淺析GaN的濕法刻蝕研究

1、淺析GaN的濕法刻蝕摘要 通過對GaN材料濕法蝕刻的研究入手，進(jìn)一步對蝕刻技術(shù)做一個概括，回顧不同的濕法蝕刻技術(shù)對比其特點(diǎn)。并從對GaN上進(jìn)行濕法蝕刻的過程中，探究濕法蝕刻的工藝原理和最終效果。針對GaN材料蝕刻方法中光輔助化學(xué)濕法蝕刻與p-GaN材料濕法蝕刻之間的不同進(jìn)行探討和應(yīng)用領(lǐng)域的調(diào)研。關(guān)鍵詞 氮化鎵；濕法蝕刻；光輔助引言GaN材料一般用于制造高功率、高頻率、導(dǎo)熱性良好的電子器件，因?yàn)镚aN材料普遍擁有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、導(dǎo)熱性優(yōu)秀的特點(diǎn)。并且由于GaN材料禁帶寬度較大，可以利用此性能來制作藍(lán)光、綠光和紫外光光電子器件。在對GaN做工藝處理時由于GaN材料的特性，需要使用較

2、為合適的襯底材料輔助，但是很難找到合適的襯底材料。目前實(shí)驗(yàn)室中都使用Al2O3作為襯底材料使用，但是Al2O3材料本身是絕緣的并且解離十分困難。因此在對GaN進(jìn)行濕法蝕刻時，需要同時將GaN材料制作的產(chǎn)品的p型和n型電極放在同一側(cè)，并且需要通過濕法蝕刻的方式將n-GaN材料裸露出來，從而制造一個突破口。所以對GaN材料進(jìn)行濕法蝕刻處理是十分有必要的。由于GaN具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在使用濕法蝕刻進(jìn)行處理時比較困難，因此在傳統(tǒng)工藝中一般都是用干法蝕刻，其主要工藝手段是感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）、反應(yīng)離子束刻蝕（RIE）、電子回旋加速共振（ECR）等離子刻蝕、化學(xué)輔助離子束刻蝕（

3、CAIBE）和磁控反應(yīng)離子刻蝕（MIE）等。但是上述干法蝕刻工藝所使用的設(shè)備都較龐大并且在整個工藝處理過程中花費(fèi)的成本也十分高昂而且這些大型設(shè)備的操作也較為復(fù)雜在某些工藝節(jié)點(diǎn)還需要使用到有毒有害氣體，嚴(yán)重的破壞生產(chǎn)環(huán)境對操作人員的健康有所損害。反觀濕法蝕刻，該工藝所使用的設(shè)備較為簡單，操作也相對便捷，并且使用的原料毒性較小，并且在工藝處理的過程中對原材料的損傷程度很低，是很科學(xué)很便捷的一種工藝處理方法。本文著重探討GaN的濕法蝕刻工藝，尤其是著重于討論GaN材料光輔助濕法蝕刻的機(jī)理、p-GaN材料在濕法蝕刻過程中存在的難點(diǎn)以及濕法蝕刻在整個GaN材料研究領(lǐng)域中所起到的意義和應(yīng)用的范圍。1 Ga

4、N材料濕法蝕刻在元素周期表中，III族氮化物是一類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定不易分解的物質(zhì)，它在室溫下表現(xiàn)十分的穩(wěn)定很難被腐蝕。例如在使用NaOH和KOH時，利用其堿性性質(zhì)并將其加熱后對AIN和InN進(jìn)行刻蝕時就能夠取得非常理想的結(jié)果。但是在對GaN材料進(jìn)行時刻時，Mileham等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)使用酸性溶液進(jìn)行蝕刻GaN是十分困難的甚至在使用加熱酸溶液也很難達(dá)到一個理想的效果。因此在早期的GaN材料處理中一般都是使用加熱堿性溶液進(jìn)行材料的蝕刻和處理1。2 p-GaN材料濕法蝕刻的難點(diǎn)在大量的GaN濕法蝕刻實(shí)驗(yàn)中我們可以發(fā)現(xiàn)n-GaN材料相對于p-GaN材料更容易被刻蝕。在使用電解液進(jìn)行GaN的處理時，當(dāng)電解液接

5、觸GaN后，由于費(fèi)米能級差的區(qū)別，載流子會發(fā)生遷移這就會造成耗盡區(qū)的產(chǎn)生，這就會導(dǎo)致更多地彎曲產(chǎn)生。n-GaN材料與p-GaN材料的費(fèi)米能級是有很大區(qū)別的，并且其所處的能帶位置也不一樣，所以在與電解液接觸時能帶的彎曲也不同。能帶的彎曲，會帶來空穴的產(chǎn)生這就提供了一個勢阱，給電子移動提供了勢壘。這就使得空穴向材料和電解液的接觸面進(jìn)行偏移并且導(dǎo)致GaN材料表面氧化反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)電子向材料內(nèi)部遷移時這就會減少填補(bǔ)空穴的概率，這就又進(jìn)一步提高了反應(yīng)效率。P-GaN材料則恰恰相反，能帶彎曲給空穴提供的是勢壘，給電子提供的勢阱，空穴是很難遷移到表面參與氧化反應(yīng)的，刻蝕效率十分的低下。如上文所述，GaN材料

6、在室溫條件下使用普通的化學(xué)處理方法進(jìn)行蝕刻的效率十分低下，每分鐘的蝕刻量僅能達(dá)到每分鐘幾個納米的級別。同時在使用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行蝕刻時，蝕刻的刻痕還會受到GaN材料晶相的影響，因此傳統(tǒng)工藝方法無法滿足生產(chǎn)和工藝要求，并且操作比較復(fù)雜工藝過程煩瑣，造成利用GaN材料制備器件十分困難2。3 濕法蝕刻在GaN材料性質(zhì)和器件研究中的應(yīng)用在濕法蝕刻的工藝過程中，刻蝕速率在不同刻蝕部位的速率也不同。所以進(jìn)行濕法蝕刻處理后，GaN材料的表面是不平整的。在使用原子力顯微鏡對GaN材料表面進(jìn)行觀察時，能夠觀察到很多小坑的存在，并且這些小坑的密度等級對應(yīng)于GaN材料的位錯密度，因此可以根據(jù)濕法蝕刻工藝處理來探究GaN

7、材料的生長工藝。濕法刻蝕工藝的最大應(yīng)用價值在于可以較簡單的對GaN材料進(jìn)行處理并將其應(yīng)用于器件制作工作中。采用濕法蝕刻的工藝，所使用的工藝設(shè)備較為簡便，工藝操作簡單，成本較低。傳統(tǒng)的蝕刻處理工藝對于材料的表面?zhèn)?yán)重較為嚴(yán)重，但如果采用濕法蝕刻則可以大大緩解這一問題。例如AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管（HFETs），就是利用濕法蝕刻工藝而制作的。4 結(jié)束語傳統(tǒng)蝕刻工藝處理方法的不足，催生了新型的光輔助濕法刻蝕工藝，但是對于GaN材料的處理工藝研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，還有待進(jìn)一步完善和發(fā)展。當(dāng)前的研究重點(diǎn)都集中于在蝕刻用的腐蝕液配方的研究。其關(guān)注的腐蝕液的性能集中于刻蝕速率和最終達(dá)成的刻蝕效果。目前刻蝕工藝處理過GaN材料表面光滑度無法達(dá)到一個理想的水平，這也直接影響到了GaN材料應(yīng)用于器件制造方面的使用范圍。相信，隨著對GaN材料刻蝕工藝的進(jìn)一步深挖和探索，GaN材料刻蝕工藝必將得到更好的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1