III-V族InP/InGaAsP/InGaAs材料***族對于光電子器件非常重要，特別是在1.55和1.3μm波段的光學(xué)發(fā)射和吸收，這對于光學(xué)互連非常重要[1]。然而，InGaAsP/InGaAs通常相對于Si[2]和InP[3]具有較高的表面重組速度，這會降低器件的效率并增加噪聲。過去的方法包括使用不同的表面處理技術(shù)，如氫鈍化、化學(xué)鈍化等。然而，這些方法存在***些問題，如表面鈍化效果不穩(wěn)定、需要高溫處理等。Andrade等人[4]提出了***種高效的表面鈍化方法，即使用硫飽和銨溶液對表面進行處理，可以顯著提高光電子器件的性能，如提高光發(fā)射器件的光致發(fā)光強度和降低表面重組速度。在這里，研究人員展示了使用飽和的硫化銨和原子層沉積相結(jié)合來鈍化表面。快速退火后，表面鈍化導(dǎo)致表面復(fù)合速度降至45cm/s以下，相當(dāng)于寬度為200nm的納米發(fā)光器件的發(fā)光強度增加了>180倍。
圖1 表面鈍化InGaAsP LED脊示意圖
使用MOCVD在InP上生長外延層。通過圖案化刻蝕成高210nm、長1lm、寬不同的山脊。樣品經(jīng)過清洗后。接著在氨硫化氫溶液（(NH4)2S#1 或者 (NH4)2S#2],）中浸泡20分鐘，用異丙醇沖洗后放入ALD中，沉積介電層（3nm Al2O3，4nmTiO2，3nm Al2O3）。兩個樣品均經(jīng)快速熱處理（350℃，5min，N2），完成表面鈍化。圖1展示了器件的示意圖。
圖2（a）室溫下連續(xù)波光致發(fā)光測量的 L-L 曲線（b）4 μW 泵功率時的光譜
圖2(a)展示了寬度為200nm的器件在蝕刻和鈍化后的L-L斜率變化，分別為1.62dec/dec和1.02dec/dec。這表明在這些功率下，輻射復(fù)合占主導(dǎo)地位。在***低泵功率下，200nm寬度的PL增加了180倍，預(yù)計在低泵功率下比率會更大。超過40μW泵功率的鈍化測量后斜率下降可解釋為帶填充，而非Auger復(fù)合。圖2(b)展示了室溫下連續(xù)波-熒光測量的L-L曲線和光譜，器件寬度為200nm，脊結(jié)構(gòu)長度為1000nm。在4μW下，1300nm長通濾波器以下的譜部分較小，但隨著泵功率增加，峰值功率向短波長移動，而1300nm以下的譜部分不再微不足道。
圖3 （a）不同處理方式后測量的200納米寬的脊的衰減曲線
（b）表面再結(jié)合速度與寬度之間的關(guān)系。
圖3(a)展示了蝕刻后與表面鈍化后的衰減曲線示例。經(jīng)過蝕刻的200nm寬度的山脊，經(jīng)過(NH4)2S#2 鈍化和(NH4)2S#1 鈍化的A0壽命分別為0.61ns、29.95ns和207.47ns。圖4(b)顯示了有兩個區(qū)域：在窄的山脊寬度下，表面再結(jié)合速度呈指數(shù)增長（以虛線表示），而在較寬的山脊下，表面再結(jié)合速度大致保持不變（以黑色實線表示）。其中，灰色區(qū)域代表6個標(biāo)準(zhǔn)差。顯然，表面鈍化后具有更高的A0壽命和更低的表面再結(jié)合速度。表面鈍化InGaAsP LED具有的低表面復(fù)合速度和高發(fā)光強度也源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn)，RTP系列產(chǎn)品是武漢有限公司的核心產(chǎn)品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，形成鮮明的行業(yè)競爭力，為高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、高穩(wěn)定性的、高均勻性的高溫場和氣氛保護或反應(yīng)氣體，具體表現(xiàn)在：
√ 快速升溫的高溫場能夠促進(NH4)2S/金屬層的熱擴散，通過反應(yīng)形成了薄薄的阻隔層；
√ 高溫條件下的快速熱處理有助于降低(NH4)2S層的熱擴散深度，降低對器件層的影響；
√ 保護氣氛有助于避免鈍化層或金屬層的高溫氧化，避免出現(xiàn)雜相或者副反應(yīng)。
此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產(chǎn)品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù)，可實現(xiàn)對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng)，可達到極佳的溫場均勻性和穩(wěn)定性。嘉儀通()快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的金屬合金化、離子注入后退火、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。
參考文獻：
[1]Dolores-Calzadilla V, Romeira B, Pagliano F, et al. Waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodes on silicon[J]. Nature Communications, 2017, 8(1): 14323.
[2]Das U, Theisen R, Hanket G, et al. Sulfurization as a promising surface passivation approach for both n-and p-type Si[C]//2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). IEEE, 2020: 1167-1170.
[3]Joyce H J, Wong-Leung J, Yong C K, et al. Ultralow surface recombination velocity in InP nanowires probed by terahertz spectroscopy[J]. Nano letters, 2012, 12(10): 5325-5330.
[4]Andrade N M, Hooten S, Kim Y, et al. Sub-50 cm/s surface recombination velocity in InGaAsP/InP ridges[J]. Applied Physics Letters, 2021, 119(19).
(文章來源于儀器網(wǎng))
