砷化镓(GaAs)氩氢混合等离子体清洗

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-08-07

砷化镓(GaAs)是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，具有电子迁移率高、禁带宽度大和发光效率高等优越特性，被广泛应用于半导体激光器、太阳能电池和光探测器等光电子器件方面。然而，在空气中的砷化镓表面常常附着各种有机物、粉尘等污染物，而且容易在表面形成氧化层。氧是一种深能级杂质，起非辐射复合作用，会降低GaAs材料的发光效率。另外，氧还可以形成杂质缺陷，造成缺陷位错，当器件在强电场或强磁场作用下，这种缺陷会迅速扩散，使非辐射复合几率增大，从而加快GaAs外延器件的失效。GaAs不同于Si，Si可形成优良的自体氧化物SiO2，而As的氧化物非常不稳定，在室温下可以与GaAs发生反应，生成Ga2O3和单质As。同时，GaAs的自体氧化层与本体之间有很高的界面态密度，它们对载流子起着散射中心和非辐射复合中心作用，并引起费米能级钉扎现象，严重影响到GaAs半导体器件的光学和电学特性。传统清洗技术主要使用盐酸、硫酸、氢氟酸、双氧水、氨水、三氯乙烯等化学试剂，清洗不彻底，有毒性和腐蚀性，可造成对GaAs表面的损坏。

采用氢等离子体清洗GaAs表面，可以有效去除衬底表面的氧和碳元素，降低样品表面态密度和表面复合速率，使光致发光谱强度提高达60%。氢等离子体清洗是一种表面反应以化学反应为主的清洗工艺，反应气体被电离后可产生高活性反应粒子，在一定条件下与GaAs表面发生作用，生成易挥发性物质而被抽走，从而实现分子水平的玷污去除目的。除了氢气以外，用于等离子清洗的气体源还有氩、氧、氮、四氯化碳等，清洗方式可以是单一气体清洗，或者是2种气体混合清洗。

氩氢混合等离子体清洗GaAs基片

采用Ar，H₂混合等离子体清洗GaAs基片，可以起到化学清洗和物理清洗的双重作用，同时氩等离子体的引入还有利于提高氢等离子体的数量，能够增强样品的清洗效果。

物理清洗
氩等离子体参与的是表面反应以物理反应为主的等离子体清洗，也叫溅射刻蚀。氩离子在自偏压或外加偏压作用下被加速产生动能，然后轰击到放在负电极上的被清洗样品表面。氩离子撞击表面时产生的巨大能量可清除附着污染物，轰击产生的机械能可将污染物中的大分子化学键分离成小分子而汽化(式(1))，随后被抽走。氩气本身是隋性气体，等离子态的氩气并不和样品表面分子发生反应，保持了被清洗物的化学纯洁性，且腐蚀作用各向异性。然而，对于氩、氢混合气体，由于氩的原子量为39．95，远大于氢的原子量1．00794，因而在加速过程中氩离子获得了较大的动能，通过对氢气的撞击作用能够起到分离氢分子，增加氢等离子体数量的效果。
Ar+e^－→Ar++2e^－，Ar⁺+沾污→挥发性沾污．

化学清洗
氢等离子体参与的是表面反应以化学反应为主的等离子体清洗。一般，在GaAs基底表面会覆盖有一层成分为Ga₂O₃和As₂O_x，厚度约为10nm的氧化层。在高频电磁场作用下，氢等离子体通过辉光放电的方式产生，除了包含高温电子外，还包含有各种氢离子(H+、H2+、H3+、H－)、基态和电子激发态的氢原子及氢分子。其中，大量的活性氢原子在低温下能够与样品表面分子发生还原反应，有效去除GaAs表面氧化层并活化表面性能。同时，氢等离子体清洗还有助于修复氩等离子体轰击过程中产生的轻微损伤，从而提高样品表面均匀性，保证较高的PL强度。

氩、氢混合等离子体清洗在降低GaAs样品的界面态密度、消除费米能级钉扎现象和改善样品表面特性等方面具有明显的作用，为GaAs光电器件性能的进一步改善提供了新的技术途径。

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