III族氮化物的干法和濕法蝕刻

引言

第三族氮化物已成為短波長發(fā)射器、高溫微波晶體管、光電探測器和場發(fā)射尖端的通用半導(dǎo)體。這些材料的加工非常重要，因?yàn)樗鼈兙哂挟惓８叩逆I能。綜述了近年來針對這些材料發(fā)展起來的濕法刻蝕方法。提出了通過電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻獲得的高蝕刻速率和高度各向異性的輪廓。光增強(qiáng)濕法蝕刻提供了一種獲得高蝕刻速率而沒有離子誘導(dǎo)損傷的替代途徑。該方法適用于器件制造以及n-氮化鎵中位錯密度的估算。這有可能發(fā)展成為一種快速評估材料的方法。

介紹

在過去的十年中，寬帶隙第三族氮化物的合成和生長的成功使得實(shí)現(xiàn)廣泛的新器件成為可能。ⅲ族氮化物的帶隙能量范圍從InN的1.9電子伏到GaN的3.4電子伏到AlN的6.2電子伏。使用這些材料，已經(jīng)證明了在短波長下工作的明亮發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs) [1，2]。事實(shí)上，具有壽命大于10，000小時(shí)的InGaN/AlGaN活性層的LDs已經(jīng)被證明使得這些器件的商業(yè)化成為必然。氮化鎵優(yōu)異的電子傳輸特性，加上寬帶隙、化學(xué)穩(wěn)定性和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可用性，也使得ⅲ族氮化物適用于高功率、高溫晶體管。已經(jīng)證明藍(lán)寶石上的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(HFETs)在大于70 GHz的頻率下工作[3]，并且還制造了生長在SiC上的類似HFETs，其功率密度高達(dá)6.8w/mm[4]。最近，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管已經(jīng)被證明。

這些器件性能的提高取決于外延材料的質(zhì)量和器件加工技術(shù)的發(fā)展。特別是，有效的蝕刻技術(shù)對于形成氮化鎵發(fā)光二極管的刻面、定義光電探測器的臺面和氟化鉿的柵極凹陷至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體相比，ⅲ族氮化物具有較高的鍵能。InN的鍵能為7.7電子伏/原子，GaN為8.9電子伏/原子，AlN為11.5電子伏/原子，而GaAs為6.5電子伏/原子。高的鍵強(qiáng)度和寬的帶隙使它們在室溫下基本上是化學(xué)惰性的，并且對堿和酸有很強(qiáng)的抵抗力。因此，已經(jīng)研究了多種干法和濕法蝕刻技術(shù)來處理ⅲ族氮化物。由于ⅲ-氮化物的鍵強(qiáng)度很高，需要外部能量來引發(fā)和維持鍵的離解。對于不同的蝕刻方法，外部能量的來源包括高能離子、高能電子和光輻射。在本文中，我們介紹了這些蝕刻方法，并討論了其中一些應(yīng)用于ⅲ族氮化物的進(jìn)展。

氮化鎵的蝕刻速率與氬離子電流的關(guān)系。

顯著不同，因此諸如用于激光器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)基本上可以以相等的蝕刻速率被蝕刻。Ar/Cl2 CAIBE蝕刻在所有襯底溫度下產(chǎn)生各向異性但僅接近垂直的蝕刻輪廓[9，31]。由于蝕刻過程中化學(xué)活性的增加，溫度越高，剖面越垂直[8，9]。為了獲得激光刻面所需的垂直度，Binet [31]和Kneissl等人。[30]在蝕刻時(shí)傾斜和旋轉(zhuǎn)樣品。Kneissl等人用這種方法制作并演示了具有CAIBE刻蝕刻面的InGaN/AlGaN激光二極管。[30]. 平等人也獲得了高度垂直的蝕刻剖面。[8]在300℃使用氬/鹽酸CAIBE，樣品沒有傾斜。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的這種垂直蝕刻剖面的一個例子如圖2所示。2.圖1所示的超光滑側(cè)壁。2是使用再生長氧化物掩蔽工藝獲得的[32]。在掃描電子顯微鏡中測量的側(cè)壁粗糙度< 5納米。

