氮钝化对GaSb表面态及发光性能影响研究

Surface passivation is the main method to suppress the surface state and improve the optical properties, which is important for the performance of semiconductor optoelectronic devices. In order to solve the unsaturated surface dangling bonds and impurity energy level in sulfur passivation, We propose nitrogen passivation of GaSb using atom layer deposition, which could avoid the impurity energy level generation. In addition, using helium and argon mixed plasma source, the Gibbs free energy and adsorption efficiency can be increased, thus GaSb surface dangling bond could be fully saturated. At last, a AlN films are deposited by ALD, which is beneficial for the passivation stability. Finally, the surface state density can be reduced and optical properties can be improved. This method will improve the performance of semiconductor optoelectronic devices, and to be the foundation for devices passivation process.

表面钝化是抑制III-V族材料表面态，提高材料发光特性，提升半导体光电子器件性能的主要手段。针对传统硫钝化中存在杂质能级和表面悬挂键不完全饱等问题，本项目提出利用原子层沉积对GaSb进行表面氮钝化的新的钝化方案，避免硫钝化中杂质能级产生的问题；利用氦氩混合等离子体源增加吉布斯自由能，提高吸附效率，促进表面悬挂键成键实现GaSb表面悬挂键全部饱和的目的；最后利用ALD沉积AlN保护层，提高钝化稳定性，最终达到降低表面态密度，提升GaSb材料发光特性的研究目的。为提高半导体光电子器件性能，改进器件钝化工艺奠定基础。

本项目以解决III-V族材料高表面态密度，发展新的钝化方式为主要研究目的，提出GaSb材料ALD的N钝化方案，得到饱和GaSb表面悬挂键的方法，明确氦氩混合等离子体对钝化效果的影响，有效降低由表面态引起的非辐射复合中心，提高材料发光特性。最终为改进锑化物光电子器件的钝化工艺奠定基础，扩展该技术在光电器件领域的应用，提升器件性能，提高相关国产器件的市场竞争力，最终推动其光电产业的发展，并产生巨大的经济效益。在PEALD系统中，通过逆向原子层沉积及逐层刻蚀方式对GaSb进行N钝化处理，研究钝化过程中刻蚀条件对GaSb表面状态和发光特性的影响，建立刻蚀条件与钝化效果的对应关系；在腐蚀性溶液预处理条件下，对GaSb衬底进行表面清洗后，开展N钝化研究，开展系统的光谱分析，分析N钝化对发光特性的影响机制，建立表面能带模型，明确N钝化机理—即有效增强激子发光效率。利用PEALD生长的AlN薄膜，厚度均一性为99.35%；N钝化后，样品发光强度提高62倍，光谱均匀性达到99%。