一種強有力的各向異性濕法化學刻蝕技術

摘要

我們展示了在c平面藍寶石上使用磷酸、熔融氫氧化鉀、氫氧化鉀和乙二醇中的氫氧化鈉生長的纖鋅巖氮化鎵的良好控制結晶蝕刻，蝕刻速率高達3.2mm/min。晶體學氮化鎵蝕刻平面為0001%，1010%，1011%，1012%和1013%。用場效應掃描電子顯微鏡觀察垂直的1010%平面看起來非常光滑?；罨転?1千卡/摩爾，表明反應速率有限的蝕刻。

介紹

目前對第三族氮化物的大多數(shù)處理是通過干法等離子體蝕刻完成的，干法蝕刻有幾個缺點，包括產(chǎn)生離子誘導損傷3和難以獲得激光所需的光滑蝕刻側壁。典型的均方根均方根。干法蝕刻產(chǎn)生的側壁粗糙度約為50納米，盡管最近有報道稱均方根粗糙度低至4–6納米。光電增強電化學PEC。濕法刻蝕也被證明可以刻蝕氮化鎵GaN。還報道了氮化鎵的解理面，生長在藍寶石襯底11上的氮化鎵的均方根粗糙度在16納米和生長在尖晶石襯底上的氮化鎵的均方根粗糙度在0.3納米之間變化。

在本文中，我們使用乙二醇代替水作為氫氧化鉀和氫氧化鈉的溶劑，因此我們能夠使用90℃至180℃的溫度。這些溫度超過了水的沸點，比以前參考文獻中使用的溫度高得多。通過這樣做，我們開發(fā)了一種兩步工藝，將晶體表面蝕刻成ⅲ族氮化物。

實驗

熔融的KOH和熱磷酸H3PO4，已經(jīng)顯示出在GaN的c面中的缺陷位置蝕刻凹坑。報道了凹坑的刻面對應于GaN的$ 3032%面。我們觀察到通過在160℃以上的H3PO4中、在180℃以上的熔融KOH中、在135℃以上的溶于乙二醇的KOH中以及在180℃溶于乙二醇的NaOH中蝕刻，形成了具有對應于各種GaN晶面的刻面的蝕刻凹坑。所有六邊形蝕刻坑共享一個公共基底，即112 0方向，但與c平面相交的角度多種多樣。這是因為這些面實際上是由兩個或多個相互競爭的蝕刻平面產(chǎn)生的，這在高分辨率場效應掃描電子顯微鏡中可以看到FESEM圖中的圖像1。使用熱電偶監(jiān)控蝕刻劑溫度，精確到5℃以內。H3PO4中的蝕刻坑密度約為2X106 cm -2，含氫氧化物蝕刻劑中的蝕刻坑密度約為6X107 cm-2。

結果和討論

晶體蝕刻工藝中的兩個蝕刻步驟中的第一個用于建立蝕刻深度，并且可以通過幾種常見的處理方法來執(zhí)行。在第一步中，我們使用了幾種不同的處理方法，包括氯基等離子體中的反應離子蝕刻、氫氧化鉀溶液中的PEC蝕刻和劈裂。第二步是通過浸入能夠晶體蝕刻氮化鎵的化學物質來完成的。該蝕刻步驟可以產(chǎn)生光滑的結晶表面，并且可以通過改變第一步驟的取向、化學試劑和溫度來選擇特定的蝕刻平面。

圖1和2所示的蝕刻速率。3–5垂直于生長方向測量，即在“水平”c平面上。對于“垂直”平面，例如1010%平面，該平面的實際蝕刻速率等于測量的蝕刻速率。然而，對于非垂直平面，平面的蝕刻速率實際上小于測量的蝕刻速率。例如，垂直于1012%平面的蝕刻速率是圖4所示的蝕刻速率乘以cos(46°)，因為1012%平面與垂直的1010%平面相交成46度角。

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圖1：氮化鎵c面位錯蝕坑的高分辨率場效應掃描電鏡圖像，通過在10%重量氫氧化鉀中蝕刻產(chǎn)生，溶解在乙二醇中，溫度為165℃。

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圖2：通過濕蝕刻制作的氮化鎵晶體學表面的掃描電鏡圖像

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圖：4.磷酸中氮化鎵蝕刻率的阿倫尼烏斯圖

結論

總之，本文提出了一種強有力的各向異性濕法化學刻蝕技術。已經(jīng)證明蝕刻速率高達3毫米/分鐘。因為蝕刻本質上是結晶的，我們展示了光滑的垂直側壁均方根粗糙度小于FESEM的5納米分辨率。這是所報道的蝕刻氮化鎵側壁的最小粗糙度，表明這種蝕刻對于高反射率激光刻面是有用的。底切能力對于降低雙極晶體管等應用中的電容也很重要。

審核編輯：湯梓紅