基于深氮化鎵蝕刻的微米尺寸光子器件的研制

引言

GaN和相關合金由于其優(yōu)異的特性以及大的帶隙、高的擊穿電場和高的電子飽和速度而成為有吸引力的材料之一，與優(yōu)化工藝過程相關的成熟材料是有源/無源射頻光電子器件近期發(fā)展的關鍵問題。專用于三元結構的干法蝕刻工藝特別重要，因為這種器件通常包括異質(zhì)結構。因此，GaN基光電器件的制造部分或全部依賴于干法刻蝕。

典型地，蝕刻工藝應該產(chǎn)生高蝕刻速率、較小的表面粗糙化、良好的再現(xiàn)性和高度的各向異性。所有這些特性都可以用電感耦合等離子體(ICP)蝕刻來實現(xiàn)。側壁和蝕刻表面形態(tài)是形成具有高縱橫比的臺面或垂直器件的關鍵參數(shù)。在光子器件的實際環(huán)境中，GaN蝕刻的要求固定在幾百納米的數(shù)量級，而這與垂直功率器件的預期完全不同，GaN的深度蝕刻目前需要用于新的應用。

實驗與討論

在我們的研究中，III族氮化物層通過使用金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)在c面藍寶石襯底上生長。外延層結構由2μm厚的未摻雜GaN、1μm厚的n-GaN、10個周期的10nm厚的GaN/3nm厚的InGaN MQW和100nm厚的p-GaN組成(如圖1所示)。我們通過高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡研究樣品的橫截面和平面圖。通過聚焦離子束(FIB)在薄箔上沿(1100)和(1120)軸傾斜制備樣品，以便觀察位錯、化學分析和堆垛層錯。

圖1

圖2

我們應用Cl2/Ar等離子體蝕刻模板的一部分，即100納米厚的p-GaN層。在GaN的氯化過程中，氯優(yōu)先與鎵物種(Ga)表面原子反應，形成Ga氯化物。對于InGaN/GaN MQW層狀結構的蝕刻，銦物種(In)參與化學反應并有助于在表面上形成氯化銦，在工藝溫度下不揮發(fā)。

為了分析二氧化硅掩模的較大耐久性和韌性，我們應用了深蝕刻工藝（圖2），對于大于20×20m2的臺面尺寸，蝕刻臺面的質(zhì)量是令人滿意的，但是對于小于該尺寸的臺面，獲得的質(zhì)量有限。通過觀察臺面的邊緣的損壞區(qū)域，我們發(fā)現(xiàn)SiO2蝕刻掩模的限制。在該蝕刻輪廓范圍內(nèi)，使用SiO2蓋板也出現(xiàn)柱狀缺陷的形成。柱狀缺陷通常是由于微掩蔽效應引起的，它們源于硬掩模材料的濺射，硬掩模材料在蝕刻表面上沉積顆粒，并產(chǎn)生局部微掩模。

為了通過蝕刻掩模完全蝕刻外延層以暴露藍寶石襯底，我們需要通過高離子通量來實現(xiàn)用于形成厚臺面的高蝕刻速率。此外，高ICP功率(> 500瓦)會由于蝕刻過程中的掩模損壞或腐蝕而導致側壁粗糙。使用掩模可以減少掩模邊緣的腐蝕，并限制使用氧化物掩模時觀察到的柱狀物的形成。

我們可以通過增加蝕刻掩模的厚度來延遲SiO2掩模的腐蝕，二氧化硅掩模形狀不均勻性的存在會對蝕刻樣品的側壁造成損傷或條紋。我們可以通過優(yōu)化用于構圖SiO2的光刻工藝來減少掩模邊界上的這些不規(guī)則性。英思特使用在藍寶石襯底上生長得更厚的GaN外延層，對600nm厚的SiO2掩模進行了實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅掩模似乎是掩模的好選擇，因為它提供具有降低的粗糙度和正確的選擇性的側壁。

結論

英思特針對垂直型器件的臺面形成，在Cl2/Ar電感耦合等離子體中進行p-GaN/InGaN/n-GaN結構的干法刻蝕。其中蝕刻深度高達3μm，英思特通過蝕刻掩模和等離子體蝕刻工藝的結合，實現(xiàn)了具有光滑側壁和減少的蝕刻后殘留物的臺面結構。在我們的研究中，干法蝕刻發(fā)展集中在GaN材料的深臺面上。

實驗表明，在微臺面蝕刻的情況下，與SiO2和光致抗蝕劑掩模相比，Ni掩模更適合于深蝕刻工藝。對于超過6μm的蝕刻深度，這種掩模更適于獲得良好的選擇性和垂直蝕刻輪廓。在500瓦的ICP功率下，相對較高的蝕刻速率為198nm/min。英思特發(fā)現(xiàn)垂直和光滑的側壁臺面是為較高的ICP功率產(chǎn)生的，觀察到GaN的蝕刻速率隨著ICP功率的增加而增加，這歸因于等離子體中Cl自由基和離子密度的增加。

審核編輯 黃宇