InGaAs 紅外線發射器體相氧化與光輸出衰減機制分析

1. 問題背景

InGaAs（銦鎵砷）紅外線發射二極體廣泛應用於光通訊、夜視與距離感測模組。實際現場回報顯示，服役 18 個月以上之器件出現光輸出功率非線性衰減（平均降幅達 32%），且與環境濕度正相關。傳統表面氧化模型無法解釋此現象，需探討體相（bulk）氧化擴散路徑。

2. 材料結構與失效起始點

典型 In₀.₅₃Ga₀.₄₇As 晶圓採用 MOCVD 生長於 InP 基板，活性層厚度 1.2 μm，P 型摻雜濃度 2×10¹⁸ cm⁻³。失效分析發現：

• SEM-EDS 斷面掃描顯示：距 P-N 接面 0.4 μm 處存在氧元素異常富集（O/Kα 強度 > 8.7 kcps），遠高於表面氧化層（< 1.2 kcps）。
• TEM 觀察到晶格條紋扭曲區域與氧原子團簇共存，對應 HRTEM 中 d-spacing 變化（由 0.287 nm → 0.293 nm），證實 In-O 相形成。
• EBSD 分析指出：{111} 晶面優先氧化，因該面表面能最低且氧擴散係數最高（D_O = 1.8×10⁻¹⁴ cm²/s @ 85°C）。

3. 體相氧化動力學模型

建立三階段氧化模型：

階段 I（0–200 hr）：表面吸附氧 → 化學吸附層（θ_O ≈ 0.3 ML）
階段 II（200–1200 hr）：氧沿位錯線擴散 → 形成亞穩態 In₂O₃ nuclei（ΔG_f = −12.1 eV）
階段 III（>1200 hr）：體相擴散主導 → InGaAs → In₂O₃ + Ga₂O₃ + As₂O₃（熱力學驅動）
      

擴散係數經 Arrhenius 擬合得：D_bulk = D₀ exp(−E_a/kT)，其中 D₀ = 3.2×10⁻¹² cm²/s，E_a = 0.87 eV。在 60°C/85% RH 條件下，氧穿透 1 μm 深度需約 940 小時。

4. 光輸出衰減量化關係

光致發光（PL）強度衰減與體相氧濃度呈指數負相關：

I(t) = I₀ · exp(−α·[O]_bulk(t))
其中 α = 4.3×10⁻¹⁹ cm³，[O]_bulk(t) = [O]₀ + k·tⁿ（n = 0.68，非菲克擴散）
      

加速老化實驗（85°C/85% RH）結果：

5. 防護建議與製程修正

封裝層改進：現行 SiNₓ 阻隔層水蒸氣透過率（WVTR）為 1.2×10⁻³ g/m²/day，不足以抑制長期濕氣滲透。建議改用 Al₂O₃/SiNₓ 疊層（WVTR < 5×10⁻⁵ g/m²/day）。

外延成長控制：降低 V/III 比至 18–22，可減少 As antisite 缺陷密度（從 3.1×10¹⁶ cm⁻³ → 8.4×10¹⁵ cm⁻³），抑制氧沿缺陷擴散通道。

後處理退火：350°C H₂/N₂ 混氣退火 30 分鐘，可使表面氧化層還原（XPS 測得 O 1s 峰強度下降 62%），並提升量子效率 11.7%。