书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：GaN 的简单湿法蚀刻

编号：JFKJ-21-459

作者：炬丰科技

摘要

  我们讨论了对 GaN 的非接触式紫外线增强湿法蚀刻技术的研究。该技术利用氧化剂过硫酸钾来消耗光生电子，从而避免了与外部阴极电接触的需要。蚀刻速率很大程度上取决于光照强度和均匀性以及 KOH 溶液的 pH 值，蚀刻表面的粗糙度也是如此。双照明方案的实施，即使用额外的 UVC 灯仅照亮溶液而不是晶片，从而提高了蚀刻速率和更光滑的蚀刻表面。最后，发现沉积在以这种方式蚀刻的 n 型 GaN 上的触点的欧姆性质与未蚀刻表面上的触点相比有所改善。

关键词： GaN、氮化镓、湿蚀刻、UV、PEC、加工、表面

介绍

  GaN 及其与 InGaN 和 AlGaN 的合金形成宽带隙半导体材料系统，具有众多光学和电子器件应用。波长范围从 1.9eV (InN) 到 6.2eV (AlN)，涵盖技术上重要的紫外 (UV) 和可见光谱范围。此外，由于宽带隙和高粘合强度，该材料具有高耐化学性和耐辐射性。由于之前没有半导体材料能够满足对蓝色、绿色和紫外线激光器和发光器件的商业需求，这是 GaN 研究和进展的第一个直接关注点，现在这些都可以商用。由于具有高击穿场和大的预测电子饱和速度，基于 GaN 的材料也适用于微波应用的高功率、高频晶体管。在这一领域，使用调制掺杂场效应晶体管的商业潜力即将实现。已成功用于发光器件的光谱范围也被用于紫外和可见光谱中的检测器。

尽管一些设备应用已经或即将实现商业化，但要充分发挥这种材料系统的潜力，仍然存在许多障碍。

实验性

  在实验过程中使用了几种不同的实验方案。在搅拌的 KOH/K2S2O8 溶液中照射具有 Pt 掩模图案（Pt 厚度为 15、50 或 150nm）的晶片。KOH 摩尔浓度的调节用于改变溶液的 pH 值。各种光源被单独或组合使用。使用 HeCd 激光器，在 325nm 处具有 1W/cm2 或 10mW/cm2 的强度。后者是通过使用由凹凸透镜组合（伽利略原理）组成的扩束器实现的。还使用了 253.7nm 低压汞蒸气放电灯（带有抛物面反射器以产生平行输出），在实验中使用的距离处具有 1.1mW/cm2 的强度。

结果和讨论

   研究中实现的第一次蚀刻是使用全强度 1W/cm2 的 HeCd 激光束。溶液 pH 值为 12.2，含有 0.02M K2S2O8。将样品蚀刻 10 分钟，发现蚀刻到基板上，表明蚀刻速率至少为 200 纳米/分钟。这种快速蚀刻导致蚀刻表面极其粗糙，在 100mm2 面积上测量时，RMS 粗糙度超过 300nm。图 1 显示了蚀刻边界的 30mm x 30mm 图像。大的蚀刻高度和粗糙度意味着无法获得清晰的图像。15nm 厚的 Pt 掩膜没有被移除，可以看到掩膜在边缘附近似乎正在分层。许多晶圆都发生了这种情况，原因仍在调查中。

图 1：使用 1W/cm2 的 325nm 激光照射蚀刻的 GaN:Si 的 AFM 图像。图像左侧是未蚀刻区域，包括 15nm Pt 掩模。灰度为 2.5mm。

溶液pH值

  峰值蚀刻速率出现在 12.7 处。然而，没有给出关于蚀刻质量变化的信息。因此，我们的研究包括在不同 pH 值的溶液中进行一系列蚀刻，测量蚀刻速率和蚀刻表面粗糙度。图 3 绘制了这些测量的结果。对于该系列，使用了扩展的 325nm 激光束和 0.05M 的 K2S2O8 摩尔浓度，以及 150nm 的 Pt 掩模厚度。蚀刻时间为20分钟。不幸的是，照明是通过烧杯的侧面，导致蚀刻图案如图 2 所示。因此，必须通过测量暗（蚀刻）和亮（非蚀刻）区域之间的台阶高度来估计蚀刻速率。

蚀刻液pH值

图 3：使用 10mW/cm2 的 325nm 激光照射蚀刻的 GaN:Si 的蚀刻速率和粗糙度，作为溶液 pH（KOH 浓度）的函数。光通过盛有溶液的烧杯侧面入射。

铂掩模

关于 Pt 掩模有几个尚未解决的问题。从图 1 中可以明显看出，掩模的边缘经常出现分层。图 4a 中的 FE-SEM 图像是 15 纳米厚的掩模开裂和剥落的极端例子。在另一个实验中，使用扩展的 325nm 激光束在相同条件下蚀刻具有不同 Pt 掩模厚度的两块。在那种情况下，15nm 掩模似乎没有受到影响，但是在第二块上发生了剥离，掩模厚度为 150nm。图 4b 给出了这种显微镜图像。受影响的区域仅限于蚀刻过程中光罩被照亮的地方。值得注意的是，两种掩模厚度的蚀刻速率或蚀刻表面粗糙度没有差异。

 

图 4：a) 蚀刻 30 分钟后 15nm Pt 掩模的 FESEM 图像。b) 蚀刻 20 分钟后 150nm Pt 掩模的显微镜图像。在这两种情况下，都使用了 10mW/cm2 的 325nm 激光照明。

欧姆接触

  尽管蚀刻技术尚未完善，但已对蚀刻表面的欧姆接触的性质进行了初步研究。使用了来自第 2.2 小节中描述的 pH 系列的 pH=12.13 晶片。通过热蒸发在蚀刻和未蚀刻区域上沉积铝触点。触点未退火。在每个区域的相邻触点之间进行 IV 测量。每个区域的典型曲线如图 6 所示。从线性可以看出，蚀刻区域的接触电阻更大。显然，蚀刻表面的粗糙度对接触的性质是有益的而不是有害的。

图 6：沉积在 GaN:Si 蚀刻和未蚀刻区域上的相邻 Al 触点之间的 IV 特性。

概括

  这种蚀刻是一个两步过程。带隙以上的紫外光在 GaN 中产生电子-空穴对，这导致光生空穴氧化表面原子。然后将氧化物溶解在 KOH 溶液中。发现通过从氧化物形成限制状态向氧化物溶解限制状态移动来实现更平滑的蚀刻。这需要整个 K2S2O8 溶液的照明（而不是晶片上的局部照明）以产生足够的*基来消耗光生电子。通过降低溶液的 pH 值也可以获得更平滑的蚀刻。在氧化物形成受限的情况下，照明方法至关重要。蚀刻速率对光强度极其敏感，因此对晶片表面照明的均匀性极其敏感。最后，发现沉积在以这种方式蚀刻的 n 型 GaN 上的触点的欧姆性质与未蚀刻表面上的触点相比有所改善。