p型氮化鎵的晶體學濕式化學蝕刻

引言

光增強電化學（PEC）濕式蝕刻也被證明可以用于GaN的蝕刻，但在大多數(shù)情況下，產(chǎn)生的表面非常粗糙。最近，氮化鎵型采用了包括晶體濕化學蝕刻在內(nèi)的兩步法。這個過程包括一個傳統(tǒng)的蝕刻步驟，如干式蝕刻，然后是第二個，晶體學的濕式蝕刻步驟。兩步過程提供了平滑的表面，可用于創(chuàng)建下切、超切或垂直側(cè)壁。然而，這種技術(shù)尚未被證明為p型氮化鎵；本文報告了第一次p型氮化鎵的晶體學濕法蝕刻。

實驗

晶體蝕刻過程中兩個蝕刻步驟中的第一個用于確定蝕刻深度，它可以通過幾種常見的處理方法進行，包括干蝕刻、PEC蝕刻和裂解。這第一步是必需的，因為c平面（0001）對所有已研究過的化學制劑都不敏感，除了在發(fā)生蝕刻坑的缺陷部位。對于這里報道的所有樣本，裂解已經(jīng)被用作我們的第一步。第二步是通過浸沒在能夠晶體蝕刻的熱化學蝕刻劑中來蝕刻氮化鎵。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

這個蝕刻步驟可以產(chǎn)生光滑的晶體表面，并且所產(chǎn)生的蝕刻平面可以通過改變第一步的方向、化學劑和溫度來控制。采用金屬有機氣相外延法在c平面藍寶石襯底上的氣相外延生長了摻雜mg的p型氮化鎵樣品。樣品由p型氮化鎵層組成，載流子濃度由霍爾測量確定為7 31016 cm2 3，生長在300 A AlN緩沖層上的未摻雜高電阻率層上，總厚度為2-2.5mm。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

蝕刻是在熱盤子上的耐熱玻璃燒杯中完成的。溫度通過浸在樣品旁邊的熱電偶進行監(jiān)測，溫度精確度在58攝氏度以內(nèi)。在熔融的氫氧化鉀、氫氧化鉀溶解在乙二醇、磷酸和四乙基氫氧化銨（TEAH）中顯示了結(jié)晶蝕刻。蝕刻發(fā)生在“水平的”，即，正常于[0001]。

然而，用掃描電子顯微鏡（SEM）測量的氮化鎵epi層的厚度沒有變化。因此，在“垂直”[0001]方向上的蝕刻速率至少比在水平方向上的蝕刻速率低兩個數(shù)量級。由于c平面不受本研究中使用的所有化學物質(zhì)的影響，因此晶體學蝕刻步驟不需要蝕刻掩模。c平面本身作為一個掩模。然而，為了防止在缺陷部位出現(xiàn)蝕刻坑，可能需要一個蝕刻掩模。為此目的，我們已經(jīng)成功地使用了60納米厚的鎳掩膜在氮氣中650℃退火2 min后，在氮氣氣氛中900℃退火30s后。退火后的鎳掩?？梢酝ㄟ^在1：1：3的鹽酸、硝酸和水溶液中蝕刻去除，退火后的鈦掩?？梢酝ㄟ^在緩沖的氧化物蝕刻劑中蝕刻去除。去除口罩后，未觀察到表面損傷。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

結(jié)果和討論

p型氮化鎵晶體濕蝕刻后觀察到的兩個蝕刻平面的掃描電鏡圖像如圖1所示。只有epi層的頂部部分是摻雜的p型的；下面的1毫米是未摻雜的。圖1中所示的表面的無縫形貌表明，摻雜量的變化并不影響蝕刻平面或蝕刻速率。磷酸、TEAH、氫氧化鉀在乙二醇和氫氧化鉀熔融條件下形成的最常見的蝕刻面為{101w2 w}，如圖1a所示。在熔融的氫氧化鉀中蝕刻后，也可以觀察到圖1b中所示的{101w0}平面。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

圖1.濕蝕刻氮化鎵晶體表面的掃描電鏡圖像.

從p型氮化鎵和圖2中的阿倫尼烏斯圖可以看出，熔融氫氧化鉀和n型氮化鎵的蝕刻速率和活化能幾乎相同。兩種樣品的活化能均為21千卡/摩爾，或0.9 eV。在圖2和圖3中，每個樣品在任何給定的溫度下都記錄了兩種不同的蝕刻速率。在沿氮化鎵{1120} a平面切割的晶片一側(cè)測量較快的蝕刻速率，在沿氮化鎵{1010} m平面切割的晶片一側(cè)測量較慢的蝕刻速率。從圖3的阿倫尼烏斯圖推斷，乙二醇中30%氫氧化鉀的活化能為21千卡/摩爾，或0.9 eV，磷酸的活化能為33千卡/摩爾，或1.3 eV。對于所有使用的蝕刻劑，活化能等于或略高于氮化鎵的計算生成熱，為0.90 eV。這些高活化能表明蝕刻是反應(yīng)速率有限的。如果蝕刻速率擴散有限，活化能預(yù)計在16千卡/摩爾范圍內(nèi)。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

圖2。熔融氫氧化鉀中n型和p型氮化鎵蝕刻速率的阿倫尼烏斯圖

圖3.用乙二醇溶解的磷酸和30%氫氧化鉀中p型氮化鎵蝕刻率的阿倫尼烏斯圖。

結(jié)論

一種晶體學濕式化學蝕刻技術(shù)能夠以垂直于生長方向高達1.2 mm/min的速率蝕刻p型氮化鎵。蝕刻的活化能在磷酸中為33千卡/摩爾，在氫氧化鉀和在乙二醇中溶解的氫氧化鉀中為21千卡/摩爾。在四乙基氫氧化銨中也實現(xiàn)了蝕刻。觀察到的晶體學氮化鎵蝕刻平面分別為（0001）、{10w10}和{101 w2 w}。由于氮化鎵的c面不受蝕刻劑的影響，除了防止脫位時蝕刻坑的形成外，不需要蝕刻掩模。當需要時，退火鎳和退火鈦即使在本研究中使用的最高溫度下也是有效的掩膜。p型材料的蝕刻率與之前研究過的n型材料相似。未摻雜GaN/p型氮化鎵均型結(jié)無縫蝕刻，可以形成垂直的側(cè)壁或下切的側(cè)壁，這取決于所使用的化學性質(zhì)。與電導(dǎo)率類型無關(guān)的蝕刻光滑垂直側(cè)壁的能力表明，晶體蝕刻可用于制造氮化鎵基激光二極管的切面。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

審核編輯 黃宇