使用高密度等離子體反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)已經(jīng)獲得了高蝕刻速率和高度各向異性的蝕刻輪廓。由電子回旋共振反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕方法產(chǎn)生的高刻蝕速率是由于可用的較高等離子體密度。高密度等離子體工具中的蝕刻產(chǎn)率與常規(guī)RIE系統(tǒng)中的相同，但是前者中大得多的離子通量導(dǎo)致更高的蝕刻速率。等離子體產(chǎn)生的更高效率也意味著等離子體可以在比傳統(tǒng)RIE工具更高的真空環(huán)境中產(chǎn)生和維持。使用13.56兆赫發(fā)生器對樣品進(jìn)行獨(dú)立偏置，可以控制高密度等離子蝕刻工具中離子轟擊樣品的能量。由于較高的真空環(huán)境，低能離子的方向性得以保留。這意味著在較低的離子能量下，蝕刻輪廓可以實(shí)現(xiàn)各向異性。

濕法腐蝕

濕法蝕刻它提供了低損傷蝕刻、低成本和復(fù)雜性。已經(jīng)在堿和酸溶液中研究了GaN、AlN和InN的常規(guī)濕法蝕刻[39-43]。對低質(zhì)量氮化鎵進(jìn)行的早期研究[39]產(chǎn)生了高達(dá)1米/分鐘的蝕刻速率。然而，米勒姆等人最近的研究。[40]對于高質(zhì)量的氮化鎵，沒有產(chǎn)生任何可測量的蝕刻。InN的蝕刻速率也很慢。Pearton等人。[41]發(fā)現(xiàn)InN在HCl/HNO3溶液中蝕刻非常慢。郭等。[42]報(bào)道了在60℃下使用氫氧化鉀和氫氧化鈉水溶液對InN的蝕刻速率約為10納米/分鐘。發(fā)現(xiàn)氮化鋁的蝕刻高度依賴于樣品的結(jié)晶度[39]。Mileham等人報(bào)道了AlN在氫氧化鉀和AZ400K顯影液中的蝕刻速率為10-1000納米/分鐘。[39,43]. 對于高質(zhì)量的晶體氮化鋁，獲得了較低的蝕刻速率?？梢缘贸鼋Y(jié)論，III族氮化物表現(xiàn)出的化學(xué)穩(wěn)定性導(dǎo)致了傳統(tǒng)濕法蝕刻劑的非常低的蝕刻速率。

光電化學(xué)濕法蝕刻

近的一項(xiàng)進(jìn)展是光電化學(xué)(PEC)濕法刻蝕的演示，這導(dǎo)致GaN的刻蝕速率顯著提高[44-53]。PEC工藝?yán)霉馍娮涌昭▽碓鰪?qiáng)電化學(xué)電池中發(fā)生的氧化和還原反應(yīng)。n-氮化鎵的蝕刻通過表面氧化進(jìn)行，然后溶解在水溶液中。通過將表面原子轉(zhuǎn)化為更高的氧化態(tài)，光生空穴增強(qiáng)了這一過程。增加能量大于帶隙能量的入射光輻射的吸收增加了表面處的空穴供應(yīng)，從而提高了蝕刻速率。

結(jié)論

綜述了ⅲ族氮化物的干法和濕法刻蝕方法。盡管高結(jié)合能對氮化物的蝕刻構(gòu)成了障礙，但是高密度等離子體蝕刻方法已經(jīng)產(chǎn)生了適合于器件制造的蝕刻速率。由這些高密度等離子體蝕刻方法實(shí)現(xiàn)的低偏壓應(yīng)該允許氮化物表面的低損傷蝕刻。在這一領(lǐng)域需要作出更多努力，量化國際比較方案反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)提供的加工范圍。光電化學(xué)蝕刻法已被證明是一種新興的器件制造和材料表征方法。PEC被證明有潛力成為n-GaN中位錯的快速評估工具。

審核編輯：湯梓紅