基于電感耦合反應(yīng)離子刻蝕的氮化鎵干蝕研究

引言

GaN和InGaN基化合物半導(dǎo)體和其他III族氮化物已經(jīng)成功地用于實(shí)現(xiàn)藍(lán)-綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光激光二極管。由于它們優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在沒有其它輔助的情況下，在GaN和InGaN基材料上的濕法蝕刻是困難的，并且導(dǎo)致低的蝕刻速率和各向同性的蝕刻輪廓。

用于GaN基材料的干法蝕刻技術(shù)顯示出各向異性的蝕刻輪廓和快速的蝕刻速率。眾所周知，使用ECR等離子體蝕刻可以獲得比RIE蝕刻更高程度的各向異性輪廓和更快的蝕刻速率，因?yàn)镋CR的等離子體密度更高。

實(shí)驗(yàn)與討論

我們通過使用厚度為2-3μm的未摻雜GaN和n-GaN樣品、厚度為1μm的p-GaN樣品和InGaN激光器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)都是通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在c面藍(lán)寶石襯底上生長的。圖1描繪了InGaN激光器結(jié)構(gòu)的示意圖。在制作Ni掩模之后，將GaN樣品放置在與ICP反應(yīng)室相連的負(fù)載鎖定室中進(jìn)行蝕刻。

圖1：激光器結(jié)構(gòu)示意圖

我們研究了Cl2和Ar氣體流量對未摻雜GaN的刻蝕速率和表面形貌的影響。在蝕刻過程中，Ar流速保持在25sccm，并且可以觀察到，在Cl2為10 sccm時，表面粗糙度具有較低值0.2nm，并且隨著Cl2流速的增加沒有大的變化。似乎蝕刻速率隨著Cl2流速的增加而增加，因?yàn)榈入x子體中Cl自由基的濃度更高。

圖2

在5毫托的室壓、300W的ICP源功率和10sccm Cl2/25sccm Ar的相同氣體混合物下，n-GaN和p-GaN蝕刻速率和rms粗糙度作為偏壓功率的函數(shù)如圖2所示。n-GaN和p-GaN的刻蝕速率隨著偏壓功率的增加而單調(diào)增加，超過200 W后趨于穩(wěn)定。

隨著偏壓功率的增加，離子轟擊能量增加，導(dǎo)致蝕刻速率增加。然而，均方根粗糙度相當(dāng)平滑，約為1nm，并且與高達(dá)200 W的偏置功率無關(guān)。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，坑密度在200 W的偏壓下約為2.4×109 cm2，在350 W時約為3.2×109 cm2，在450 W時約為4×1010cm2。當(dāng)ICP功率和偏壓功率分別固定在300、100 W時，蝕刻速率隨著室壓從2.5毫托增加到40毫托而增加，并達(dá)到約12000/分鐘的較大蝕刻速率。

蝕刻速率的增加表明在低于40毫托的室壓下反應(yīng)物受限。然而，在超過40毫托的較高室壓下，由于復(fù)合導(dǎo)致較低的等離子體密度，蝕刻速率逐漸降低。

結(jié)論

英思特使用鎳掩模在Cl2/Ar電感耦合等離子體中對未摻雜的n-GaN、p-GaN和InGaN激光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行干法刻蝕。當(dāng)Cl2/Ar氣體流速固定在10/25sccm時，對于未摻雜的GaN，在恒定的ICP/偏置功率，300/100W和5毫托室壓下，蝕刻表面粗糙度具有最低值0.2nm。

表面粗糙度取決于偏置功率和室壓，并且對于n-GaN和p-GaN，在50W的偏置功率下，顯示出約1nm的低rms粗糙度值。為了使用高Cl2流速和5毫托的低室壓蝕刻InGaN激光器結(jié)構(gòu)，英思特通過ICP系統(tǒng)獲得InGaN激光器結(jié)構(gòu)的光滑鏡面狀小面。使用這些蝕刻參數(shù)，可以獲得可用于制造基于氮化物的激光二極管的鏡面狀小面。

審核編輯：湯梓紅