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基材料的干法蚀刻威廉希尔官方网站 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