CN100466404C - 砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法 - Google Patents

砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法 Download PDF

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Abstract

一种砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：(A)在衬底上，使用分子束外延的方法外延生长砷化镓缓冲层；(B)在砷化镓缓冲层上生长多个周期分布布拉格反射镜；(C)对分布布拉格反射镜进行光刻，形成光刻胶图形，该光刻胶图形中光具有光刻胶保护的条宽；(D)用腐蚀溶液腐蚀掉部分周期的分布布拉格反射镜；(E)然后交替使用腐蚀溶液和选择性腐蚀液分别腐蚀分布布拉格反射镜，以便能够精确达到所要求的腐蚀深度。

Description

砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法
技术领域
本发明属于垂直腔面发射激光器(VCSEL)制作工艺的一部分，主要是精确控制砷化镓(GaAs)/砷化铝(AlAs)分布布拉格反射镜(DBR)腐蚀深度的方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于具有低阈值，单纵模工作，易于集成和光耦合等优点，引起了科学工作者的广泛关注，成为光电子领域的研究热点之一，在光通讯和光互联等领域有着非常广阔的应用前景。VCSEL谐振腔是由上下两个布拉格反射镜(DBR)夹着中间的有源区谐振腔形成的。DBR是由两种半导体材料以λ/4厚度堆积而成，具有99％以上的反射率。
但是由于掺杂的DBR高反射膜形成了同型异质结，导致串连电阻很大，尤其是空穴有效质量较大导致了P型DBR的发热十分严重，甚至会影响器件的激射，因此在设计VCSEL结构时P型电极经常采用内电极，以使电流注入到有源区时不经过上DBR而减少发热。
在制备内电极时，我们就要不可避免的腐蚀上DBR台面以使P型电极位于谐振腔的导电层上。为了达到99％以上的反射率，GaAs/AlAs DBR的周期数较多，氧化DBR通常需要6个周期以上，非氧化DBR需要20个周期以上，而通常导电层只有100—200nm，因此，如何按照要求准确的腐蚀到导电层以制备内电极是VCSEL工艺中的一个难点。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，利用常规腐蚀液磷酸/过氧化氢/水(H3PO4/H2O2/H2O)与选择性腐蚀液柠檬酸/过氧化氢(C6H8O7·H20/H2O2)和氢氟酸/氟化铵/水(HF/NH4F/H2O)结合的腐蚀方法，不但缩短了腐蚀时间，简化了腐蚀过程，提高了腐蚀质量，而且可以较为精确的控制腐蚀深度，从而有利于P型内电极和VCSEL器件的制备。本发明适用于VCSEL中的GaAs/AlAs DBR或GaAs/AlGaAs DBR。
本发明一种砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)在衬底上，使用分子束外延的方法外延生长砷化镓缓冲层；
(B)在砷化镓缓冲层上生长多个周期分布布拉格反射镜；
(C)对分布布拉格反射镜进行光刻，形成光刻胶图形，该光刻胶图形中光具有光刻胶保护的条宽；
(D)用腐蚀溶液腐蚀掉部分周期的分布布拉格反射镜；
(E)然后交替使用腐蚀溶液和选择性腐蚀液分别腐蚀分布布拉格反射镜，以便能够精确达到所要求的腐蚀深度。
其中衬底为半绝缘砷化镓。
其中砷化镓缓冲层的厚度为200nm。
其中多个周期分布布拉格反射镜包括：砷化镓层和生长在砷化镓层上的砷化铝层。
其中多个周期分布布拉格反射镜的周期数为7个。
其中所述的腐蚀溶液为磷酸和过氧化氢及水混合的溶液。
其中砷化镓层的厚度为70nm，砷化铝层的厚度为158nm。
其中光刻胶图形中光刻胶保护的条宽为60nm，条宽的间距为140nm，以便于腐蚀深度的测量和形貌观察。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：
图1为MBE生长的材料经过光刻后的结构示意图；
图2为GaAs/AlAs DBR 30经过H3PO4/H2O2/H2O溶液腐蚀60秒后的扫描电镜图；
图3为GaAs/AlAs DBR 30经过H3PO4/H2O2/H2O溶液腐蚀60秒后，再交替使用C6H8O7·H2O/H2O2和HF/NH4F/H2O选择性腐蚀液后的扫描电镜图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)在衬底10上，使用分子束外延的方法外延生长砷化镓缓冲层20，该衬底10为半绝缘砷化镓，该砷化镓缓冲层20的厚度为200nm；
(B)在砷化镓缓冲层20上生长多个周期分布布拉格反射镜30，其中多个周期分布布拉格反射镜30包括：砷化镓层31和生长在砷化镓层31上的砷化铝层32，其中多个周期分布布拉格反射镜30的周期数为7个，该砷化镓层31的厚度为70nm，砷化铝层32的厚度为158nm；
(C)对分布布拉格反射镜30进行光刻，形成光刻胶图形，该光刻胶图形中光具有光刻胶保护的条宽33，其中光刻胶图形中光刻胶保护的条宽33为60nm，条宽33的间距为140nm，以便于腐蚀深度的测量和形貌观察；
(D)用腐蚀溶液腐蚀掉部分周期的分布布拉格反射镜30，所述的腐蚀溶液为磷酸和过氧化氢及水混合的溶液；
(E)然后交替使用腐蚀溶液和选择性腐蚀液分别腐蚀分布布拉格反射镜30，以便能够精确达到所要求的腐蚀深度，所述的选择性腐蚀液为柠檬酸与过氧化氢混合的溶液用来选择性腐蚀砷化镓层，氢氟酸、氟化铵和水混合的溶液用来选择性腐蚀砷化铝层。
请再结合参阅附图，DBR样品为半绝缘砷化镓衬底10上使用分子束外延(MBE)方法依次外延生长了GaAs缓冲层20和7个周期的GaAs/AlAs DBR30，光刻后形成图形，参阅图1。图2为该样品经过H3PO4/H2O2/H2O溶液腐蚀60秒后的扫描电镜图，沟是被腐蚀下去的部分，台阶是被光刻胶保护住即没有被腐蚀的部分。图3为使用H3PO4/H2O2/H2O溶液腐蚀60秒后，再交替使用C6H8O7·H2O/H2O2和HF/NH4F/H2O选择性腐蚀液后的扫描电镜照片。使用这种常规腐蚀液和选择性腐蚀液相结合的方法腐蚀GaAs/AlAsDBR，不但缩短了腐蚀时间，简化了腐蚀过程，提高了腐蚀质量，而且可以较为精确的控制DBR的腐蚀深度。具体步骤如下：
(A)在半绝缘GaAs衬底10上，使用MBE方法外延生长200nm的GaAs缓冲层20，这一层是为了掩盖衬底的一些缺陷并使外延表面更加平整，然后生长了7个周期的GaAs/AlAs DBR 30，其中GaAs层31的厚度为70nm，AlAs层32的厚度为158nm，GaAs和AlAs的层厚是根据VCSEL和DBR的工作波长而设计的。
(B)对样品进行光刻形成图形，光刻胶保护的部分条宽60nm，间距为140nm，当湿法腐蚀时，光刻胶保护的部分不会被腐蚀，而没有被保护的部分被溶液腐蚀，这样以便于湿法腐蚀后的深度测量和形貌观察。
(C)使用H3PO4:H2O2:H2O＝1:1:5溶液腐蚀该样品，速度约为16nm/s，60秒后，腐蚀掉了6个周期的GaAs/AlAs DBR，这个配比下的该溶液腐蚀性质较温和，可以得到质量较好的腐蚀表面，如图2。
(D)然后把样品放在HF:NH4F:H2O＝3:6:9溶液中腐蚀40秒以去掉表面H3PO4/H2O2/H2O溶液未腐蚀掉的AlAs层，然后使用C6H8O7·H2O:H2O2＝4:1腐蚀DBR剩余一个周期中的GaAs层80秒，再使用HF:NH4F:H2O＝3:6:9溶液腐蚀DBR剩余一个周期中的AlAs层40秒，交替使用1次后，即把剩余一个周期的DBR完全腐蚀掉了，从而得到了质量较好的腐蚀表面，如图3。HF/NH4F/H2O以体积比3:6:9混合后的溶液选择腐蚀比约为100：1，即腐蚀AlAs的速度是腐蚀GaAs速度的约100倍，而C6H8O7·H2O/H2O2以体积比4:1混合后的溶液选择比约为6：1，即腐蚀GaAs的速度是腐蚀AlAs速度的约6倍，因此使用HF/NH4F/H2O腐蚀AlAs时，即使时间稍长，也不会过分影响腐蚀深度，而使用腐蚀C6H8O7·H2O/H2O2腐蚀GaAs层时，应该控制好腐蚀时间，以防腐蚀GaAs过多。

