III-V族InP/InGaAsP/InGaAs材料***族对于光电子器件非常重要，特别是在1.55和1.3μm波段的光学发射和吸收，这对于光学互连非常重要[1]。然而，InGaAsP/InGaAs通常相对于Si[2]和InP[3]具有较高的表面重组速度，这会降低器件的效率并增加噪声。过去的方法包括使用不同的表面处理技术，如氢钝化、化学钝化等。然而，这些方法存在***些问题，如表面钝化效果不稳定、需要高温处理等。Andrade等人[4]提出了***种高效的表面钝化方法，即使用硫饱和铵溶液对表面进行处理，可以显著提高光电子器件的性能，如提高光发射器件的光致发光强度和降低表面重组速度。在这里，研究人员展示了使用饱和的硫化铵和原子层沉积相结合来钝化表面。快速退火后，表面钝化导致表面复合速度降至45cm/s以下，相当于宽度为200nm的纳米发光器件的发光强度增加了>180倍。
图1 表面钝化InGaAsP LED脊示意图
使用MOCVD在InP上生长外延层。通过图案化刻蚀成高210nm、长1lm、宽不同的山脊。样品经过清洗后。接着在氨硫化氢溶液（(NH4)2S#1 或者 (NH4)2S#2],）中浸泡20分钟，用异丙醇冲洗后放入ALD中，沉积介电层（3nm Al2O3，4nmTiO2，3nm Al2O3）。两个样品均经快速热处理（350℃，5min，N2），完成表面钝化。图1展示了器件的示意图。
图2（a）室温下连续波光致发光测量的 L-L 曲线（b）4 μW 泵功率时的光谱
图2(a)展示了宽度为200nm的器件在蚀刻和钝化后的L-L斜率变化，分别为1.62dec/dec和1.02dec/dec。这表明在这些功率下，辐射复合占主导地位。在***低泵功率下，200nm宽度的PL增加了180倍，预计在低泵功率下比率会更大。超过40μW泵功率的钝化测量后斜率下降可解释为带填充，而非Auger复合。图2(b)展示了室温下连续波-荧光测量的L-L曲线和光谱，器件宽度为200nm，脊结构长度为1000nm。在4μW下，1300nm长通滤波器以下的谱部分较小，但随着泵功率增加，峰值功率向短波长移动，而1300nm以下的谱部分不再微不足道。
图3 （a）不同处理方式后测量的200纳米宽的脊的衰减曲线
（b）表面再结合速度与宽度之间的关系。
图3(a)展示了蚀刻后与表面钝化后的衰减曲线示例。经过蚀刻的200nm宽度的山脊，经过(NH4)2S#2 钝化和(NH4)2S#1 钝化的A0寿命分别为0.61ns、29.95ns和207.47ns。图4(b)显示了有两个区域：在窄的山脊宽度下，表面再结合速度呈指数增长（以虚线表示），而在较宽的山脊下，表面再结合速度大致保持不变（以黑色实线表示）。其中，灰色区域代表6个标准差。显然，表面钝化后具有更高的A0寿命和更低的表面再结合速度。表面钝化InGaAsP LED具有的低表面复合速度和高发光强度也源于RTP快速退火炉的良好表现，RTP系列产品是武汉有限公司的核心产品，在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势，形成鲜明的行业竞争力，为高质量薄膜材料提供了快速升降温、高稳定性的、高均匀性的高温场和气氛保护或反应气体，具体表现在：
√ 快速升温的高温场能够促进(NH4)2S/金属层的热扩散，通过反应形成了薄薄的阻隔层；
√ 高温条件下的快速热处理有助于降低(NH4)2S层的热扩散深度，降低对器件层的影响；
√ 保护气氛有助于避免钝化层或金属层的高温氧化，避免出现杂相或者副反应。
此外，嘉仪通快速退火炉（RTP，Rapid Thermal Processing）产品，采用红外辐射加热及冷壁技术，可实现对薄膜材料的快速升温和降温，同时搭配超高精度的温度控制系统，可达到极佳的温场均匀性和稳定性。嘉仪通()快速退火炉系列可处理1-12吋样品，对材料的金属合金化、离子注入后退火、快速热处理、快速热退火、快速热氧化及快速热氮化等研究和生产起到重要作用。
参考文献：
[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).
(文章来源于仪器网)
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