CC BY
34
УДК 621.373.8
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО БРЭГГОВСКОГО ОТРАЖАТЕЛЯ
НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ GaAs/AlGaAs
К.О.Воропаев, Б.И.Селезнев, А.С.Ионов*, А.Ю.Прохоров*
PLASMA ETCHING OF DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR BASED ON GaAs/AlGaAs
GETEROSTRUCTURE
K.O.Voropaev, B.I.Seleznev, A.S.Ionov*, A.Iu.Prokhorov*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Kirill. [email protected] *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород
Проведено исследование технологии формирования мезаструктуры распределенного брэгговского отражателя, используемого в качестве верхнего зеркала в структуре вертикально-излучающего лазера. Травление осуществлялось методом плазмохимического травления в индуктивно связанной плазме с использованием хлорсодержащих компонентов. Описаны режимы травлений и приведены микрофотографии сформированных мезаструктур, полученные при помощи метода сканирующей электронной микроскопии.
Ключевые слова: арсенид галлия, мезаструктура, плазмохимическое травление, сканирующая электронная микроскопия, вертикально-излучающий лазер
This paper presents the research and comparison of the method for forming DBR mesastructures in vertical-cavity surface-emitting lasers. Plasma etching was performed in chlorine-containing plasma. There described the recipes of processes and are given the SEM microphotos of formed mesastructures.
Keywords: gallium arsenide, mesastructure, plasma etching, scanning electron microscopy, vertical-cavity surface-emitting laser
Введение
Полупроводниковые лазеры на основе гетеро-структур широко используются в приёмопередающих устройствах оптоволоконных системах связи, газовых датчиках, устройствах ввода-вывода на оптических принципах. В вертикально-излучающих лазерах (ВИЛ) вывод излучения осуществляется не с торцов лазера в плоскости гетероперехода, а перпендикулярно ей. Уровень современных разработок позволяет получать ВИЛ с частотой эффективной модуляции 28 ГГц и осуществлять оптическую передачу данных на скорости 47 Гбит/с [1].
Классическим подходом по созданию гетеро-структуры ВИЛ является монолитный эпитаксиаль-ный синтез гетероструктуры требуемой конструкции с последующей пост-ростовой обработкой данной гетероструктуры для создания кристаллов ВИЛ. Технология изготовления включает в себя такие операции, как травление мезаструктуры, формирование омических контактов, пассивация поверхности, утонение пластины, разделение пластины на кристаллы. Из всех перечисленных операций отдельного рассмотрения требует этап формирования мезаструкту-ры в слое распределенного брэгговского отражателя (РБО).
Типичная структура кристалла ВИЛ, представленная на рис.1, включает 2 мезы, которые получают при помощи послойного удаления материала с поверхности подложки методами жидкостного или сухого травления. Создаваемый рельеф необходим для вскрытия контактных слоев в гетероструктуре, а
также электрической изоляции между слоями. Травление поверхности структуры ВИЛ выполняется по фоторезистивной маске, сформированной при помощи контактной фотолитографии. В некоторых случаях может использоваться дополнительное маскирующее покрытие, например, Si3N4 либо металл.
Рис.1. Схематичное изображение кристалла вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами в разрезе
Меза верхнего РБО должна иметь гладкую морфологию, наклон стенки не менее 80°, глубина вытравливаемого рельефа должна контролироваться с точностью ±10 нм. Из совокупности требований следует, что для формирования мезаструктуры в слое верхнего РБО предпочтительнее использовать метод плазмохимического травления (ПХТ), а не жидкостного. Обоснованность данного выбора подтверждается широким использованием процессов ПХТ [2,3].
Целью данной работы является исследование различных режимов плазмохимического травления гетероструктуры верхнего РБО применительно к кристаллу ВИЛ с длиной волны генерации 1550 нм.
Результаты экспериметальных исследований
Экспериментальными образцами являлись пластины, содержащие гетероструктуры РБО на основе полупроводниковых слоев GaAs МХ^а^АБ, выращенные на подложке полуизолирующего GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Характеристики слоев гетероструктур РБО для ВИЛ 1550 нм приведены в табл.1.
