四甲基氢氧化铵水溶液湿蚀刻中AlGaN/AlN摩尔分数关系

引言

AlGaN基材料有望用于紫外发光二极管或激光二极管等光学器件。这些紫外线光学装置用于生物医学应用、水/空气净化系统和消毒系统。据我们所知，在脉冲电流注入下，基于AlGaN的紫外激光二极管的最短波长为326纳米。许多使用蓝宝石衬底和AlN大块独立衬底已经被用于紫外器件。其中，在蓝宝石衬底上制造激光二极管比在氮化铝衬底上制造激光二极管成本低。最近，在蓝宝石衬底上生产高质量氮化铝模板的方法已有发现。然而，蓝宝石衬底上这些器件最重要的问题之一是建立可再现的激光镜面形成技术。

在本文中，我们详细研究了AlGaN的湿法刻蚀特性。特别地，我们研究了m面刻面形成和AlN摩尔分数对蚀刻速率的依赖关系。我们还研究了氮化铝摩尔分数差异较大的紫外发光二极管结构的湿法刻蚀特性。

实验

图1显示了在该实验中制备的样品的结构。为了研究AlGaN对AlN摩尔分数的依赖性，采用金属有机气相外延法制备了四种不同AlN摩尔分数的AlGaN薄膜。本实验在c面蓝宝石衬底上生长了3微米厚的氮化铝薄膜。此外，AlN摩尔分数为0.2和0.6的2微米厚AlGaN膜生长在AlN模板上。

图1 每个AlN摩尔组分的单层的样品结构

该AlGaN具有将AlN摩尔分数从1线性降低到0.6的分级Al组成。另一方面，从晶体质量的观点来看，Al0.2Ga0.8N采用在AlN模板上直接生长。此外，氮化镓通过低温缓冲层生长在蓝宝石衬底上。表1总结了每个样品的结晶度和表面平整度的信息。使用光刻和电子束蒸发技术，在这些样品上形成宽度约为125微米的镍条纹图案，以便用干法和湿法蚀刻形成m平面刻面。此外，调整掩模以完全匹配氮化铝的m轴。

表1 每个单一薄膜样品的结晶度和表面平整度

此外，我们制备了在与该器件结构相同的晶片上进行等离子体蚀刻而不进行器件工艺的样品，并且还通过截面扫描电镜表征了蚀刻形状。该器件电流注入时的峰值发射波长为290纳米。在该实验中，我们还表征了去除镍掩模后器件的工作特性。为了证实这种湿法刻蚀的影响，对该器件湿法刻蚀前后的电流密度-电压(J-V)特性和电流密度-光强(J-L)特性进行了表征。在室温下用脉冲测量进行实验。此外，基于p型电极尺寸计算电流密度。

结果和讨论

首先，我们讨论了单个AlGaN层的蚀刻结果。图2显示了不同蚀刻时间和AlN摩尔分数下m面切面的横截面扫描电镜图像。从扫描电镜图像来看，仅对ICP蚀刻进行的0min的湿蚀刻时间并不是完全垂直的，在所有AlN摩尔组分的样品中都没有形成m面面。在ICP蚀刻中，化学和物理蚀刻共存，所以我们认为有这样的形状是很常见的。

图2 在每个单层样品中，每个蚀刻时间的横截面扫描电镜图像

另一方面，通过湿蚀刻，发现在所有样品中都形成了良好的m面。然而，其形成的湿蚀时间很大程度上取决于AlN摩尔分数。在AlN大约需要5min，而在氮化镓需要大约90min。在AlN和AlGaN样品中，证实蚀刻是在形成m平面刻面并保持其表面的同时进行的。

还有一些样本，如图3中的AlN模板，也在c轴方向上被蚀刻。在另一个实验中，证实了c面AlN和AlGaN在这种湿蚀刻条件下几乎没有蚀刻。

接下来，我们研究了将这种湿蚀刻应用于基于AlGaN的紫v-led。如果这样的蚀刻速率依赖于AlN摩尔分数，则担心在使用激光面时不会形成平面m平面面。因此，我们研究了紫外led的蚀刻特性。我们描述了形状随蚀刻时间的变化。图3显示了UV-LED的蚀刻时间分别为0min、5min和30min时的横截面扫描电镜图像。结果证实，在(b)的短时间湿蚀刻中，即使在包括AlN和氮化镓在内的AlN摩尔组分有很大差异的器件结构中，也形成了基本平坦的m面。

图3 紫外发光二极管结构样品蚀刻结果的截面扫描电镜图像(a)仅限干式蚀刻(b)当湿式蚀刻时间为5min时(c)当湿式蚀刻时间为30min时

此外，在分级铝组成层中，由于铝成分的差异，没有证实蚀刻速率的依赖性。根据该模型，蚀刻是通过氢氧化物的攻击和Ga或Al与氮之间的键的断裂来进行的。我们认为蚀刻随着不断断裂而进行。因此，即使形成了异质结，也假定蚀刻速率几乎恒定，直到形成稳定的表面。此外，通过形成该镜，可以通过光激发实现具有低阈值功率密度的激光器。

图4显示了镜面形成前后的j-归一化光强曲线和发射光谱。对于J-归一化光强曲线和发射光谱，不能简单地进行比较，因为探测器和探测器的布置形成镜子后就不一样了。然而，两种光强度都从低电流区域增加，没有大的下降。此外，两条曲线都没有显著变化。在发射光谱中，当从背面和边缘表面取出时，证实了差异。具体地，来自边缘表面的光谱的峰值波长比来自背面的光谱的峰值波长偏移到更长的波长，并且光谱的半最大值处的全宽度小。当从背面测量时，来自AlGaN活性层的发射应该几乎没有自吸收的影响。另一方面，当从边缘表面测量时，当光被引导时，高能侧的光被认为被具有分级铝成分层的AlGaN覆层吸收。这似乎是发射光谱差异的一个因素。

图4 电流密度-镜面形成过程前后的归一化光强特性和发射光谱

从上面可以清楚地看出，这种电感耦合等离子体蚀刻和使用TMAH的湿法蚀刻的组合可用作在蓝宝石衬底上制造的紫外激光器的反射镜制造技术。

总结

我们研究了蓝宝石衬底上紫外激光的镜面形成技术，即利用湿法刻蚀形成m面刻面的技术。ICP刻蚀后，在m面上通过湿法刻蚀形成完整的m面刻面。此外，证实了在单一膜的情况下，蚀刻在形成m平面的同时进行。蚀刻速率对AlN摩尔分数的依赖性被显著地证实，并且证实蚀刻速率倾向于随着AlN摩尔分数的增加而增加。此外，在形成异质结的器件中，即使在包括氮化铝和氮化镓的紫外器件中也形成了良好的反射镜，直到形成m平面刻面。此外，我们还制作了器件并测量了J-V和J-L曲线。结果，在镜面形成之前和之后，这些曲线没有显著差异。因此，使用TMAH的ICP蚀刻和湿法蚀刻的组合方法作为在蓝宝石衬底上制造的UV激光器的反射镜制造技术是有用的。