ALD生长的MgO实现GaAs表面钝化：机理与效应

本文研究了通过原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）技术在镓砷（GaAs）基底上生长镁氧化物(MgO)薄膜的表面钝化作用。MgO作为一种广泛应用于半导体器件中的高介电材料，其与 GaAs 的界面特性对于电子和光子行为具有重要影响。研究者们针对不同类型厚度的 MgO 薄膜（100 nm 为例），探讨了其对 GaAs 表面态的改性效果。 首先，作者通过 X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)分析了 MgO/GaAs 接口的能带结构。实验结果显示，这种界面类型被归类为 I 型，这意味着 MgO 与 GaAs 的能带在价带底部附近相对平齐，形成了一种有效的能带阻挡层。这种能带匹配有助于减少空穴-空穴复合和电子-空穴复合，从而抑制了非辐射复合中心的形成。 其次，由于 excitons（激子，即电子和空穴束缚在一起的复合态）在 MgO/GaAs 结合面上难以扩散，它们被限制在该区域，并且由于能带阻挡作用，很难跨越到 GaAs 中继续移动。这导致了激发能量的高效利用，因为大部分的能量没有转化为无辐射过程，而是以辐射形式释放出来，从而提高了光致发光（Photoluminescence, PL）效率。 研究者们观察到，100纳米厚的 MgO 薄膜处理后的 GaAs 表面，其 PL 发射强度显著增强，这直接证明了 ALD 镀膜对 GaAs 表面钝化的有效性和优化作用。这种表面钝化方法对于提高 GaAs 基光电设备的性能，如激光二极管、太阳能电池和光电探测器等，具有重要的实际应用价值。 总结来说，本研究揭示了通过 ALD 生长的 MgO 在 GaAs 表面钝化过程中起到的关键作用，强调了能带工程在控制半导体材料性能方面的作用，特别是在提高光电转换效率和减少缺陷相关损耗方面。这一发现对于优化下一代基于 GaAs 的光电子器件设计具有重要意义。