引言

AlGaN基材料有望用于紫外發(fā)光二極管或激光二極管等光學(xué)器件。這些紫外線(xiàn)光學(xué)裝置用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、水/空氣凈化系統(tǒng)和消毒系統(tǒng)。據(jù)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(zhǎng)為326納米。許多使用藍(lán)寶石襯底和AlN大塊獨(dú)立襯底已經(jīng)被用于紫外器件。其中，在藍(lán)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(lán)寶石襯底上生產(chǎn)高質(zhì)量氮化鋁模板的方法已有發(fā)現(xiàn)。然而，藍(lán)寶石襯底上這些器件最重要的問(wèn)題之一是建立可再現(xiàn)的激光鏡面形成技術(shù)。

在本文中，我們?cè)敿?xì)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?jǐn)?shù)對(duì)蝕刻速率的依賴(lài)關(guān)系。我們還研究了氮化鋁摩爾分?jǐn)?shù)差異較大的紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的濕法刻蝕特性。

實(shí)驗(yàn)

圖1顯示了在該實(shí)驗(yàn)中制備的樣品的結(jié)構(gòu)。為了研究AlGaN對(duì)AlN摩爾分?jǐn)?shù)的依賴(lài)性，采用金屬有機(jī)氣相外延法制備了四種不同AlN摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN薄膜。本實(shí)驗(yàn)在c面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了3微米厚的氮化鋁薄膜。此外，AlN摩爾分?jǐn)?shù)為0.2和0.6的2微米厚AlGaN膜生長(zhǎng)在AlN模板上。

圖1?每個(gè)AlN摩爾組分的單層的樣品結(jié)構(gòu)

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該AlGaN具有將AlN摩爾分?jǐn)?shù)從1線(xiàn)性降低到0.6的分級(jí)Al組成。另一方面，從晶體質(zhì)量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，Al0.2Ga0.8N采用在AlN模板上直接生長(zhǎng)。此外，氮化鎵通過(guò)低溫緩沖層生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上。表1總結(jié)了每個(gè)樣品的結(jié)晶度和表面平整度的信息。使用光刻和電子束蒸發(fā)技術(shù)，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(diào)整掩模以完全匹配氮化鋁的m軸。

表1?每個(gè)單一薄膜樣品的結(jié)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(jié)構(gòu)相同的晶片上進(jìn)行等離子體蝕刻而不進(jìn)行器件工藝的樣品，并且還通過(guò)截面掃描電鏡表征了蝕刻形狀。該器件電流注入時(shí)的峰值發(fā)射波長(zhǎng)為290納米。在該實(shí)驗(yàn)中，我們還表征了去除鎳掩模后器件的工作特性。為了證實(shí)這種濕法刻蝕的影響，對(duì)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(qiáng)(J-L)特性進(jìn)行了表征。在室溫下用脈沖測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，基于p型電極尺寸計(jì)算電流密度。

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結(jié)果和討論

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首先，我們討論了單個(gè)AlGaN層的蝕刻結(jié)果。圖2顯示了不同蝕刻時(shí)間和AlN摩爾分?jǐn)?shù)下m面切面的橫截面掃描電鏡圖像。從掃描電鏡圖像來(lái)看，僅對(duì)ICP蝕刻進(jìn)行的0min的濕蝕刻時(shí)間并不是完全垂直的，在所有AlN摩爾組分的樣品中都沒(méi)有形成m面面。在ICP蝕刻中，化學(xué)和物理蝕刻共存，所以我們認(rèn)為有這樣的形狀是很常見(jiàn)的。

圖2?在每個(gè)單層樣品中，每個(gè)蝕刻時(shí)間的橫截面掃描電鏡圖像

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另一方面，通過(guò)濕蝕刻，發(fā)現(xiàn)在所有樣品中都形成了良好的m面。然而，其形成的濕蝕時(shí)間很大程度上取決于AlN摩爾分?jǐn)?shù)。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(shí)蝕刻是在形成m平面刻面并保持其表面的同時(shí)進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)了c面AlN和AlGaN在這種濕蝕刻條件下幾乎沒(méi)有蝕刻。

