在氮化鎵中利用光電化學(xué)蝕刻深層高縱橫比溝槽的進(jìn)展

日本SCIOCS有限公司和法政大學(xué)曾報(bào)導(dǎo)了在氮化鎵（GaN）中利用光電化學(xué)（PEC）蝕刻深層高縱橫比溝槽的進(jìn)展[Fumimasa Horikiri et al, Appl. Phys. Express, vol11, p091001, 2018]。 該團(tuán)隊(duì)希望該技術(shù)能夠在高場(chǎng)中能夠利用GaN的高擊穿場(chǎng)和高電子遷移速度為電力電子技術(shù)開辟新的器件結(jié)構(gòu)。

具有p型和n型材料列的“超結(jié)”結(jié)構(gòu)是需要通過(guò)深度蝕刻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)結(jié)合到橫向場(chǎng)效應(yīng)晶體管中時(shí)，擊穿電壓能夠達(dá)到10kV以上。這種超結(jié)漂移區(qū)和其他深蝕刻結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)垂直器件有益。對(duì)于激光二極管，晶片切割應(yīng)用和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的脊形制造，同樣需要高質(zhì)量的快速蝕刻速率工藝。目前， PEC已經(jīng)應(yīng)用于臺(tái)面，柵極凹陷和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）制造工藝上。

一般情況下，我們通過(guò)干等離子體蝕刻（如電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻（ICP-RIE））來(lái)實(shí)現(xiàn)材料表面的深度蝕刻。 但這將進(jìn)一步引起在GaN和掩模材料之間低干蝕刻選擇性的問(wèn)題。高質(zhì)量的蝕刻技術(shù)往往很慢，從而縮小了深層結(jié)構(gòu)的范圍。

研究人員通過(guò)空隙輔助分離藍(lán)寶石中的n型氫化物氣相外延（HVPE）材料制備了2英寸自支撐GaN襯底（Mike Cooke, Semiconductor Today, p80, June/July 2018] - a technique developed by SCIOCS）。此時(shí)晶片的位錯(cuò)密度在2×10 6cm-2至5×10 6cm-2的范圍內(nèi)。

通過(guò)金屬 - 有機(jī)氣相外延法使二極管層生長(zhǎng) ，形成5.8μmn-GaN肖特基勢(shì)壘二極管、2μmn+型GaN、10μmn-型GaN，500nm p-型GaN和20nm p + 型GaN p-n二極管。 將p-n二極管材料在850℃，氮?dú)夥諊型嘶?0分鐘以活化p型層中的鎂受體。 退火的效果是驅(qū)除鈍化受體的氫原子。

圖1：PEC蝕刻流程

用于PEC蝕刻的掩模材料（圖1）是鈦。 PEC蝕刻通過(guò)“光輔助陽(yáng)極氧化”實(shí)現(xiàn)蝕刻GaN。 該工藝過(guò)程中，GaN釋放Ga3 +，其正電荷來(lái)自GaN /電解質(zhì)陽(yáng)極界面處的紫外（UV）光產(chǎn)生的空穴。 通過(guò)在GaN晶片的背面上的歐姆接觸和作為陰極的鉑反電極之間建立的PEC的電路去除電子。 蝕刻電位為1V； 紫外線輻射由汞 - 氙燈提供，垂直入射9.0mW / cm2。 輻射和蝕刻電位以脈沖模式操作，電位為0.6占空比。

電解質(zhì)中的氫氧根離子，其與Ga3 +反應(yīng)，形成Ga2O3。其中電解質(zhì)溶液中的0.01M氫氧化鈉和1％Triton X-100作為潤(rùn)濕劑，以降低表面張力并有助于除泡。

這種PEC刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)了24.9nm /分鐘的平滑表面速率，與無(wú)損傷干法蝕刻技術(shù)效果基本相同。如果將PEC速率提高到175.5nm /分鐘，則會(huì)導(dǎo)致表面粗糙，這類高速PEC可用于晶圓切割。

如果我們選擇用由90μm直徑圓點(diǎn)組成的50nm厚的鈦掩模，通過(guò)PEC蝕刻至20μm的深度，那么選擇性將大于400（20μm/ 50nm），側(cè)蝕小于1μm。

在溝槽蝕刻的實(shí)驗(yàn)中，達(dá)到的深度是由電流密度控制的，而不是沿GaN晶格的m軸或a軸的掩模取向。短寬度孔徑掩模的溝槽蝕刻速率在約30μm深度處減慢。研究人員認(rèn)為，這是由于紫外線輻射難以到達(dá)溝槽底部的蝕刻前沿。他們補(bǔ)充說(shuō)，相干的紫外光源可能有助于深溝槽蝕刻。

圖2：PEC刻蝕深度與溝槽縱橫比之間的關(guān)系。

實(shí)線，虛線和虛線對(duì)應(yīng)于基于PEC與溝槽寬度的縱橫比的估計(jì)，其包括在兩個(gè)壁中的0.7μm量級(jí)的側(cè)蝕。填充符號(hào)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由圖2可以看出實(shí)現(xiàn)的最大溝槽縱橫比為7.3（3.3μm寬度和24.3μm深度）。該團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“這種縱橫比和蝕刻深度與ICP-RIE制造的SiC溝槽的最佳結(jié)果相當(dāng)，表明PEC刻蝕的優(yōu)勢(shì)不僅在于光學(xué)和電子器件的制造，而且在于制造GaN-MEMS，如晶圓，隔膜，微流體通道和光柵的通孔。”