《Applied Surface Science》：Control of surface and interface state recombination in ZrO
2/GaAs heterostructure by dual ion beam sputtering deposition
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通過Ar+離子預清潔和雙離子束濺射技術成功制備了高密度ZrO?層，有效鈍化了ZrO?/Si-GaAs異質結構的表面態（減少約29?氧化物層，界面粗糙度7.3?），顯著提升表面光伏電壓幅度3.1倍，并增強激子熒光及其光學 phonon復制峰強度，為低閾值LED、量子激光器等半導體器件提供原子級界面控制方案。
Deepesh Nimje| Venus|Geetanjali Vashisht|S. Porwal| Momin|Pooja Gupta|Himanshu Shrivastava|T.K. Sharma|V.K. Dixit
印度印多爾RRCAT半導體激光與器件部門半導體材料實驗室
摘要
本研究通過使用雙離子束濺射技術，并結合精確的Ar+預清洗工藝，對ZrO2/SI-GaAs異質結構中的表面和界面態進行了全面研究。該方法采用“每個原子一個離子”的策略進行原位Ar+離子預清洗，并通過沉積高密度的ZrO2層來有效飽和表面態。預清洗過程中有效去除了約29?厚的表面天然氧化物，同時沉積了原子密度為5.98 g/cm3的結晶ZrO2層，使得ZrO2/GaAs界面的粗糙度降低至7.3?。X射線反射率、掠射入射X射線衍射和橫截面透射電子顯微鏡的結果均證實了表面態的鈍化效果。此外，經過有效預清洗后，表面光電壓信號的幅度增加了3.1倍；而在存在表面態的情況下則出現了相位反轉（180°偏移）。在經過預清洗和ZrO2鈍化處理的樣品中并未觀察到這種現象。此外，通過減少表面/界面態的密度，激子光致發光及其縱向光學聲子的強度顯著增強。這些發現對于開發先進的半導體器件（如低閾值微發光二極管、量子點激光器/探測器和半導體量子比特）至關重要，因為原子級別的天然氧化物和缺陷會顯著影響載流子的生成、復合和傳輸過程。
引言
異質結構、量子材料及器件中表面和界面的特性，尤其是其結構、光學和電學性質，對于解決半導體物理和技術中的挑戰與機遇至關重要。最近的研究重點在于提升半導體材料的能力，以開發高性能的經典和量子器件。這包括光耦合單片金屬氧化物半導體技術、低閾值微發光二極管、量子點激光器/探測器、高效率太陽能電池和半導體量子比特等方面的進展[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。為了優化經典和量子器件的效率，必須解決與表面和界面相關的幾個關鍵問題。這些問題包括：i) 從半導體表面去除天然氧化物層；ii) 沉積一層致密的氧化物以完全鈍化懸掛鍵；iii) 確保氧化物-基底界面的完整性；iv) 在重構表面的同時最小化氧化物層內的內部缺陷。眾所周知，III-V族半導體材料比硅（Si）和鍺（Ge）更適合將光信號高效轉換為電信號，反之亦然。然而，載流子的生成和復合特性以及它們在器件結構中的傳輸受到表面和界面性質的重大影響。這一點在基于砷化鎵（GaAs）的量子器件中尤為明顯，因為這些器件需要原子級控制的異質結構，以相干方式傳輸包括自旋信息在內的基本性質。為了更好地理解載流子的生成、復合和傳輸特性，未摻雜或半絕緣（SI）GaAs是一個理想的選擇，因為它的電子-電子散射較少。然而，實現背景載流子濃度低于1012/cm3的GaAs具有挑戰性。因此，SI-GaAs成為研究表面和界面性質對載流子生成、復合和傳輸過程效率影響的優選材料。此外，SI-GaAs具有優異的性能，如寬直接帶隙（約1.42 eV）、高電子遷移率（約5200 cm2/V-s）和室溫下的高電阻率（≥107 Ω·cm）[7]、[8]、[9]、[10]。然而，SI-GaAs表面原子周期性的破壞會導致懸掛鍵的形成，這些懸掛鍵通過各種表面重構方式來降低表面能[11]、[12]、[13]。此外，這些不飽和鍵容易與大氣中的氧氣反應，在表面形成天然氧化物層[14]、[15]。這種表面修飾會創建大量局域化能態，通常稱為表面態，這些表面態存在于帶隙內或靠近帶邊，并在輻射和非輻射過程中起關鍵作用。一般來說，表面態的存在會加速GaAs上載流子的復合速度，從而導致最大載流子在表面湮滅，從而降低器件的效率和可靠性。因此，減少表面態的密度對于實現上述器件的最佳性能至關重要。為此，研究人員探索了多種表面鈍化技術，特別是去除天然氧化物。在過去幾十年中，基于硫化物（S）的表面處理方法受到了廣泛關注[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。