砷化鎵(GaAs)氬氫混合等離子體清洗

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2023-08-07

砷化鎵(GaAs)是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，具有電子遷移率高、禁帶寬度大和發光效率高等優越特性，被廣泛應用于半導體激光器、太陽能電池和光探測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。氧是一種深能級雜質，起非輻射復合作用，會降低GaAs材料的發光效率。另外，氧還可以形成雜質缺陷，造成缺陷位錯，當器件在強電場或強磁場作用下，這種缺陷會迅速擴散，使非輻射復合幾率增大，從而加快GaAs外延器件的失效。GaAs不同于Si，Si可形成優良的自體氧化物SiO2，而As的氧化物非常不穩定，在室溫下可以與GaAs發生反應，生成Ga2O3和單質As。同時，GaAs的自體氧化層與本體之間有很高的界面態密度，它們對載流子起著散射中心和非輻射復合中心作用，并引起費米能級釘扎現象，嚴重影響到GaAs半導體器件的光學和電學特性。傳統清洗技術主要使用鹽酸、硫酸、氫氟酸、雙氧水、氨水、三氯乙烯等化學試劑，清洗不徹底，有毒性和腐蝕性，可造成對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，降低樣品表面態密度和表面復合速率，使光致發光譜強度提高達60%。氫等離子體清洗是一種表面反應以化學反應為主的清洗工藝，反應氣體被電離后可產生高活性反應粒子，在一定條件下與GaAs表面發生作用，生成易揮發性物質而被抽走，從而實現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，可以起到化學清洗和物理清洗的雙重作用，同時氬等離子體的引入還有利于提高氫等離子體的數量，能夠增強樣品的清洗效果。

物理清洗
氬等離子體參與的是表面反應以物理反應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生動能，然后轟擊到放在負電極上的被清洗樣品表面。氬離子撞擊表面時產生的巨大能量可清除附著污染物，轟擊產生的機械能可將污染物中的大分子化學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，等離子態的氬氣并不和樣品表面分子發生反應，保持了被清洗物的化學純潔性，且腐蝕作用各向異性。然而，對于氬、氫混合氣體，由于氬的原子量為39．95，遠大于氫的原子量1．00794，因而在加速過程中氬離子獲得了較大的動能，通過對氫氣的撞擊作用能夠起到分離氫分子，增加氫等離子體數量的效果。
Ar+e^－→Ar++2e^－，Ar⁺+沾污→揮發性沾污．

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

氬、氫混合等離子體清洗在降低GaAs樣品的界面態密度、消除費米能級釘扎現象和改善樣品表面特性等方面具有明顯的作用，為GaAs光電器件性能的進一步改善提供了新的技術途徑。

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