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研究生:黃泓文
研究生(外文):Hung Wen Huang
論文名稱:氮化鎵相關材料及元件製程技術之研究
論文名稱(外文):Study of processing techniques for GaN-based material and devices
指導教授:王興宗
指導教授(外文):S. C. Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:光電工程所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:氮化鎵感應耦合式電漿蝕刻發光二極體雷射二極體
外文關鍵詞:GaNInductively Coupled PlasmaLEDLD
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本論文內容主要為乾式蝕刻應用於GaN材料及發光元件製程之研究,首先先探討使用感應耦合式電漿蝕刻( ICP )系統於固定蝕刻氣體流量Cl2/Ar=10/25sccm(比例2:5)時,蝕刻undoped GaN與p-GaN試片,而變化其他蝕刻參數如:腔體壓力、RF偏壓功率及ICP功率等,進而分析蝕刻速率、蝕刻表面的粗糙度與側壁蝕刻垂直度,運用此實驗數據於GaN發光元件的製作,並展示其光性與電性結果。此外在EEL(Edge Emitting Laser) GaN製作上,利用蝕刻參數為:Cl2/Ar=50/20sccm(比例5:2),ICP功率=300W,RF偏壓功率=30W及腔體壓力為5mTorr,得到蝕刻側壁非常平順(smooth)的雷射鏡面與蝕刻後表面粗糙度為1.29nm的實驗結果。而在GaN nano structure研究中,固定相關蝕刻參數:Cl2/Ar=10/25sccm(比例2:5),ICP功率=200W,RF偏壓功率=200W,當腔體壓力從2.5mTorr增加至30mTorr時,得到GaN nano structure 之密度隨著腔體壓力增加而增加的結果,而在腔體壓力增加至30mTorr時,可得到密度大約為3*1010cm-2尺寸大小大約為20nm~50nm之GaN nano structure array, ,進而可利用ICP蝕刻來製作與控制GaN nano structure之光電元件。

In this thesis,we investigate the processing of GaN materials and photonic devices using dry etching.First,we analysis the etching rates,etched surface roughness and etching sidewall of undoped and p-GaN with fixed etching gas of Cl2/Ar for various chamber pressure,RF bias power and ICP power.Using the result of etching process , we fabricated the GaN photonic device and showed the optical and electrical properties. For etching of EEL laser structure,using high Cl2 ratio (Cl2 / Ar = 50 / 20 sccm), ICP power=300W, RF bias power=30W and low chamber pressure 5 mTorr, a smooth mirror-like facet and the etched surface roughness of about 1.3nm was obtained by ICP system. Using these etching parameters, mirrorlike facets can be obtained which can be used for the fabrication of nitride-based laser diodes.
For the investigation of the GaN nano structure,we report a novel method to fabricate controllable dimension and density of GaN structure using ICP etching.The etching condition was Cl2/Ar flow rate of 10/25 sccm and ICP/Bias power of 200/200W and the GaN nanorods and array were fabricated with density of 108 ~ 1010 cm-2 and dimension of 20~100nm by varying the chamber pressure from 10 mTorr to 30 mTorr. The technique offers an one-step, controllable method of fabrication of GaN nano-structures and should be applicable for fabrication of GaN based nano-optoelectronic devices.

第一章 緒論 1
第二章 感應耦合式電漿蝕刻理論 4
2.1 電漿(Plasma)蝕刻 4
2.1.1 電漿的形成 4
2.1.2 電漿的性質 7
2.1.3 電漿蝕刻的優點 8
2.1.4 電漿蝕刻的機制 9
2.1.5電漿蝕刻的參數 12
第三章 實驗儀器設備 17
3.1 感應耦合式電漿蝕刻(ICP)系統 17
3.2 原子力顯微鏡(AFM) 19
3.3 掃瞄式電子顯微鏡(SEM) 21
第四章 試片製備與實驗流程 24
4.1 試片製備 24
4.2 實驗流程 25
第五章 實驗結果與討論 31
5.1蝕刻氣體與流量選擇對蝕刻GaN之影響 31
5.1.1 Cl2氣體流量選擇 31
5.1.2 Ar氣體流量選擇 31
5.2 Chamber pressure對蝕刻GaN之影響 32
5.3 RF bias power對蝕刻GaN之影響 33
5.4 ICP power對蝕刻GaN之影響 34
第六章 GaN-based發光元件之蝕刻及製作 36
6.1 LEDs製程技術 36
6.2 LDs製程技術 37
6.3 蝕刻Nano結構之技術 37
第七章 結論與未來展望 40
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