Неорганические материалы, 2019, T. 55, № 2, стр. 143-147

ВВЕДЕНИЕ

Улучшение характеристик кварцевого волокна с минимальными потерями на λ = 1.3 и 1.5 мкм привело к интенсивным исследованиям системы In–Ga–As–P для получения полупроводниковых лазеров и фотоприемных устройств на этих длинах волн [1, 2]. Для их создания необходимо выращивание изопериодных гетероструктур на подложках InP. В связи с этим возник интерес к физико-химическим свойствам InP, а также методoм химической обработки и создания профилированных поверхностей на этом материале.

В лазерных диодах особенно важен контроль модового состава спектра излучения и, в частности, контроль поперечных мод [3], который часто достигается за счет проведения процесса заращивания на профилированных подложках в форме выступающих меза-полосков, в виде каналов или террас [4–8].

Некоторые особенности травления InP, GaAs и других соединений A^IIIB^V описаны в [9–11]. Тем не менее, нет четкого представления о создании полосковых структур методом химического травления InP и их последующего заращивания эпитаксиальными методами.

В данной работе проведены исследования по оптимизации состава травителя, типа маскирующего покрытия и ориентации направления полосков для получения различных полосковых форм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для исследования использовались стандартные подложки InP {100}, n-типа проводимости с концентрацией носителей заряда 1 × 10¹⁸–5 × 10¹⁹ см^–3. Образцы механически полировались до толщины 320 ± 10 мкм. После механической полировки образцы тщательно отмывались в органических растворителях и травились в полирующем травителе Br:CH₃COOH для снятия поверхностного нарушенного слоя материала (~10 мкм). В качестве маскирующего покрытия для последующих травлений была использована пленка SiO₂, нанесенная с использованием пиролитической реакции SiH₄ и O₂ при температуре подложки InP 450°С. Толщина оксидной пленки составляла 0.15 мкм. Полоски формировались в направлениях [110] или [$\overline {11} $0]. Направление определялось с помощью травления фрагмента подложки InP ~1 мм шириной с последующим травлением в концентрированной HCl более 2 мин.

На поверхности фрагмента подложки InP образовывались характерные фигуры травления, позволяющие ориентировать полоски вдоль направления [110]. Перпендикулярное направление определялось как [$\overline {11} $0]. Меза-полоски формировались с использованием стандартной техники фотолитографии. Ширина полоска составляла 10 мкм, интервал между полосками – 400 мкм. Для снятия SiO₂ использовали буферный травитель HF. Последующее травление для создания меза-полосковой структуры осуществлялось при комнатной температуре с нормальными условиями освещенности и легким перемешиванием раствора. Скалывание для определения геометрических размеров осуществлялось параллельно плоскостям {110}. Скорость травления вычислялась по глубине травления, определяемой по сколу с помощью оптического микроскопа МБИ-11. Все представленные микро-фотографии также получены с помощью оптического микроскопа МБИ-11.

В качестве травителя был использован Br:CH₃COOH, который является предпочтительным для InP [11]. Его скорость травления трудно проконтролировать, но качество получаемой поверхности обычно очень хорошее. Были использованы различные объемные соотношения Br : : CH₃COOH – 1 : 160, 1 : 80, 1 : 25, 1 : 9. Форма меза-полосковой конструкции при различных соотношениях травителя не менялась. Наиболее удобным, на наш взгляд, оказалось соотношение Br : : CH₃COOH = 1 : 9. Скорость травления данного травителя была около 2 мкм/мин на образцах без маскирующего покрытия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование меза-полосковой структуры проводилось путем химического травления в смеси Br : CH₃COOH = 1 : 9. В зависимости от ориентации маскирующих полосок получали два типа меза-структур (рис. 1). Никаких отклонений не обнаружено на тестовом многослойном образце, состоящем из InP, легированного оловом до концентрации n = 1 × 10¹⁸ см^–3, In_0.72Ga_0.28As_0.63P_0.37, легированного оловом до n = (1–4) × 10¹⁶ см^–3, толщиной 0.1–0.5 мкм и InP, легированного цинком до концентрации p = (5–10) × 10¹⁷ см^–3, толщиной 2.5–3.0 мкм. Однако наблюдалась селективность в травлении монокристалла и его огранке наиболее плотноупакованными плоскостями.

Рис. 1.