Таблица 1
Характеристики слоев экспериментальных гетероструктур
Число повторов Материал Х Толщина, нм
GaAs 114,6
22 А1^1-хАБ 0,92 132
22 GaAs 114,6
Стоп-слой А^а^АБ 0,8 200
Буфер GaAs 100
Подложка GaAs 50,8 мм 650 мкм
Для создания топологического рисунка будущей мезаструктуры использовалась фоторезистив-ная маска, получаемая при помощи стандартных процессов контактной фотолитографии. Экспериментальный шаблон содержал набор окружностей диаметром 30 мкм.
Известно, что край маски влияет на морфологию стенки вытравливаемого рельефа, поэтому перед проведением экспериментов с травлением было выполнено исследование стенки фоторезистивной маски. Для данных целей были изготовлены 3 структуры с покрытием из следующих фоторезистов: М1сшроБЙ S1813 G2 SP-15; ФП-9120-1; ФП-383. После проявления рисунка была проведена кратковременная подчистка в кислородной плазме с целью удаления недопроявленных нанослоев фоторезиста, после чего при
помощи метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) исследовались полученные образцы (рис.2).
Из полученных данных наиболее перспективным является использование маски на основе фоторезиста ФП-383, т.к. профиль данного покрытия после проявления выглядит наиболее ровным и гладким.
Следующим этапом исследований было формирование маскирующего покрытия на основе фоторезиста ФП-383 на пластине, содержащей гетерост-руктуру РБО. Экспонирование пленки проводилось через тот же фотошаблон, что и на предыдущей операции. После проявления рисунка в резистивной пленке осуществлялась сушка фотослоя на термостоле при температуре 110°С в течение 3 минут. Далее пластина со сформированным маскирующим покрытием разделялась на образцы размером 1 х 1 см для последующих экспериментов с плазмохимическим травлением.
Для проведения операции травления использовалась установка плазмохимического травления в индуктивно-связанной плазме Sentech SI 500. Во время процесса травления осуществлялся ш-БЙи контроль при помощи интерферометра, применение данного метода позволяет осуществлять прецизионное травление слоев. Необходимость высокой точности при травлении обусловлена тем, что в реальной структуре ВИЛ с внутрирезонаторными контактами под слоем верхнего РБО находится слой омического контакта п -типа толщиной, как правило, в несколько десятков нанометров, поэтому очень важно осуществлять контроль в реальном времени для того, чтобы своевременно остановить процесс и избежать повреждения контактного слоя. Интерферо-грамма, полученная в процессе травления, приведена на рис.3. На ней можно наблюдать пики, каждый из которых соответствует полупроводниковой паре слоев GaAs МХ^а^^АБ и в конце — два пика, характеризующие стоп-слой. Линейная часть графика показывает, что идет процесс травления монослоя (в данном случае GaAs).
Время [с]
Рис.3. Пример интерферограммы при травлении образца РБО
В процессе травления образцы располагались на охлаждаемой гелием кремниевой подложке. Необходимость охлаждения образцов обусловлена тем, что в процессе ПХТ поверхность структуры может нагреваться, вследствие чего скорость травления становится нелинейной. Также нагрев приводит к повышенной эрозии фоторезистивной маски и ее сильному задубливанию, что в свою очередь создает проблемы с удалением маскирующего покрытия. Поток гелия во всех процессах составлял 700 sccm.
Рабочими газами являлись ВС1з, С12, N2. Возбуждение плазменного разряда осуществлялось емкостным источником (ОТ) и источником индуктивно-связанной плазмы (1СР), который по существу является индуктором. Процессы травления проводились при различных мощностях КР и 1СР источников, а также были опробованы различные газовые смеси. В работе [4] рассматривается травление в чистом ВС1з при различных мощностях 1СР и КР источников. На основании данных, приведенных в этой работе, был выбран базовый режим ПХТ экспериментальных образцов РБО: КР = 50 Вт, 1СР = 300 Вт, ВС1з = 20 sccm, P = 0,5 Па. Скорость травления одной полупроводниковой пары РБО при данном режиме составила 35 секунд. В даль-
нейшем было решено ввести в газовую смесь небольшое количество N2 для усиления реактивно-ионной составляющей процесса и обеспечения возможности исследования влияния данной добавки на скорость процесса. После добавления N2 = 5 sccm скорость травления существенно возросла и составила 12 секунд на пару GaAs/AlGaAs. В дальнейшем процесс травления проводился в режиме реактивно-ионного травления при выключенном источнике 1СР в следующем режиме: КР = 100 Вт, ВС1з = 10 sccm Вт, N2 = 5 sccm, P = 0,25 Па. Скорость травления одной пары РБО при данном режиме соответствала 370 секундам.
