四甲基氫氧化銨水溶液濕蝕刻中AlGaN/AlN摩爾分數關系

引言

AlGaN基材料有望用于紫外發光二極管或激光二極管等光學器件。這些紫外線光學裝置用于生物醫學應用、水/空氣凈化系統和消毒系統。據我們所知，在脈沖電流注入下，基于AlGaN的紫外激光二極管的最短波長為326納米。許多使用藍寶石襯底和AlN大塊獨立襯底已經被用于紫外器件。其中，在藍寶石襯底上制造激光二極管比在氮化鋁襯底上制造激光二極管成本低。最近，在藍寶石襯底上生產高質量氮化鋁模板的方法已有發現。然而，藍寶石襯底上這些器件最重要的問題之一是建立可再現的激光鏡面形成技術。

在本文中，我們詳細研究了AlGaN的濕法刻蝕特性。特別地，我們研究了m面刻面形成和AlN摩爾分數對蝕刻速率的依賴關系。我們還研究了氮化鋁摩爾分數差異較大的紫外發光二極管結構的濕法刻蝕特性。

實驗

圖1顯示了在該實驗中制備的樣品的結構。為了研究AlGaN對AlN摩爾分數的依賴性，采用金屬有機氣相外延法制備了四種不同AlN摩爾分數的AlGaN薄膜。本實驗在c面藍寶石襯底上生長了3微米厚的氮化鋁薄膜。此外，AlN摩爾分數為0.2和0.6的2微米厚AlGaN膜生長在AlN模板上。

圖1?每個AlN摩爾組分的單層的樣品結構

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該AlGaN具有將AlN摩爾分數從1線性降低到0.6的分級Al組成。另一方面，從晶體質量的觀點來看，Al0.2Ga0.8N采用在AlN模板上直接生長。此外，氮化鎵通過低溫緩沖層生長在藍寶石襯底上。表1總結了每個樣品的結晶度和表面平整度的信息。使用光刻和電子束蒸發技術，在這些樣品上形成寬度約為125微米的鎳條紋圖案，以便用干法和濕法蝕刻形成m平面刻面。此外，調整掩模以完全匹配氮化鋁的m軸。

表1?每個單一薄膜樣品的結晶度和表面平整度

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此外，我們制備了在與該器件結構相同的晶片上進行等離子體蝕刻而不進行器件工藝的樣品，并且還通過截面掃描電鏡表征了蝕刻形狀。該器件電流注入時的峰值發射波長為290納米。在該實驗中，我們還表征了去除鎳掩模后器件的工作特性。為了證實這種濕法刻蝕的影響，對該器件濕法刻蝕前后的電流密度-電壓(J-V)特性和電流密度-光強(J-L)特性進行了表征。在室溫下用脈沖測量進行實驗。此外，基于p型電極尺寸計算電流密度。

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結果和討論

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首先，我們討論了單個AlGaN層的蝕刻結果。圖2顯示了不同蝕刻時間和AlN摩爾分數下m面切面的橫截面掃描電鏡圖像。從掃描電鏡圖像來看，僅對ICP蝕刻進行的0min的濕蝕刻時間并不是完全垂直的，在所有AlN摩爾組分的樣品中都沒有形成m面面。在ICP蝕刻中，化學和物理蝕刻共存，所以我們認為有這樣的形狀是很常見的。

圖2?在每個單層樣品中，每個蝕刻時間的橫截面掃描電鏡圖像

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另一方面，通過濕蝕刻，發現在所有樣品中都形成了良好的m面。然而，其形成的濕蝕時間很大程度上取決于AlN摩爾分數。在AlN大約需要5min，而在氮化鎵需要大約90min。在AlN和AlGaN樣品中，證實蝕刻是在形成m平面刻面并保持其表面的同時進行的。

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還有一些樣本，如圖3中的AlN模板，也在c軸方向上被蝕刻。在另一個實驗中，證實了c面AlN和AlGaN在這種濕蝕刻條件下幾乎沒有蝕刻。

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接下來，我們研究了將這種濕蝕刻應用于基于AlGaN的紫v-led。如果這樣的蝕刻速率依賴于AlN摩爾分數，則擔心在使用激光面時不會形成平面m平面面。因此，我們研究了紫外led的蝕刻特性。我們描述了形狀隨蝕刻時間的變化。圖3顯示了UV-LED的蝕刻時間分別為0min、5min和30min時的橫截面掃描電鏡圖像。結果證實，在(b)的短時間濕蝕刻中，即使在包括AlN和氮化鎵在內的AlN摩爾組分有很大差異的器件結構中，也形成了基本平坦的m面。

圖3?紫外發光二極管結構樣品蝕刻結果的截面掃描電鏡圖像(a)僅限干式蝕刻(b)當濕式蝕刻時間為5min時(c)當濕式蝕刻時間為30min時

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此外，在分級鋁組成層中，由于鋁成分的差異，沒有證實蝕刻速率的依賴性。根據該模型，蝕刻是通過氫氧化物的攻擊和Ga或Al與氮之間的鍵的斷裂來進行的。我們認為蝕刻隨著不斷斷裂而進行。因此，即使形成了異質結，也假定蝕刻速率幾乎恒定，直到形成穩定的表面。此外，通過形成該鏡，可以通過光激發實現具有低閾值功率密度的激光器。

圖4顯示了鏡面形成前后的j-歸一化光強曲線和發射光譜。對于J-歸一化光強曲線和發射光譜，不能簡單地進行比較，因為探測器和探測器的布置形成鏡子后就不一樣了。然而，兩種光強度都從低電流區域增加，沒有大的下降。此外，兩條曲線都沒有顯著變化。在發射光譜中，當從背面和邊緣表面取出時，證實了差異。具體地，來自邊緣表面的光譜的峰值波長比來自背面的光譜的峰值波長偏移到更長的波長，并且光譜的半最大值處的全寬度小。當從背面測量時，來自AlGaN活性層的發射應該幾乎沒有自吸收的影響。另一方面，當從邊緣表面測量時，當光被引導時，高能側的光被認為被具有分級鋁成分層的AlGaN覆層吸收。這似乎是發射光譜差異的一個因素。

圖4?電流密度-鏡面形成過程前后的歸一化光強特性和發射光譜

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從上面可以清楚地看出，這種電感耦合等離子體蝕刻和使用TMAH的濕法蝕刻的組合可用作在藍寶石襯底上制造的紫外激光器的反射鏡制造技術。

總結

我們研究了藍寶石襯底上紫外激光的鏡面形成技術，即利用濕法刻蝕形成m面刻面的技術。ICP刻蝕后，在m面上通過濕法刻蝕形成完整的m面刻面。此外，證實了在單一膜的情況下，蝕刻在形成m平面的同時進行。蝕刻速率對AlN摩爾分數的依賴性被顯著地證實，并且證實蝕刻速率傾向于隨著AlN摩爾分數的增加而增加。此外，在形成異質結的器件中，即使在包括氮化鋁和氮化鎵的紫外器件中也形成了良好的反射鏡，直到形成m平面刻面。此外，我們還制作了器件并測量了J-V和J-L曲線。結果，在鏡面形成之前和之后，這些曲線沒有顯著差異。因此，使用TMAH的ICP蝕刻和濕法蝕刻的組合方法作為在藍寶石襯底上制造的UV激光器的反射鏡制造技術是有用的。