In-situ-Ätzen von GaAs mittels Kohlenstofftetrabromid durch TMAl verbessert
Abb. 1: a) REM-Abbildung (mit Sekundärelektronen) und b) panchromatisches CL-Bild (beide bei 80 K an der gleichen Stelle) einer GaAs-Oberfläche nach Ätzung mit CBr4 bei 575°C
Abb. 2: GaAs-Ätzrate bei Zugabe von a) TMGa und b) TMAl bei 675°C (offen) und 575°C (gefüllt)
Vergrabene Strukturen, die in mehreren Epitaxieschritten erzeugt werden, erhöhen die Funktionalität von Laserdioden. Passive Bereiche können z.B. zur Phasenmodulation, zur Strahlformung und zur Reduktion von Leckströmen genutzt werden. Bei konventioneller Strukturierung von AlGaAs stört jedoch die sich bildende Oxidschicht das anschließende Überwachsen oder macht es sogar unmöglich. Die Kombination von Strukturübertragung und metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) im gleichen Reaktor würde eine derartige Oxidschicht vermeiden. Kohlenstofftetrabromid (CBr4) ist in der MOVPE eine beliebte Dotierquelle für den Einbau von C als Akzeptor in GaAs und AlGaAs und in den MOVPE-Anlagen am FBH verfügbar. Allerdings reduziert CBr4 die Wachstumsrate, da Br den Halbleiter ätzt. Da solche Ätzreaktionen auch zur Strukturübertragung genutzt werden können, wurden sie näher untersucht.
Die Ätzung von ca. 150 nm GaAs mit CBr4 führt zu einer gestörten Oberfläche mit Ätzgruben (Pits). Im Zentrum dieser Pits zeigt Kathodolumineszenz (CL) nichtleuchtende Punkte, die auf Versetzungen im Substrat oder der Epitaxieschicht als Ursache für den inhomogenen Ätzangriff hinweisen (Abb. 1).
Die Zugabe von Trimethylgallium (TMGa) während des Ätzens von GaAs mit CBr4 vermindert die Ätzrate durch Überlagerung mit gleichzeitigem GaAs-Wachstum (Abb. 2a). Die beiden Prozesse Wachstum und Ätzen scheinen sich nicht gegenseitig zu beeinflussen. Auch die Ätzgruben sind weiterhin vorhanden.
Die Zugabe von Trimethylaluminium (TMAl) während des Ätzprozesses hingegen hat eine komplexe Wirkung: Bei hohen Temperaturen wird die Ätzrate stark vermindert, wahrscheinlich über das Wachstum von stabilem AlAs, bei niedrigen Temperaturen ist die Ätzrate erhöht (Abb. 2b). TMAl beeinflusst jedoch nicht nur die Ätzrate, sondern verhindert auch die Ausbildung der störenden Ätzpits. Versetzungen führen nur noch zu flache Erhebungen. Die Zugabe von TMAl bei der Ätzung mit CBr4 ist damit ein vielversprechender Prozess zu Übertragung von Strukturen im MOVPE-Reaktor ohne störenden Kontakt mit Sauerstoff.
Publikation
P. Della Casa, A. Maaßdorf, U. Zeimer, M. Weyers, "CBr4-based in-situ etching of GaAs, assisted with TMAl and TMGa", J. Crystal Growth 434, pp. 116-122 (2016).