一种强有力的各向异性湿法化学刻蚀技术

摘要

我们展示了在c平面蓝宝石上使用磷酸、熔融氢氧化钾、氢氧化钾和乙二醇中的氢氧化钠生长的纤锌岩氮化镓的良好控制结晶蚀刻，蚀刻速率高达3.2mm/min。晶体学氮化镓蚀刻平面为0001%，1010%，1011%，1012%和1013%。用场效应扫描电子显微镜观察垂直的1010%平面看起来非常光滑。活化能为21千卡/摩尔，表明反应速率有限的蚀刻。

介绍

目前对第三族氮化物的大多数处理是通过干法等离子体蚀刻完成的，干法蚀刻有几个缺点，包括产生离子诱导损伤3和难以获得激光所需的光滑蚀刻侧壁。典型的均方根均方根。干法蚀刻产生的侧壁粗糙度约为50纳米，尽管最近有报道称均方根粗糙度低至4–6纳米。光电增强电化学PEC。湿法刻蚀也被证明可以刻蚀氮化镓GaN。还报道了氮化镓的解理面，生长在蓝宝石衬底11上的氮化镓的均方根粗糙度在16纳米和生长在尖晶石衬底上的氮化镓的均方根粗糙度在0.3纳米之间变化。

在本文中，我们使用乙二醇代替水作为氢氧化钾和氢氧化钠的溶剂，因此我们能够使用90℃至180℃的温度。这些温度超过了水的沸点，比以前参考文献中使用的温度高得多。通过这样做，我们开发了一种两步工艺，将晶体表面蚀刻成ⅲ族氮化物。

实验

熔融的KOH和热磷酸H3PO4，已经显示出在GaN的c面中的缺陷位置蚀刻凹坑。报道了凹坑的刻面对应于GaN的$ 3032%面。我们观察到通过在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中蚀刻，形成了具有对应于各种GaN晶面的刻面的蚀刻凹坑。所有六边形蚀刻坑共享一个公共基底，即112 0方向，但与c平面相交的角度多种多样。这是因为这些面实际上是由两个或多个相互竞争的蚀刻平面产生的，这在高分辨率场效应扫描电子显微镜中可以看到FESEM图中的图像1。使用热电偶监控蚀刻剂温度，精确到5℃以内。H3PO4中的蚀刻坑密度约为2X106 cm -2，含氢氧化物蚀刻剂中的蚀刻坑密度约为6X107 cm-2。

结果和讨论

晶体蚀刻工艺中的两个蚀刻步骤中的第一个用于建立蚀刻深度，并且可以通过几种常见的处理方法来执行。在第一步中，我们使用了几种不同的处理方法，包括氯基等离子体中的反应离子蚀刻、氢氧化钾溶液中的PEC蚀刻和劈裂。第二步是通过浸入能够晶体蚀刻氮化镓的化学物质来完成的。该蚀刻步骤可以产生光滑的结晶表面，并且可以通过改变第一步骤的取向、化学试剂和温度来选择特定的蚀刻平面。

图1和2所示的蚀刻速率。3–5垂直于生长方向测量，即在“水平”c平面上。对于“垂直”平面，例如1010%平面，该平面的实际蚀刻速率等于测量的蚀刻速率。然而，对于非垂直平面，平面的蚀刻速率实际上小于测量的蚀刻速率。例如，垂直于1012%平面的蚀刻速率是图4所示的蚀刻速率乘以cos(46°)，因为1012%平面与垂直的1010%平面相交成46度角。

 

 

图1：氮化镓c面位错蚀坑的高分辨率场效应扫描电镜图像，通过在10%重量氢氧化钾中蚀刻产生，溶解在乙二醇中，温度为165℃。

 

 

图2：通过湿蚀刻制作的氮化镓晶体学表面的扫描电镜图像

 

 

图：4.磷酸中氮化镓蚀刻率的阿伦尼乌斯图

结论

总之，本文提出了一种强有力的各向异性湿法化学刻蚀技术。已经证明蚀刻速率高达3毫米/分钟。因为蚀刻本质上是结晶的，我们展示了光滑的垂直侧壁均方根粗糙度小于FESEM的5纳米分辨率。这是所报道的蚀刻氮化镓侧壁的最小粗糙度，表明这种蚀刻对于高反射率激光刻面是有用的。底切能力对于降低双极晶体管等应用中的电容也很重要。

审核编辑：汤梓红