СПОСОБ ТРАВЛЕНИЯ меза-ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ p-i-n СТРУКТУР GaN/AlGaN

Изобретение относится к технологии фотодиодов на основе эпитаксиальных p-i-n структур GaN/Al_xGa_1-xN, преобразующих излучение ультрафиолетовой области спектра. Изобретение может быть использовано в производстве матричных фоточувствительных элементов приборов гражданского и военного назначения.

Матрицы фотодиодов на основе эпитаксиальных p-i-n структур GaN/Al_xGa_1-xN изготавливают по полупроводниковой технологии, включающей фотолитографию, ионное травление по маске для выделения меза-элементов (p-i-n диодов), пассивацию поверхности, напыление металлических покрытий, обеспечивающих омические контакты к слоям p и n, формирование индиевых микроконтактов для последующей гибридизации. Применение ионного травления при формировании меза-структуры обусловлено химической устойчивостью соединений GaN и Al_xGa_1-xN к жидкостному химическому травлению.

Известен способ травления структур на основе GaN, AlGaN, AlN, в котором тестовые образцы эпитаксиальных структур GaN/AlGaN травили плазмохимическим методом через никелевую (Ni) маску в смеси газов Cl₂+Ar с использованием индуктивно связанной плазмы [Smith S.A., Wolden С.А., Bremser M.D., et al. High rate and selective etching of GaN, AlGaN, and AlN using an inductively coupled plasma. Appl. Phys. Lett. 71 (25), 22 December 1997]. Давление смеси газов варьировалось в пределах 1-9 мТорр, напряжение смещения подложкодержателя 20-450 В, мощность индуктивно связанной плазмы 100-1100 Вт. Оптимальное соотношение газов рабочей среды Ar:Cl₂ составило 20:80 (%). Максимальные скорости травления составили 980 нм/мин для GaN, 906 нм/мин для Al_0.28Ga_0.72N и 749 нм/мин для AlN.

К недостаткам данного метода можно отнести слабую зависимость скорости травления от состава полупроводниковой структуры, что определяет повышенные требования к чувствительности оборудования, используемого для определения окончания процесса травления на необходимую глубину. Также можно отметить использование хлорсодержащего газа в качестве рабочей среды. Высокая агрессивность хлорсодержащих газов и продуктов реакции предъявляет повышенные требования к химической стойкости оборудования и существенно снижает его ресурс, нарушает экологию. В совокупности перечисленные факторы усложняют конструкцию и увеличивают стоимость оборудования и расходы на выполняемые процессы.

Наиболее близким к изобретению является способ травления ионами аргона, в котором для контроля глубины и однородности травления используют оптические, контактные и другие методы. Методами контроля могут быть фотолюминесценция [Соломонов А.В. и др. Исследование характеристик ультрафиолетовых светодиодов на основе гетероструктур GaN/AlGaN, выращенных методом хлоридно-гидридной эпитаксии. Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 2], ультрафиолетовая спектрофотометрия [Иванов В.С. и др. Основы оптической радиометрии - М.: Физматлит, 2003, - с. 236, гл. 12; Cary-4000-5000-6000i-UV-Vis-NIR-brochure], контактная и оптическая профилометрия [Егоров В.А. Оптические и щуповые приборы для измерения шероховатости поверхности - М.: Машиностроение, 1965. - 222 с; DektakXT stylus profiling system - brochure].

Однако для определения момента окончания травления этими способами необходимо непрерывно контролировать параметры поверхности структуры, что невозможно без прерывания процесса травления. Дополнительные операции измерения могут приводить к повреждению/загрязнению поверхности эпитаксиальной структуры.

Технической задачей настоящего изобретения является формирование меза-структуры с множеством отдельных p-i-n диодов с обеспечением необходимой однородности глубины травления структуры до слоя n⁺-Al_xGa_1-xN и без прерывания процесса травления.

Технический результат достигается тем, что единичные p-i-n фотодиоды в матрицах фотодиодов формируют ионным травлением ионами аргона эпитаксиальных структур с p-i-n переходом до слоя n⁺-Al_xGa_1-xN, время, необходимое для травления структуры с известными значениями толщин слоев на требуемую глубину, определяют по известным значениям скоростей травления слоев GaN и Al_xGa_1-xN с разными значениями доли Al x (%), а необходимая однородность глубины травления обеспечивается меньшей скоростью травления Al_xGa_1-xN, при x=0,45÷0.65 в 3-4 раза меньшей по сравнению со скоростью травления слоя GaN.

Сущность описываемого способа состоит в том, что травление гетероэпитаксиальных структур GaN/Al_xGa_1-xN после применения стандартных методов фотолитографии проводят с использованием заранее известных скоростей стравливания отдельных слоев Al_xGa_1-xN с разными значениями доли Al-x (0,00÷0,65). В качестве метода травления используют метод ионно-лучевого травления ионами Ar (аргона). Бомбардировка ионами инертного газа (Ar) при невысоких скоростях травления позволяет достичь необходимой анизотропности и однородности глубины травления. Скорость ионно-лучевого травления ионами аргона эпитаксиальных слоев Al_xGa_1-xN уменьшается с увеличением содержания мольной доли алюминия в эпитаксиальном слое в 3-4 раза при изменении молярной доли алюминия от 0 до 0.65.

Определение скоростей травления слоев Al_xGa_1-xN, различающихся содержанием доли алюминия, проводилось на гетероэпитаксиальных структурах Al_xGa_1-xN с p-i-n переходом видимо-слепого (ВС) и солнечно-слепого (СС) ультрафиолетовых диапазонов различных сочетаний слоевых конфигураций, выращенных на подложках α-Al₂O₃ (кристаллографическая ориентация 0001) методами МОС-гидридной или молекулярно-лучевой эпитаксии [Болтарь К.О. и др. Исследование скорости ионно-лучевого травления гетероэпитаксиальных структур GaN/Al_xGa_1-xN. Прикладная физика, 2013, №4, с. 5]. Используемая в способе зависимость скорости травления Al_xGa_1-xN от состава показана на фиг. 1.

Пример изготовления образца с использованием способа травления стандартными методами фотолитографии на пластине с гетероэпитаксиальной p-i-n структурой GaN/Al_xGa_1-xN, с известными значениями толщин слоев, формируют маску фоторезиста с шагом 30 мкм и размером пикселей с p-i-n переходом 25×25 мкм и вычисляют времена травления каждого отдельного слоя с разной долей Al (согласно паспорту, сопровождающему структуру), устанавливают время травления, равное сумме времен травления каждого отдельного слоя с разной долей Al, выполняют процесс ионно-лучевого травления ионами Ar с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0.2 Вт/см². Длительность процесса равна сумме времен травления каждого отдельного слоя с разной долей Al. Затем удаляют остатки маски фоторезиста в органических растворителях и/или плазмохимическим травлением в кислородной плазме.

На фиг. 2 показана профилограмма полученных после ионно-лучевого травления меза-элементов с p-i-n переходом на гетероструктурах GaN/Al_xGa_1-xN.