引言

GaN和相關(guān)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(guān)的成熟材料是有源/無源射頻光電子器件近期發(fā)展的關(guān)鍵問題。專用于三元結(jié)構(gòu)的干法蝕刻工藝特別重要，因?yàn)檫@種器件通常包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(shí)現(xiàn)。側(cè)壁和蝕刻表面形態(tài)是形成具有高縱橫比的臺(tái)面或垂直器件的關(guān)鍵參數(shù)。在光子器件的實(shí)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(yù)期完全不同，GaN的深度蝕刻目前需要用于新的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)與討論

在我們的研究中，III族氮化物層通過使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(MOCVD)在c面藍(lán)寶石襯底上生長。外延層結(jié)構(gòu)由2μm厚的未摻雜GaN、1μm厚的n-GaN、10個(gè)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(cuò)、化學(xué)分析和堆垛層錯(cuò)。

圖1

圖2

我們應(yīng)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(yīng)，形成Ga氯化物。對于InGaN/GaN MQW層狀結(jié)構(gòu)的蝕刻，銦物種(In)參與化學(xué)反應(yīng)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(yīng)用了深蝕刻工藝（圖2），對于大于20×20m2的臺(tái)面尺寸，蝕刻臺(tái)面的質(zhì)量是令人滿意的，但是對于小于該尺寸的臺(tái)面，獲得的質(zhì)量有限。通過觀察臺(tái)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(yīng)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(lán)寶石襯底，我們需要通過高離子通量來實(shí)現(xiàn)用于形成厚臺(tái)面的高蝕刻速率。此外，高ICP功率(> 500瓦)會(huì)由于蝕刻過程中的掩模損壞或腐蝕而導(dǎo)致側(cè)壁粗糙。使用掩?？梢詼p少掩模邊緣的腐蝕，并限制使用氧化物掩模時(shí)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(huì)對蝕刻樣品的側(cè)壁造成損傷或條紋。我們可以通過優(yōu)化用于構(gòu)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(lán)寶石襯底上生長得更厚的GaN外延層，對600nm厚的SiO2掩模進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅掩模似乎是掩模的好選擇，因?yàn)樗峁┚哂薪档偷拇植诙群驼_的選擇性的側(cè)壁。

結(jié)論

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

實(shí)驗(yàn)表明，在微臺(tái)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(cè)壁臺(tái)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