В работе [5] для травления структуры на основе GaAs применялась газовая смесь ВСЬ/С^. В рамках данного эксперимента для проведения процесса травления РБО был выбран режим со следующими параметрами: ОТ = 50 Вт, 1СР = 100 Вт, ВСЬ = 5 sccm, С12 = 20 sccm, P = 0,25 Па, т.к при этом режиме прописывалась четкая интерферограмма без искажений. Скорость травления одной пары РБО составила 9 секунд.
Режимы плазмохимического травления представлены в табл.2, результаты исследований экспериментальных образцов методом СЭМ приведены на рис.4.
Таблица 2
Режимы плазмохимического травления
№ образца Мощность ОТ источника, Вт Мощность 1СР источника, Вт Давление, Па Расход ВСЬ, sccm Расход С12, sccm Расход N2, sccm Время ПХТ одной пары, сек Время ПХТ всех слоев РБО, сек
1 50 300 0,5 20 0 0 35 795
2 50 300 0,5 20 0 5 12 270
3 100 0 0,25 10 5 370 8440
4 100 100 0,25 5 20 0 9 210
Из полученных данных следует, что плазмо-химическое травление в индуктивно-связанной плазме (образцы 1,2,4) характеризуется существенно более высокой скоростью травления по сравнению с процессом реактивно-ионного травления (только RF источник, образец 3). При этом формируется четкий профиль травления с хорошей морфологией вытравливаемого рельефа. При СЭМ анализе выявлено, что в процессе ПХТ в режиме реактивно-ионной бомбардировки фоторезистивная маска разрушается сильнее по сравнению с травлением в индуктивно-связанной плазме. Установлено, что добавление в реакционную камеру N2 существенно ускоряет процесс плазмо-химического травления (образец 2). При использовании газовой смеси ВС13/С12 достигается высокая скорость травления слоев GaAs/AlGaAs, формируется меза с углом наклона стенки около 60°, тем самым данный режим не удовлетворяет одному из начальных требований и не может быть использован для травления мезы РБО в реальной структуре ВИЛ.
Заключение
В результате проведенных исследований были изучены несколько видов фоторезистивных масок для формирования мезаструктуры в слое распределенного брэгговского отражателя применительно для структур вертикально-излучающих лазеров с длиной волны генерации 1550 нм. Наиболее перспективным является использование маски на основе фоторезиста ФП-383, т.к. по данным сканирующей электронной микроскопии профиль данного покрытия после проявления выглядит наиболее ровным и гладким.
Для формирования мезаструктуры в слое верхнего распределенного брэгговского отражателя предпочтительнее использование метода плазмохимиче-ского травления. Установлено, что лучшим решением для травления мезы верхнего распределенного брэг-говского отражателя в структуре вертикально-излучающих лазеров является использование травления в индуктивно-связанной плазме с использованием чистого ВС13 либо смеси ВС13^2 с т^Ш контролем при помощи интерферометра.
Публикация подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания, проект №3.3572.2017/ПЧ.
1. Westbergh P., Safaisini R., Haglund E. et al. High-speed 850 nm VCSELs with 28 GHz modulation bandwidth for short reach communication. SPIE Proceedings, 2013, vol. 8639, p. 86390X-2.
2. Karlsson M., Nikolajeff F. Transfer of micro-optical structures into GaAs by use of inductively coupled plasma dry etching. Applied Optics, 2002, vol. 41, no. 5, pp. 902908.
3. Aperathitis E., Cengher D., Kayambaki M. et al. Evaluation of reactive ion etching processes for fabrication of integrated GaAs/AlGaAs optoelectronic devices. Materials Science and Engeneering: B, 2001, vol. 80, no. 1-3, pp. 77-80.
4. Lim W.T., Baek L.G., Jung P.G. et al. Investigation of GaAs dry etching in a planar inductively coupled BCl3 plasma. Journal of The Electrochemical Society, 2004, vol. 151(3), pp. 163-166.
5. Hideo Tamura, Haruki Kurihara. GaAs and GaAlAs reactive ion etching in BCl3-Cl2 mixture. Japanese Journal of Applied Physics, 1984, vol. 23, part 2, no. 9, p. L731.
