽命的重要因素起到很好的抑制作用。

圖3和圖4為樣品處理前后的As3d和Ga3d的XPS譜。可以明顯看出，未處理樣品表面存在Ga、As的氧化物。一般認為，表面氧化物會在材料禁帶中引入雜質能級(帶)，導致GaAs器件的裸露部位的非輻射復合效應增強，成為影響器件性能的重要因素。樣品經過高功率的氮等離子體處理后，表面的氧化物基本消除，減少了表面氧化物引起的非輻射復合中心密度，提高了光致發光效率，使PL強度明顯提高。對比各峰的面積能夠看出，在表面氮化過程中，Ga2O3、GaAs等都參與了反應，形成了類GaN的材料表面層。

圖3GaAs的XPS As3d圖譜

Fig.3XPS As3dspectra of GaAs with/without nitridation

圖4GaAs的Ga3d圖譜

Fig.4XPS Ga3dspectra of GaAs with/without nitridation

同時，我們也對GaAs樣品進行了低功率(20 W、80 W)的氮等離子處理及退火對比實驗。圖5(a)、(b)分別為二者與未處理樣品的Ga3dXPS圖譜。在20 W功率下，GaN結合能處未發現峰，且離子轟擊后的GaAs表面更易于氧化，說明低功率下N等離子體未具備足夠的能量參與氮化反應，且等離子體對表面的清洗也沒有明顯效果。從圖5(b)可以看出，在80 W功率下，GaAs樣品表面雖然有GaN的生成，但仍存在一定量的氧化物成分，其對樣品表面仍然沒有起到良好的清潔或保護作用。圖3、圖4的結果表明，在150 W功率的N等離子體處理后，樣品除了Ga—As、Ga—N鍵，未發現明顯的Ga—O鍵存在，具有較好的表面處理效果。Akio Hara等采用類似的Ar/N混合等離子體處理方法，仍然在GaAs樣品表面的Ga3dXPS譜中發現存在弱的氧化峰[7]。由以上的實驗結果可以看出，GaN層的形成需要一定的等離子體功率，隨著RF功率的增加，GaAs表面層的清潔與氮化效果會更加明顯，也會具有更好的PL特性。這與Praveen Kumar等[8]報道的結論一致。從圖6可以看出，經過低功率20 W等離子N處理的GaAs樣品的PL強度反而降低；80 W等離子N處理后，和未處理樣品相比，PL強度有上升的趨勢；而經過150 W等離子N處理的樣品的PL強度最高。這與不同功率下Ga3d的XPS測試結果相符。

圖5低功率等離子N處理GaAs的XPS圖譜。(a) 20 W；(b) 80 W。

Fig.5XPS Ga3dspectra of GaAs with lower power N+plasma.(a) 20 W.(b) 80 W.

圖6不同功率N等離子體處理并退火后的GaAs樣品的PL譜

Fig.6PL spectra of GaAs treated by different power of N+and plasma followed by annealing

接下來，我們對鈍化后的GaAs樣品進行了300 ℃溫度條件下的PL穩定性測試，樣品處于凈化環境的空氣氣氛中，測試結果如圖7所示。在考核初期，PL強度有微弱下降的趨勢，這可能是由于空氣環境中的雜質吸附在樣品表面或表面的輕微退化而引起。經過30 d的連續實驗，表面鈍化樣品的PL強度仍然比未處理樣品高出80%以上，表明樣品表面的氮化層具有良好的穩定性。

圖7300 ℃溫度條件下，表面鈍化樣品的PL強度穩定性。

Fig.7PL Intensity stability of the prepared GaAs sample kept at 300 ℃

4　結　　論

對GaAs表面的氮等離子體處理可以有效去除表面氧化物，并在表面形成GaN鈍化層。采用快速熱退火處理修復了GaAs樣品表面的離子損傷，明顯消除了由損傷產生的非輻射復合中心，改善了表面的光致發光特性，PL強度提高了91%，并具有較好的穩定性。

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許留洋(1983-)，男，河南商水縣人，博士研究生，2006年于齊齊哈爾大學獲得學士學位，主要從事高功率半導體激光器的研究。

E-mail:2012200082@mails.cust.edu.cn

薄報學(1964-)，男，河南淇縣人，博士，教授，2002年于吉林大學獲得博士學位，主要從事高功率半導體激光器技術與應用的研究。

E-mail:bbx@cust.edu.cn

Nitrogen-plasma Passivation of GaAs Semiconductor Surface

XU Liu-yang,GAO Xin,YUAN Xu-ze,XIA Xiao-yu,CAO Xi-wen,QIAO Zhong-liang,BO Bao-xue*

(State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

GaAs substrate was treated by N+with 150 W RF plasma and followed by rapid thermal annealing.The PL intensity increased by 91%.XPS analysis indicates that GaAs surface has been nitrided after high power RF N+plasma processing,and the nitridation effect is enhanced under higher RF power.No oxide is found on nitrided GaAs surface.The prepared samples were kept on heat plate in open air for PL stability evaluation,little drop was found during a 30 days test.

plasma; XPS; PL; GaAs

1000-7032(2016)04-0428-04

2016-01-07；

2016-03-03

國家自然科學基金(61176048,61177019,61308051)；吉林省科技發展計劃(20150203007GX,20130206016GX)；中物院高能激光重點實驗室基金(2014HEL01)資助項目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163704.0428