Claims (7)

1、一种砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)在衬底上，使用分子束外延的方法外延生长砷化镓缓冲层；
(B)在砷化镓缓冲层上生长多个周期分布布拉格反射镜；
(C)对分布布拉格反射镜进行光刻，形成光刻胶图形，该光刻胶图形中光具有光刻胶保护的条宽；
(D)用腐蚀溶液腐蚀掉部分周期的分布布拉格反射镜；
(E)然后交替使用腐蚀溶液和选择性腐蚀液分别腐蚀分布布拉格反射镜，所述的选择性腐蚀液为柠檬酸与过氧化氢混合的溶液用来选择性腐蚀多个周期分布布拉格反射镜中的砷化镓层，氢氟酸、氟化铵和水混合的溶液用来选择性腐蚀多个周期分布布拉格反射镜中的砷化铝层。
2、根据权利要求1所述的砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，其中衬底为半绝缘砷化镓。
3、根据权利要求1所述的砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，其中砷化镓缓冲层的厚度为200nm。
4、根据权利要求1所述的砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，其中多个周期分布布拉格反射镜的周期数为7个。
5、根据权利要求1所述的砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，其中所述的腐蚀溶液为磷酸和过氧化氢及水混合的溶液。
6、根据权利要求1所述的砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的湿法腐蚀方法，其特征在于，其中砷化镓层的厚度为70nm，砷化铝层的厚度为158nm。
7、根据权利要求1所述的砷化镓/砷化铝分布布拉格反射镜的方法腐蚀方法，其特征在于，其中光刻胶图形中光刻胶保护的条宽为60nm，条宽的间距为140nm，以便于腐蚀深度的测量和形貌观察。
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