使用n型GaSb襯底優(yōu)化干法和濕法蝕刻工藝

引言

基本化學(xué)成分以Cl2為基礎(chǔ)，外加用于側(cè)壁鈍化的N2。優(yōu)化的ICP蝕刻工藝能夠產(chǎn)生具有光滑側(cè)壁的高縱橫比結(jié)構(gòu)。使用670nm波長的激光進(jìn)行原位反射監(jiān)測，以高精度在材料界面停止蝕刻。考慮到在基于GaSb的電子和光電子器件的制造中對高選擇性濕法化學(xué)蝕刻劑的額外需求，還進(jìn)行了廣泛的研究以檢驗(yàn)多種蝕刻溶液。列出了這些蝕刻劑的蝕刻速率、選擇性和表面粗糙度，以驗(yàn)證它們對預(yù)期應(yīng)用的適用性。盡管頻繁使用GaSb或InAsSb材料用于彼此相對的蝕刻停止層，但是不希望其獨(dú)特的II型破碎帶隙對準(zhǔn)的器件需要具有良好選擇性的GaSb和AlGaAsSb之間的新的選擇性濕法蝕刻劑。這里描述的所有濕法化學(xué)和干法蝕刻工藝都使用n型GaSb襯底進(jìn)行了優(yōu)化。

介紹

干法和濕法蝕刻工藝是重要的，并且廣泛用于電子和光電子器件的制造。最近，由于廣泛的新興應(yīng)用，人們對許多微米級和納米級短波(SW-)和中波(MW)紅外(IR)器件越來越感興趣，包括晶體管[、光電二極管、發(fā)光二極管(led)和二極管激光器。在該波長范圍內(nèi)開發(fā)這些器件需要在GaSb襯底上的新型(AlGaIn)(AsSb)材料系統(tǒng)。

與III-v族如磷化物和砷化物相反，銻化物材料表現(xiàn)出一些不尋常的蝕刻行為，如由常用顯影劑進(jìn)行的不期望的弱蝕刻，蝕刻速率高達(dá)0.6 nm/sec，并且與大氣氧的氧化速率非?？臁＿€觀察到氫氟酸(HF)蝕刻暴露于等離子體的銻化物，不同于其他III-V族化合物。此外，GaSb及其合金在通常用于其他III-V族化合物器件加工的濕法和干法蝕刻劑中表現(xiàn)出較差的選擇性。由于強(qiáng)而快速的氧化，含鋁材料不能用作蝕刻停止層。

作為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，為了制造包括寬可調(diào)激光器的許多光電器件，例如取樣光柵分布布拉格反射器(SG-DBR) 和垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，通常使用蝕刻停止層，以便以納米級的高精度控制蝕刻深度。以這種方式，可以相對于另一層選擇性地去除期望的材料。在寬可調(diào)的情況下激光，導(dǎo)致光子IC(PICs)，其中有源和無源區(qū)域通過選擇性濕法化學(xué)蝕刻來定義，多量子阱(MQW)區(qū)域從波導(dǎo)層的頂部被選擇性地移除，從而定義低損耗無源波導(dǎo)。這通常通過具有蝕刻停止層的濕法蝕刻來完成，因?yàn)闈穹ㄎg刻不會對激光器結(jié)構(gòu)造成內(nèi)在損傷。不僅如此，還需要良好的濕法蝕刻工藝來產(chǎn)生光滑的表面并蝕刻到正確的深度，以防止含Al層的暴露，這將使再生長變得困難，因?yàn)槿コ鼳l2O3是困難的。因此，開發(fā)可行的蝕刻工藝以在GaSb基材料中制造PIC兼容的寬可調(diào)諧激光器是至關(guān)重要的。

少數(shù)研究僅報(bào)告了銻化物材料的濕法蝕刻工藝[10，13–15]。然而，這些研究中提出的蝕刻劑清單并不完整，因?yàn)槿狈σ恍┯杏玫臐穹ê透煞ㄎg刻劑及其適用性、蝕刻停止層(InAsSb和GaSb除外)和四元合金蝕刻的信息。因此，依靠這些研究來開發(fā)廣泛可調(diào)諧激光器和pic的穩(wěn)健工藝是不可能的，需要更系統(tǒng)和徹底的研究。

蝕刻結(jié)果和討論

3.1干法刻蝕

表1列出了蝕刻參數(shù)和相關(guān)的蝕刻結(jié)果，包括蝕刻速率和蝕刻掩模選擇性。

圖3示出了測量的反射率數(shù)據(jù)對蝕刻測試結(jié)構(gòu)的蝕刻深度。隨著材料被更多地蝕刻，反射率數(shù)據(jù)中的振蕩強(qiáng)度逐漸增加；暗示在感興趣的材料中有較少的光吸收。500 nm晶格匹配的Al0.5GaAs0.04Sb層末端的不連續(xù)是由于過渡到GaSb，輕微的不匹配可能是由于虛部不正確。根據(jù)擬合，不連續(xù)性似乎正好發(fā)生在層間轉(zhuǎn)換處。因此，通過肉眼，可以看到激光監(jiān)控圖中各層的終點(diǎn)，并且應(yīng)該能夠清楚地看到第一個下降，其消光度低于AlGaAsSb下降，并從這一點(diǎn)開始計(jì)數(shù)。

圖3。測量的反射率數(shù)據(jù)對蝕刻測試結(jié)構(gòu)的蝕刻深度-B .疊加模擬的激光監(jiān)控信號以提取四元包層的折射率和消光系數(shù)值。

圖5。(a)用于有源/無源定義測試的測試結(jié)構(gòu)的示意圖，(b)作為蝕刻深度的函數(shù)的模擬和測量(平滑)反射率數(shù)據(jù)被疊加；(c)在使用Cl2/N2等離子體的干法蝕刻過程中用于終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)；以及(d)蝕刻后測試結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖像，顯示了有源/無源區(qū)域。

3.2濕法化學(xué)蝕刻

表2列出了許多蝕刻劑以及不同材料的蝕刻速率。最常用的濕法蝕刻劑之一是溶液-1。使用該蝕刻劑，GaSb、InAs和InGaAsSb被蝕刻成具有光滑的表面和良好的再現(xiàn)性。對于含鋁層，當(dāng)鋁含量低(鋁< 30%)時，這種蝕刻劑顯示出快的蝕刻速率。對于溶液-2，我們發(fā)現(xiàn)與報(bào)告的蝕刻速率相同。最重要的是，通過這種解決方案可以從GaSb中選擇性去除InAsSb。

結(jié)論

探索了與GaSb晶格匹配的四元體的選擇性濕法和干法刻蝕工藝。給出了有用的濕法蝕刻劑和干法蝕刻工藝。特別是，已經(jīng)定義了與使用銻化物材料系統(tǒng)在SW/MW-IR波長范圍內(nèi)建立寬調(diào)諧SG-DBR激光器制造程序相關(guān)的材料和工藝。通過采用MQW InGaAsSb/AlGaAsSb/GaSb增益材料和必要的處理步驟，可以在包含MQW有源區(qū)的GaSb材料系統(tǒng)中開發(fā)PIC技術(shù)，該有源區(qū)通過使用蝕刻停止層的濕法或干法蝕刻或者通過時間控制的蝕刻被選擇性地去除，如果通過干法離子蝕刻完成，則借助于激光監(jiān)視器。這使得集成平臺成為在一個芯片上結(jié)合有源和無源元件的最簡單方式。事實(shí)上，許多其他光電器件的制造可以從本文概述的蝕刻和加工技術(shù)中受益。
?