《炬丰科技-半导体工艺》GaN 的简单湿法蚀刻
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
我们研究了一种无需接触且利用紫外线增强湿法工艺实现GaN材料处理的技术。该方法通过氧化剂（如过氧化氢）作用于光生电子以减少其数量，并避免与外部阴极电直接接触的需求。实验表明，在特定条件下（包括光照强度、均匀度以及KOH溶液浓度及pH值），腐蚀速率表现出显著差异性变化趋势。采用双重照明策略（仅照射溶液而不照射基底），显著提升了腐蚀速度并实现了更加平滑的表面处理效果。研究结果表明，在这样处理后的n型GaN片上所形成的接触点具有更好的欧姆特性
关键词： GaN、氮化镓、湿蚀刻、UV、PEC、加工、表面
介绍
由GaN与InGaN和AlGaN合金构成的宽带隙半导体材料系统，并具备多种光学与电子器件的应用能力。其光谱范围从1.9eV（InN）延伸至6.2eV（AlN），覆盖了技术上关键的紫外（UV）与可见光谱区域。此外因具有宽禁带间隙且粘结强度高展现出良好的化学稳定性和辐射耐受性。此前并未有半导体材料能满足蓝色、绿色及紫外激光器与发光器件的商业化需求因此这是GaN研究进展的第一个重要关注点现已可实现商业化应用基于GaN的材料已具备适用于微波领域的高功率高频晶体管特性在这一领域调制掺杂场效应晶体管技术正展现出巨大的商业化潜力并已成功应用于发光器件领域。
虽然目前已有部分设备应用实现了或即将进入商业化阶段，但要真正发挥这种材料系统的潜力仍需克服诸多挑战。
实验性
采用多种不同的实验方案对实验过程进行优化与改进
结果和讨论
研究中采用最大强度 HeCd 激光束实现了首次光刻工艺过程（即第一次蚀刻）。溶液呈强碱性（pH=12.2），其中含有浓度约为 0.02M 的 K₂S₂O₈ 溶液。经过约10分钟的处理后，在基板表面成功到达这一位置（即完成首次光刻），这表明其速度至少达每分钟200纳米（即每分钟至少移动2×1e-7米）。这种快速光刻过程导致表面高度不平滑，在每平方厘米区域测量时显示高度不平滑度高达3×1e-7米（即3微米）。图 1 显示了该区域边缘部分的高度分布情况（即显微镜下观察到的情况）。这些显著的高度差与粗糙度阻碍了图像清晰度的获得（即图像模糊）。未被移除的约15nm金 masked层显示分层现象主要出现在边缘区域（即观察到分层现象主要出现在边缘区域）。这些现象在多个晶圆上观察到的情况仍在进一步调查
图 1：采用 1 W/cm² 的功率密度下进行 325 nm 激光照射及 etching 处理的 GaN:Si 的 AFM 图像显示如下：左侧区域为未被蚀刻的部分，并包含一个 15 nm 厚度的Pt掩模层；整体呈现出平均厚度约为2.5毫米的结构。
溶液pH值
在12.7的位置上发生了峰值蚀刻速率现象。然而，在此过程中未提供关于蚀刻质量变化的具体信息。因此，在我们的研究中采用了不同pH值的溶液环境，并对一系列蚀刻参数进行了系统测量和分析。具体而言，在实验过程中我们分别测量了各个条件下的蚀刻速率以及对应的表面粗糙度参数，并通过图3展示了这些数据结果。为了获得这些数据结果，在实验过程中我们采用了扩展波长为325nm的激光照射系统，并配置了浓度为0.05M的K2S2O8溶液以及厚度为150nm的Pt遮光膜结构。实验操作时间为持续20分钟。值得注意的是，在这个过程中激光照射方向并未垂直照射到样品表面（如图2所示），而是在侧面进行照射操作。因此，在这种情况下我们需要通过分析暗区（即已发生腐蚀区域）与亮区（未腐蚀区域）之间的台阶高度差来间接评估整体的腐蚀速率变化情况
蚀刻液pH值
图 3：采用十瓦特每平方厘米密度的 325nm 激光照射蚀刻 GaN:Si 材料时所获得的刻蚀速率与表面粗糙度表示为溶液 pH（KOH 浓度）的函数。激光束从盛有溶液的烧杯侧面穿过。
铂掩模
目前关于Pt掩盖存在的几个尚未解决的问题尚待探讨。观察图1可以看出,其边缘区域多存在明显的层状结构.通过显微镜成像技术(FE-SEM)拍摄的照片显示,图4a中的样本呈现极为厚薄不一的现象,具体表现为一个约15纳米厚的部分发生严重裂解与剥落现象.采用具有更高能量密度的大功率激光器,在同一实验条件下对不同厚度(包括15纳米和150纳米)样品进行等能密度下等时长的能量输入处理.在此情况下,我们发现仅在激光照射所覆盖区域发现了部分样品发生分离现象.值得注意的是,两种样本在蚀刻速率和表面粗糙度方面表现出完全一致的行为.
图4：a) 经过30分钟的蚀刻后形成15nmPt覆盖层的FESEM图像；b) 经过20分钟的蚀刻后形成150nmPt覆盖层的显微镜照片。在这两种情况下均采用10mW/cm² 的325nm激光能量密度照射
欧姆接触
尽管目前该蚀刻技术尚待进一步完善，在第二章中我们已经就其在研究中的应用展开了相关工作。为了实现这一目标，在本章中我们主要聚焦于其在具体参数设置上的优化工作：我们采用了第 2.2 节所述pH系列中的pH=12.13晶片作为实验基础；通过热蒸发法在被腐蚀区与未被腐蚀区分别沉积了铝基触点；这些触点均为未经退火处理状态；随后我们在相邻触点之间完成了电流-电压（IV）曲线测量工作：图6详细展示了各区域内测得的标准曲线；结果显示，在线性化分析下可观察到被腐蚀区域所呈现更高的接触电阻值：这表明被腐蚀表面所具有的粗糙度特性对于接触性能而言具有积极影响而非消极作用
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
这种蚀刻分为两个步骤完成。高于带隙的能量范围内的紫外光照射于GaN晶体中时会激发电子-空穴对生成，并导致表面原子被氧化生成空穴；随后将生成的氧化物用KOH溶液清洗掉；为了确保足够的自由基生成并耗尽光生电子，在此过程中采用了整个K2S2O8溶液的整体照射而非仅限于晶圆片局部区域；适当降低溶液pH值有助于提高处理效果；当处于被限制条件下的氧化物形成阶段时；腐蚀速率对于光照强度的变化极为敏感；最后观察到，在采用特定工艺参数下形成的n型GaN上电接触特性得到了改善