GaN的晶體濕化學(xué)蝕刻工藝詳解

目前，大多數(shù)III族氮化物的加工都是通過干法等離子體蝕刻完成的。1，2干法蝕刻有幾個(gè)缺點(diǎn)，包括產(chǎn)生離子誘導(dǎo)損傷3和難以獲得激光器所需的光滑蝕刻側(cè)壁。干法蝕刻產(chǎn)生的側(cè)壁的典型均方根(rms)粗糙度約為50納米，4，5，盡管最近有報(bào)道稱rms粗糙度低至4–6納米的表面。6光增強(qiáng)電化學(xué)(PEC)濕法蝕刻也已被證明適用于氮化鎵(GaN)的蝕刻。7–10 PEC蝕刻具有設(shè)備成本相對(duì)較低和表面損傷較低的優(yōu)勢(shì)，但尚未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生光滑垂直側(cè)壁的方法。還報(bào)道了GaN的解理面，生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的GaN的rms粗糙度在16 nm和11nm之間變化尖晶石襯底上生長(zhǎng)的GaN為0.3納米。

雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)KOH基溶液可以蝕刻AlN和InAlN，但是之前還沒有發(fā)現(xiàn)能夠蝕刻高質(zhì)量GaN的酸或堿溶液。在本文中，我們使用乙二醇而不是水作為KOH和NaOH的溶劑，因此我們可以使用90到180°c的溫度。這些溫度超過了水的沸點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前參考文獻(xiàn)中使用的溫度。通過這種方法，我們開發(fā)了一種將晶體表面蝕刻為III族氮化物的兩步法。我們的樣品是通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在c面藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的2 μm厚的n型GaN外延層，并且薄膜具有大約800弧秒的x射線衍射搖擺曲線全寬14融KOH和熱磷酸(H3PO4)已經(jīng)預(yù)明顯顯示出在GaN的C平面中的缺陷位置蝕刻凹坑。15，16 Kozawa等人報(bào)告稱，凹坑的刻面對(duì)應(yīng)于GaN的面。16我們觀察到，通過在160℃以上的H3PO4中、180℃以上的熔融KOH中、135℃以上的溶解在乙二醇中的KOH中進(jìn)行蝕刻，形成了具有對(duì)應(yīng)于各種GaN晶面的刻面的蝕坑。 和溶解在180℃的乙二醇中的NaOH中。所有的六邊形蝕刻坑共用一個(gè)共同的基底，即方向，但是與c平面相交

晶體蝕刻工藝中的兩個(gè)蝕刻步驟中的第一個(gè)用于建立蝕刻深度，并且它可以通過幾種常見的處理方法來執(zhí)行。對(duì)于我們的第一步，我們使用了幾種不同的處理方法，包括在氯基等離子體中的反應(yīng)離子蝕刻，在KOH溶液中的PEC蝕刻，以及劈開。第二步是通過浸入能夠晶體蝕刻GaN的化學(xué)物質(zhì)中來完成的。該蝕刻步驟可以產(chǎn)生光滑的結(jié)晶表面，并且可以通過改變第一步驟的方向、化學(xué)試劑和溫度來選擇特定的蝕刻平面。表1總結(jié)了本研究中使用的所有化學(xué)物質(zhì)的蝕刻速率和晶面。該表中列出的蝕刻平面是蝕刻過程中出現(xiàn)的平面。由于c面不受所有這些化學(xué)物質(zhì)的影響，除了在出現(xiàn)蝕坑的缺陷位置，它也是一個(gè)蝕刻面，具有可忽略的小蝕刻速率。

研究中使用的所有化學(xué)物質(zhì)都不能透過c平面，所以晶體蝕刻步驟不需要蝕刻掩模，c平面本身就充當(dāng)掩模。然而，如果使用長(zhǎng)蝕刻時(shí)間，蝕刻掩?？赡苁潜匾?，以防止在缺陷位置出現(xiàn)蝕刻坑。為此目的，我們?nèi)A林科納已經(jīng)成功地使用了在900℃退火30秒后的鈦掩模總之，提出了一種強(qiáng)有力的各向異性濕法化學(xué)蝕刻技術(shù)。已經(jīng)證實(shí)蝕刻速率高達(dá)3 m/min。因?yàn)槲g刻本質(zhì)上是結(jié)晶學(xué)的，所以我們用均方根粗糙度小于FESEM的5 nm分辨率。這是所報(bào)道的蝕刻GaN側(cè)壁的最小粗糙度，表明這種蝕刻對(duì)于高反射率激光器腔面是有用的。底切能力對(duì)于降低雙極晶體管等應(yīng)用中的電容也很重要。

審核編輯：湯梓紅