使用硫化物溶液的表面處理可以去除表面的天然氧化物，形成更穩定的Ga-S和As-S鍵，并暫時防止表面氧化。然而，長時間暴露在大氣條件下會導致硫化物鈍化表面的逐漸再氧化，從而降低鈍化的長期有效性。在極端工作條件下，這種效應更為嚴重。因此，通常會在鈍化表面沉積一層薄介電層以提高器件穩定性。其他方法，如使用HCl或NH4OH溶液進行化學清洗，也被證明可以有效降低表面態的密度[24]、[25]。然而，這些化學處理也存在表面再氧化和表面態長期穩定性的問題。此外，使用氮氣或磷氣的等離子體處理，隨后沉積薄GaN或GaN層，在文獻中也得到了廣泛研究，用于鈍化目的[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。然而，表面損傷和天然氧化物去除不完全的問題仍然存在。相比之下，氬離子等離子體提供了一種化學惰性且有效的方法，可以去除基底表面的天然氧化物，從而提高后續沉積高密度介電層的兼容性。基于此，本研究重點研究了在不同條件下使用氬離子等離子體清洗SI-GaAs的天然氧化物（AsxOy或GaxOy復合體），并隨后沉積環境穩定的二氧化鋯（ZrO2層進行表面鈍化。這是因為ZrO2具有高硬度、寬帶隙、高介電常數和良好的熱穩定性，以及較高的激光誘導損傷閾值[34]、[35]、[36]。鈍化層通常采用多種技術沉積，包括溶膠-凝膠法、電子束蒸發和化學氣相沉積。然而，這些方法制備的層在集成到半導體器件時常常遇到兼容性問題，如孔隙率、碳污染和化學計量比變化等問題。這些問題會導致鈍化層密度降低，從而影響其光學、電學和機械性能。在沉積過程中添加額外的氧氣有助于提高ZrO2層的密度，從而減少孔隙形成并改善化學計量比和均勻性。為了解決這些問題，我們使用了雙離子束濺射（DIBS）系統在SI-GaAs上沉積ZrO2層。DIBS系統由RRCAT提出，并由Hind High Vacuum (HHV) Ltd.開發，其中包括一個用于DIBS操作的輔助離子源。我們通過調整氬離子等離子體預清洗時間、離子電流密度和離子能量來優化DIBS系統的參數。隨后，我們使用掠射入射X射線衍射（GIXRD）、X射線反射率（XRR）和高分辨率橫截面透射電子顯微鏡（HRXTEM）測量方法，研究了沉積的ZrO2層的結構性質和ZrO2/SI-GaAs界面的界面化學。最后，我們通過表面光電壓（SPV）幅度和相位光譜研究了界面化學對載流子生成/復合及其在光作用下的傳輸的影響。此外，我們還通過溫度和功率依賴的光致發光（PL）測量評估了表面和界面性質對復合效率的影響。
實驗細節
SI-GaAs表面的預清洗和ZrO2氧化層的沉積是使用DIBS系統完成的。圖1展示了DIBS系統的示意圖，該系統包含兩個離子源。第一個RF離子源（Kaufman RF-ICP）是主要的沉積離子源，另一個DC離子源（Kaufman END-HALL）是輔助離子源。沉積離子源利用氬離子從ZrO2靶材中濺射出鋯和氧原子，這些原子隨后沉積在...
結構性質：
使用XRR測量方法評估了Ar+離子預清洗過程對SI-GaAs表面的影響及其對ZrO2和SI-GaAs之間界面原子化學的影響。圖2顯示了所有四個樣品的XRR測量數據。每個樣品的臨界角大致相同，表明所有樣品中的ZrO2層原子密度相似。
結論
本研究對使用Ar+離子進行原位預清洗表面天然氧化物以及隨后通過雙離子束濺射系統沉積高密度ZrO2層的過程進行了全面研究，旨在評估GaAs表面態的鈍化效果。研究采用了“每個原子一個離子”的方法進行表面預清洗，精確控制了入射離子的能量和數量。同時分析了表面和界面結構...
CRediT作者貢獻聲明
Deepesh Nimje：撰寫 – 審稿與編輯、原始草稿撰寫、可視化、方法論設計、實驗設計、數據分析、概念化。Venus：撰寫 – 審稿與編輯、正式分析。Geetanjali Vashisht：撰寫 – 審稿與編輯、正式分析。S. Porwal：數據管理。Momin：。Pooja Gupta：資源獲取、數據管理。Himanshu Shrivastava：資源獲取、正式分析、數據管理。T.K. Sharma：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、資源管理、項目協調。V.K. Dixit：撰寫 – 審稿與...
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者感謝Dr. S.K. Rai在XRR測量方面的幫助，感謝Shri Pabitra Sahu在HRXTEM樣品制備方面的支持，感謝Shri Aasim Rashid Khanday在PL測量方面的幫助。作者還感謝激光組主任Shri P.P. Deshpande和RRCAT主任Shri U.D. Malshe在整個研究過程中的持續支持。Deepesh Nimje感謝HBNI-RRCAT提供的研究獎學金。