Форма мезы: а – тип “ласточкин хвост” вдоль направления [110]; б – тип “холм” вдоль направления [$\overline {11} $0].

В случае полярности свойств кристаллов огранка осуществляется плоскостями с малой скоростью растворения ({111}A для решетки сфалерита). Анализ плоскостей (110) и ($\overline {11} $0) показал [12], что расположение наиболее плотноупакованных плоскостей {111}A и {111}B относительно них различно (рис. 2). Поэтому при травлении слоя фосфида индия с ориентацией полоска вдоль направления [110] меза-полосок имеет форму “ласточкин хвост” и огранен плоскостями (1$\overline {11} $) и ($\overline {11} $$\bar {1}$), расположенными под углом 125°16′ к (001), и плоскостями (1$\overline {12} $) и ($\overline {11} $2) (угол 35°16′). Если травление проводилось вдоль направления [$\overline {11} $0], то меза-полосок имел форму типа “холм” и был огранен плоскостями (111) и (1̅1̅1), расположенными под углом 54°44' к (001).

Рис. 2.

Кристаллографическая ориентация меза-полосков на плоскости (001): а – вдоль направления [110], б – вдоль направления [$\overline {11} $0].

Были изучены скорости травления подложек фосфида индия с различной кристаллографической ориентацией: (111)А, (111)В, (100), (001). Изменение скорости травления подложек с разной ориентацией приведено на рис. 3. Видно, что v_(111)B > v₍₁₀₀₎ > v_(111)A. Следует отметить, что медленно травящаяся плоскость (111)А всегда остается матовой, в то время как плоскости (111)В, (100) и (001) – зеркальные. Столь значительные различия в скоростях травления по различным кристаллографическим направлениям, по-видимому, связаны с полярными свойствами решетки сфалерита [12] в направлении [111].

Рис. 3.

Скорости травления подложек с разной ориентацией фосфида индия.

Динамика травления комбинации граней меза-полосков в травителе Br:CH₃COOH зависит от индексов этих граней по отношению к направлению [110] (рис. 4). Исследования показали, что наличие комбинации плоскостей играет важную роль в определении скорости травления меза-полоска и может завуалировать различие скоростей травления некоторых низко-индексовых плоскостей. Это происходит благодаря поверхностной диффузии адсорбированных на маске молекул травителя. В настоящей работе установлено, что эффект значительно уменьшается при перемешивании.

Рис. 4.

Динамика травления комбинации граней меза-полосков в травителе Br:CH₃COOH.

Рассмотрим профили меза-полосков канального типа и скорости травления граней при вскрытии полосков вдоль направлений [110] и [$\overline {11} $0] на плоскости фосфида индия (001). В качестве маскирующего покрытия использовали пленки SiO₂, полученные методом пиролиза моносилана. Температура подложки при этом составляла 450°С. Ширина вскрытого полоска составляла 10 мкм, интервал между полосками – 400 мкм. В зависимости от ориентации получали два типа меза-полосков канального типа (рис. 5). Огранка меза-полосков канального типа ничем не отличалась от огранки выступающих меза-полосков как по набору плоскостей, так и по углам их расположения.

Рис. 5.

Меза-полоски канального типа: а – вдоль направления [110], б – вдоль направления [$\overline {11} $0].

С практической точки зрения при создании лазерных диодов особый интерес представляют меза-полоски с минимальными размерами области излучения, т.е. полоски типа “ласточкин хвост”, что позволяет получать низкие рабочие токи, одномодовый режим работы лазерного диода с высокой эффективностью прибора [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование различных форм травления меза-полосковых структур, сформированных на фосфиде индия. Выявлены закономерности механизма травления, связанные с ориентацией полосков на подложках фосфида индия. Установлены оптимальные режимы создания полосковых структур двух типов: “ласточкин хвост” и “холм”, что позволяет создавать лазерные диоды зарощенного типа с малыми рабочими токами и высокой квантовой эффективностью. Установлены оптимальные режимы создания меза-полосковых структур двух типов канального профиля. Выявлены условия для создания меза-полосковых структур типа “ласточкин хвост”, которые являются оптимальными для лазерных диодов с зарощенной активной областью.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Работа выполнена в рамках госзадания ИОНХ РАН (тема № 0088-2014-0003) при частичной поддержке программы Президиума РАН I.35 “Научные основы создания новых функциональных материалов”.