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接下來(lái)，我們研究了將這種濕蝕刻應(yīng)用于基于AlGaN的紫v-led。如果這樣的蝕刻速率依賴(lài)于AlN摩爾分?jǐn)?shù)，則擔(dān)心在使用激光面時(shí)不會(huì)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(shí)間的變化。圖3顯示了UV-LED的蝕刻時(shí)間分別為0min、5min和30min時(shí)的橫截面掃描電鏡圖像。結(jié)果證實(shí)，在(b)的短時(shí)間濕蝕刻中，即使在包括AlN和氮化鎵在內(nèi)的AlN摩爾組分有很大差異的器件結(jié)構(gòu)中，也形成了基本平坦的m面。

圖3?紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)樣品蝕刻結(jié)果的截面掃描電鏡圖像(a)僅限干式蝕刻(b)當(dāng)濕式蝕刻時(shí)間為5min時(shí)(c)當(dāng)濕式蝕刻時(shí)間為30min時(shí)

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此外，在分級(jí)鋁組成層中，由于鋁成分的差異，沒(méi)有證實(shí)蝕刻速率的依賴(lài)性。根據(jù)該模型，蝕刻是通過(guò)氫氧化物的攻擊和Ga或Al與氮之間的鍵的斷裂來(lái)進(jìn)行的。我們認(rèn)為蝕刻隨著不斷斷裂而進(jìn)行。因此，即使形成了異質(zhì)結(jié)，也假定蝕刻速率幾乎恒定，直到形成穩(wěn)定的表面。此外，通過(guò)形成該鏡，可以通過(guò)光激發(fā)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)曲線(xiàn)和發(fā)射光譜。對(duì)于J-歸一化光強(qiáng)曲線(xiàn)和發(fā)射光譜，不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行比較，因?yàn)?a target="_blank">探測(cè)器和探測(cè)器的布置形成鏡子后就不一樣了。然而，兩種光強(qiáng)度都從低電流區(qū)域增加，沒(méi)有大的下降。此外，兩條曲線(xiàn)都沒(méi)有顯著變化。在發(fā)射光譜中，當(dāng)從背面和邊緣表面取出時(shí)，證實(shí)了差異。具體地，來(lái)自邊緣表面的光譜的峰值波長(zhǎng)比來(lái)自背面的光譜的峰值波長(zhǎng)偏移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，并且光譜的半最大值處的全寬度小。當(dāng)從背面測(cè)量時(shí)，來(lái)自AlGaN活性層的發(fā)射應(yīng)該幾乎沒(méi)有自吸收的影響。另一方面，當(dāng)從邊緣表面測(cè)量時(shí)，當(dāng)光被引導(dǎo)時(shí)，高能側(cè)的光被認(rèn)為被具有分級(jí)鋁成分層的AlGaN覆層吸收。這似乎是發(fā)射光譜差異的一個(gè)因素。

圖4?電流密度-鏡面形成過(guò)程前后的歸一化光強(qiáng)特性和發(fā)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(lán)寶石襯底上制造的紫外激光器的反射鏡制造技術(shù)。

總結(jié)

我們研究了藍(lán)寶石襯底上紫外激光的鏡面形成技術(shù)，即利用濕法刻蝕形成m面刻面的技術(shù)。ICP刻蝕后，在m面上通過(guò)濕法刻蝕形成完整的m面刻面。此外，證實(shí)了在單一膜的情況下，蝕刻在形成m平面的同時(shí)進(jìn)行。蝕刻速率對(duì)AlN摩爾分?jǐn)?shù)的依賴(lài)性被顯著地證實(shí)，并且證實(shí)蝕刻速率傾向于隨著AlN摩爾分?jǐn)?shù)的增加而增加。此外，在形成異質(zhì)結(jié)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(cè)量了J-V和J-L曲線(xiàn)。結(jié)果，在鏡面形成之前和之后，這些曲線(xiàn)沒(méi)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(lán)寶石襯底上制造的UV激光器的反射鏡制造技術(shù)是有用的。