基于电感耦合反应离子刻蚀的氮化镓干蚀研究

引言

GaN和InGaN基化合物半导体和其他III族氮化物已经成功地用于实现蓝-绿光发光二极管和蓝光激光二极管。由于它们优异的化学和热稳定性，在没有其它辅助的情况下，在GaN和InGaN基材料上的湿法蚀刻是困难的，并且导致低的蚀刻速率和各向同性的蚀刻轮廓。

用于GaN基材料的干法蚀刻技术显示出各向异性的蚀刻轮廓和快速的蚀刻速率。众所周知，使用ECR等离子体蚀刻可以获得比RIE蚀刻更高程度的各向异性轮廓和更快的蚀刻速率，因为ECR的等离子体密度更高。

实验与讨论

我们通过使用厚度为2-3μm的未掺杂GaN和n-GaN样品、厚度为1μm的p-GaN样品和InGaN激光器来进行实验，其结构都是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在c面蓝宝石衬底上生长的。图1描绘了InGaN激光器结构的示意图。在制作Ni掩模之后，将GaN样品放置在与ICP反应室相连的负载锁定室中进行蚀刻。

图1：激光器结构示意图

我们研究了Cl2和Ar气体流量对未掺杂GaN的刻蚀速率和表面形貌的影响。在蚀刻过程中，Ar流速保持在25sccm，并且可以观察到，在Cl2为10 sccm时，表面粗糙度具有较低值0.2nm，并且随着Cl2流速的增加没有大的变化。似乎蚀刻速率随着Cl2流速的增加而增加，因为等离子体中Cl自由基的浓度更高。

图2

在5毫托的室压、300W的ICP源功率和10sccm Cl2/25sccm Ar的相同气体混合物下，n-GaN和p-GaN蚀刻速率和rms粗糙度作为偏压功率的函数如图2所示。n-GaN和p-GaN的刻蚀速率随着偏压功率的增加而单调增加，超过200 W后趋于稳定。

随着偏压功率的增加，离子轰击能量增加，导致蚀刻速率增加。然而，均方根粗糙度相当平滑，约为1nm，并且与高达200 W的偏置功率无关。

在我们的实验中，坑密度在200 W的偏压下约为2.4×109 cm2，在350 W时约为3.2×109 cm2，在450 W时约为4×1010cm2。当ICP功率和偏压功率分别固定在300、100 W时，蚀刻速率随着室压从2.5毫托增加到40毫托而增加，并达到约12000/分钟的较大蚀刻速率。

蚀刻速率的增加表明在低于40毫托的室压下反应物受限。然而，在超过40毫托的较高室压下，由于复合导致较低的等离子体密度，蚀刻速率逐渐降低。

结论

英思特使用镍掩模在Cl2/Ar电感耦合等离子体中对未掺杂的n-GaN、p-GaN和InGaN激光器结构进行干法刻蚀。当Cl2/Ar气体流速固定在10/25sccm时，对于未掺杂的GaN，在恒定的ICP/偏置功率，300/100W和5毫托室压下，蚀刻表面粗糙度具有最低值0.2nm。

表面粗糙度取决于偏置功率和室压，并且对于n-GaN和p-GaN，在50W的偏置功率下，显示出约1nm的低rms粗糙度值。为了使用高Cl2流速和5毫托的低室压蚀刻InGaN激光器结构，英思特通过ICP系统获得InGaN激光器结构的光滑镜面状小面。使用这些蚀刻参数，可以获得可用于制造基于氮化物的激光二极管的镜面状小面。

审核编辑：汤梓红