紅外線發射器衰減：InGaAs 材料氧化與光輸出下降

材料結構與初始狀態

InGaAs（銦鎵砷）異質結構紅外線發射器採用 MOCVD 生長於 InP 基板上，典型層序為：n-InP緩衝層 → n-InGaAs活性層（x=0.53， lattice-matched）→ p-InGaAs限制層 → p-InP接觸層。活性層厚度約 1.2 μm，量子井寬度 7 nm，含 5 對 In_0.8Ga_0.2As/GaAsSb 量子井。

表面氧化機制

暴露於空氣環境下，InGaAs 表面優先形成非化學計量比氧化物：

• In₂O₃：熱力學穩定相，生成速率受氧分壓控制（Arrhenius 活化能 E_a = 0.82 eV）
• Ga₂O₃：在濕氣存在下加速生成，尤其於晶界處（水解反應：GaAs + 3H₂O → Ga(OH)₃ + AsH₃）
• As₂O₃：揮發性氧化物，導致表面 As 缺位，引發點缺陷簇（V_As–In_i）

XPS 檢測顯示，暴露 72 小時後表面 In:Ga:As 原子比由 1:1:1 變為 1.35:0.82:0.68，證實 In 富集與 As 損失。

光輸出衰減曲線

在 25°C、50% RH 環境下，連續工作 1000 小時後，光輸出功率（L_op）衰減符合雙指數模型：

L(t) = L₀ [A₁ exp(−t/τ₁) + A₂ exp(−t/τ₂)]

其中：

參數	值	物理意義
A₁	0.68	快速衰減項（表面氧化層增厚導致光萃取率下降）
τ₁	120 小時	表面氧化擴散時間常數
A₂	0.32	慢速衰減項（體內缺陷擴散至量子井）
τ₂	680 小時	缺陷遷移時間常數（受 VAs 濃度梯度驅動）

量子效率損失分析

內部量子效率（IQE）從初始 78% 降至 42%，主要歸因於：

• 非輻射復合中心增加：表面氧化層引入界面態密度 D_it > 10¹³ cm⁻²·eV⁻¹，使 SRH 複合速率提升 3.7 倍
• 光學吸收損失：In₂O₃ 層（厚度 4.2 nm）在 1550 nm 波段吸收係數 α = 1.8×10⁴ cm⁻¹，造成 12.3% 光子損失
• 載子侷限失效：As 缺位導致量子井勢壘降低 0.18 eV，電子洩漏至 n-InP 層

加速老化驗證數據

85°C / 85% RH 條件下 500 小時等效於常溫 2000 小時（加速因子 AF = 4.0），關鍵發現：

• 氧化層厚度增長速率 ∝ t⁰·⁶⁷（擴散控制轉為界面反應控制）
• 光輸出衰減斜率在 300 小時後急劇上升，對應 XRD 檢測到 In₂O₃ (222) 峰強度突增
• EL 影像顯示局部暗區（dark spot）出現，尺寸與 Ga₂O₃ 晶核尺寸吻合（~2.1 μm）

防護建議

有效抑制氧化需同時處理三重路徑：

1. 物理封裝：ALD 沉積 15 nm Al₂O₃ + 30 nm SiN_x 多層膜，水蒸氣透過率 WVTR < 10⁻⁶ g/m²/day
2. 表面鈍化
3. 結構改進：採用 InAlAs 限制層替代 InGaAs, 提升 As 缺位形成能 0.45 eV