紅外線發射器衰減：InGaAs 材料氧化與光輸出下降

摘要

InGaAs（銦鎵砷）紅外線發射器廣泛應用於光纖通訊、夜視設備及距離感測系統。本報告針對其長期運作下的性能衰減現象，進行材料級分析，重點探討表面氧化層形成對光輸出效率的影響機制。

材料結構與工作原理

InGaAs 紅外線發射器採用三元化合物半導體結構，晶格常數為 5.8688 Å，能隙約 0.75 eV（對應波長約 1650 nm）。在正向偏壓下，電子-電洞對在活性層複合產生紅外光子，經由窗口層輸出。

關鍵結構層

• 基板層：InP（銦磷），提供晶格匹配支撐
• 緩衝層：InGaAsP，降低晶格失配應力
• 活性層：In₀.₅₃Ga₀.₄₇As，主要發光區域
• 窗口層：InP 或 InGaAsP，提高光取出效率
• 接觸層：Heavily doped InGaAs，降低接觸電阻

氧化失效機制

在高濕度環境（RH > 60%）與持續通電條件下，InGaAs 表面會發生選擇性氧化反應：

主要氧化反應式：

4In₀.₅₃Ga₀.₄₇As + 3O₂ → 2In₂O₃ + 2Ga₂O₃ + 4As₂O₃

其中 As₂O₃ 具有揮發性，在 193°C 即開始昇華，導致表面形成多孔性氧化層結構。

光輸出衰減曲線

根據加速壽命試驗（85°C/85% RH），InGaAs 發射器光輸出功率隨時間呈非線性衰減：

衰減曲線可擬合為雙指數模型：

P(t) = P₀ [A·exp(-t/τ₁) + (1-A)·exp(-t/τ₂)]

其中 τ₁ = 850 小時（快速衰減階段，表面氧化主導），τ₂ = 4200 小時（緩慢衰減階段，體積缺陷擴展）

顯微分析結果

透過 SEM/EDS 分析失效樣品，觀察到以下特徵：

• 表面形成島狀 In₂O₃ 沉積物（尺寸 50-200 nm）
• Ga₂O₃ 沿晶界優先析出，導致晶界電阻上升
• As 缺乏區域形成空洞（直徑 200-500 nm），降低載子限制效應
• 界面處出現 In-Ga-O 化合物，造成能階錯位

改善方案與建議

針對 InGaAs 發射器氧化問題，提出以下工程解決方案：

1. 表面鈍化處理

採用 ALD（原子層沉積）技術施加 15 nm Al₂O₃ 鈍化層，可降低氧氣滲透速率達 92%。實測顯示 2000 小時後光輸出維持率提升至 89.3%。

2. 密封結構優化

改用 Au-Sn 共晶封裝替代傳統環氧樹脂，水蒸氣穿透率從 1.2×10⁻⁶ g/m²/day 降至 3.5×10⁻⁸ g/m²/day。

3. 操作條件調整

建議將連續工作電流限制於額定值的 70%，並實施週期性休眠（每 2 小時休眠 15 秒），可延長壽命達 2.3 倍。