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半导体所III-V族ICP刻蚀机技术应用案例

    III-VICP刻蚀机是中国科学院半导体研究所购置的大型仪器设备,由所公共技术服务中心(集成技术工程研究中心)负责运行服务。这一设备由英国Oxford仪器公司生产,型号是System 100,主要用于III-V族半导体材料微细图形干法刻蚀,可以刻蚀多种化合物(GaNGaAsInPAlGaNInGaAsInGaP/AlGaInPInGaAs/InGaAsP等多元化合物)。还可以对部分-族化合物、有机物和金属等材料进行刻蚀。

    ICP(Inductively Coupled Plasma)即感应耦合等离子体刻蚀是微细加工技术的重要组成部分。在集成光学、光电子学、微机械系统(MEMS)、光子晶体等领域都有广泛应用,是制作许多重要器件的关键步骤,如:白光LED、半导体激光器、探测器等。

  该设备自2004年正式投入使用以来,一直满负荷工作,为半导体所、清华大学、北京大学、中科院微电子所、华中科技大学,石家庄十三所等国内外科研院所和多家公司提供高水平的服务,有效地支持了众多973项目、863项目、国家自然科学基金以及企业委托技术开发等科研计划。

 

应用案例:

1、     GaN基大功率LED器件

刻蚀引入的损伤对光电子器件产生很大的影响。对于III-族化合物刻蚀损伤程度主要随材料暴露在等离子体下的时间的增加和轰击离子的能量升高而加剧。同时刻蚀表面的粗糙度和成份还会影响有源器件的阈值电压,在此设备上所建立了低损伤的GaN基刻蚀工艺条件,有效保证了GaN基大功率LED器件的光学和电学性能。相关系列条件在GaN基激光器和探测器的制作中也取得了很好的应用效果。 

  

2、     InP基激光器

        InP基激光器的制作中,需要做到多层结构材料的同质刻蚀,在此设备上建立了成熟的同质刻蚀条件,在多种激光器的制备应用中获得了良好的器件效果。如图分别是InP/InGaAsP多层结构材料的同质刻蚀结果和InP基光子晶体激光器刻蚀效果图,可以发现实现了很好的同质刻蚀。

       

        InP/InGaAsP多层结构材料的同质刻蚀           InP基光子晶体激光器

3、     多层结构中的选择性刻蚀

在多层结构材料的刻蚀中,选择性刻蚀被经常应用在各种器件的制作中,最典型的器件如面发射激光器。在这种器件的加工中,往往会对如GaAs/AlGaAs等超晶格结构进行选择性刻蚀,要求刻蚀准确停止在某一层材料上。在此设备上通过所装备的终点监控(EPD)系统和相应的刻蚀条件可以在多种材料的界面上实现准确停止,如下图所示。

 

       GaAs/InGaAs                GaAs/AlGaAs                 AlAs/GaAs

 

部分已发表论文:

Yandong Du etc, T-shaped gate AlGaN/GaN HEMTs fabricated by femtosecond laser lithography without ablation, Applied Physics A (2012) 106:575–579

Yandong Du etcFemtosecond laser lithography technique for submicron T-gate fabrication on positive photoresistOptical Engineering Vol. 51, No. 05, 2012

Weihua Han, Detection of Terahertz photon by GaAs-based single electron transistor at low temperaturesJournal of Semiconductors, 28(4), pp. 500-506,2007.

Wei Yan, Analysis on ohmic contact of Ti/Al/Ni/Au to AlGaN/GaN HEMT by multi-step annealing process, Journal of Semiconductors, Vol33, No.6, 2012

Chen, Qin, Hu, Yong-Hong, Huang, Yong-Zhen, Du, Yun, Fan, Zhong-Chao. Equilateral-triangle-resonator injection lasers with directional emission IEEE Journal of Quantum Electronics, 43(5-6), pp 440-444,2007

Huang, Yong-Zhen, Hu, Yong-Hong, Chen, Qin, Wang, Shi-Jiang, Du, Yun, Fan, Zhong-Chao. Room-temperature continuous-wave electrically injected InP-GaInAsP equilateral-triangle-resonator lasers. IEEE Photonics Technology Letters, 19(13-16), pp 963-965, 2007/8.

马小涛,郑婉华,任刚,樊中朝,陈良惠,感应耦合等离子体刻蚀InP/InGaAsP二维光子晶体结构的研究 物理学报,56(2)2007

Gao Hai-Yong, Yan Fa-Wang, Fan Zhong-Chao, Li Jin-Min, Zeng Yi-Ping, Wang Guo-Hong. Improved light extraction of GaN-based LEDs with nano-roughened p-GaN surfaces.Chinese Physics Letters, 25(9), pp 3448-3451, 2008/9

Huang, Yong-Zhen, Che, Kai-Jun, Yang, Yue-De, Wang, Shi-Jiang, Du, Yuri, Fan, Zhong-Chao. Directional emission InP/GaInAsP square-resonator microlasers. Optics Letters, 33(19), pp 2170-2172, 2008/10/1

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Zhang, Jiayong, Wang, Xiaofeng, Wang, Xiaodong, Ma, Huili, Cheng, Kaifang, Fan, Zhongchao, Li, Yan, Ji, An, Yang, Fuhua. Fully lithography independent fabrication of nanogap electrodes for lateral phase-change random access memory application. Applied Physics Letters, 96(21), 2010/5/24

*Wang, Shi-Jiang, Lin, Jian-Dong, Huang, Yong-Zhen, Yang, Yue-De, Che, Kai-Jun, Xiao, Jin-Long, Du, Yun, Fan, Zhong-Chao. AlGaInAs-InP Microcylinder Lasers Connected With an Output Waveguide. IEEE Photonics Technology Letters, 22(18), pp 1349-1351, 2010/9/15.

Chen, Xi, Fan, Zhong-Chao, Xu, Yun, Song, Guo-Feng, Chen, Liang-Hui. Fabrication of biomimic GaAs subwavelength grating structures for broadband and angular-independent antireflection. Microelectronic Engineering, 88(9), pp 2889-2893, 2011/9.

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