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本研究采用X射线光电子能谱和光致发光分析，探究HBr与H?O?及KMnO?溶液对InAs(1 0 0)表面蚀刻的影响，发现蚀刻后表面氧化物减少、砷元素积累，光致发光强度显著提升，证实蚀刻过程有效减少了非辐射复合中心。
Mikhail V. Lebedev | Antonina A. Pivovarova | Ekaterina V. Kunitsyna | Aleksandr A. Klimov | Natalia D. Il’inskaya | Aleksandra V. Koroleva | Evgeny V. Zhizhin | Sergey V. Lebedev
俄罗斯圣彼得堡Ioffe研究所，Politekhnicheskaya街26号，邮编194021
摘要
本研究使用HBr:H?O?和HBr:KMnO?溶液对InAs(100)表面进行了蚀刻，并通过X射线光电子能谱和光致发光技术分析了其表面化学性质与电子结构之间的关系。这些溶液的蚀刻作用显著降低了氧化铟的含量，并促进了单质砷的积累。这种化学改性使得光致发光强度增加，表明HBr:H?O?或HBr:KMnO?溶液的蚀刻作用消除了InAs(100)/氧化物界面处的非辐射复合现象。随着表面单质砷和氧化铟含量的增加，光致发光强度也随之增强。即使将蚀刻后的InAs(100)表面暴露在空气中至少一个月，其光致发光强度仍然保持不变，尽管表面的铟和砷原子仍会发生氧化。
引言
砷化铟（InAs）广泛应用于晶体管[[1], [2], [3]]、红外（IR）激光器[4,5]和探测器[[6], [7], [8]]，以及基于不同超晶格的器件[[9], [10], [11]]中。通常，湿化学蚀刻工艺被用于半导体表面的处理以及电子和光电子器件的制造。与干法蚀刻技术不同，湿化学蚀刻不会对表面造成损伤，因此不会产生缺陷[12]。此外，湿化学蚀刻工艺最为简单且易于控制，能够实现理想的蚀刻速率，从而形成深度的微结构。
为了满足各种技术需求，已经开发出了多种用于InAs基合金的蚀刻剂[13]。这些蚀刻剂包括酸性/过氧化氢或碱性/过氧化氢的水溶液[[14], [15], [16]]，其中酸/碱作为络合剂，而过氧化氢则用于氧化半导体表面原子。然而，大多数针对InAs及相关合金的蚀刻剂在不同晶面的蚀刻速率上存在显著差异[16,17]，这给需要各向同性蚀刻以形成平坦均匀微结构的IR光电探测器制造带来了挑战。
长期以来，Br?/HBr体系被广泛用作各种III-V族化合物的抛光蚀刻剂[13,[18], [19], [20]]。此外，基于溴的蚀刻剂还可以用于硅表面的抛光和纹理化处理，为III-V族化合物在硅基器件上的应用开辟了新的可能性[21,22]。最近，含HBr的溶液在GaInAs/AlInAs/InP超晶格量子级联激光器的制造中得到了成功应用[23]。在该体系中，通过向氢溴酸中添加氧化剂（如HNO?、H?O?、K?Cr?O?等）可以调整蚀刻速率。HBr被氧化后生成溴，蚀刻速率取决于溶液中自由溴的浓度，而这一浓度又受所用氧化剂的氧化电位影响。对于InAs基合金的蚀刻，通常使用过氧化氢作为氧化剂[24,25]。HBr:H?O?蚀刻溶液能够获得平坦如镜面的微结构侧壁，因为它们对InAs及相关合金的蚀刻速率相当。然而，这种溶液中的InAs蚀刻速率通常较高，可达数微米/分钟，并且会随时间变化，这限制了其在精确形成微结构中的应用。
最近有研究提出在HBr溶液中添加KMnO?氧化剂以实现InAs及相关合金的精密蚀刻[26]。研究发现，通过调节KMnO?的浓度，可以获得0.1–1.6微米/分钟的蚀刻速率。而且，0.1微米/分钟的较低蚀刻速率不受时间影响，从而实现了半导体材料的精密蚀刻。此外，用这种溶液处理IR光电二极管后，其漏电流有所降低[26]。
本研究通过X射线光电子能谱（XPS）和光致发光（PL）技术，分析了用HBr基溶液处理的InAs(100)表面的表面化学性质与电子结构。
实验部分
样品来自Giredmet JSC（俄罗斯）提供的掺杂密度为(3–5)×101? cm?3的n-InAs(100)外延片。表面处理使用了两种不同的溶液：第一种是HBr:H?O?溶液，通过将30%过氧化氢水溶液按1:8的体积比加入标准HBr（48%水溶液）制备；第二种是HBr:KMnO?溶液，通过将标准HBr（48%水溶液）加入1.5%的KMnO?水溶液制备。
结果
初始参考InAs(100)表面的 survey 光谱显示了As、In、O和C原子的光电子发射峰。根据In 4d和As 3d能级的积分强度比（经相应光电离截面校正后[28]），In/As原子比为1.9和3.1（见图1）。由于In 3d和As 2p光电子的动能低于In 4d和As 3d光电子，它们更容易从表面逸出。
讨论
HBr/Br?基水溶液中的Br?分子会攻击表面氧化物，生成可溶于水的III族和V族元素溴化物，这些溴化物在水溶液中进一步水解[40]。因此，经过蚀刻的InAs(100)表面应覆盖有氧化铟和氧化砷。特别是在用HBr:H?O?溶液蚀刻的InAs(100)表面中，As 3d能谱中约46 eV处的宽峰对应于As–O*化合物。
结论
通过X射线光电子能谱和光致发光技术分析了用HBr:H?O?或HBr:KMnO?溶液处理的InAs(100)表面。结果表明，这些溶液的蚀刻作用显著降低了氧化铟的含量，并促进了单质砷的积累。此外，HBr:H?O?溶液的蚀刻还减少了InAs(100)表面的氧化砷。这种化学改性使得...
作者贡献声明
Mikhail V. Lebedev： 负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据分析、概念构建。
Antonina A. Pivovarova： 负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究。
Ekaterina V. Kunitsyna： 负责原始稿撰写、项目监督、方法论设计、实验研究。
Aleksandr A. Klimov： 数据可视化处理、实验研究、数据管理。
Natalia D. Il’inskaya： 负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、项目监督。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究中使用的XPS分析是在圣彼得堡国立大学科学园“表面分析物理方法”资源中心的设备上完成的。圣彼得堡国立大学的作者感谢国家合同（研究项目编号125021902439-8）的支持。
