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摘要
? ? ? 本文利用n型氮化鎵在堿性過氧二硫酸鹽S2O2?8溶液中的電化學(xué)研究，解釋了開路條件下半導(dǎo)體的光刻機(jī)理。觀察到的鉑直接接觸半導(dǎo)體或電接觸的光蝕刻速率的增強(qiáng)主要是光光效應(yīng)。闡明了決定蝕刻動(dòng)力學(xué)和表面形態(tài)的因素。
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介紹
? ? ? 單晶氮化鎵和三元第三族氮化物引起了科學(xué)界的極大興趣，它們優(yōu)越的化學(xué)和物理性能在高性能光電和電子器件中得到了應(yīng)用。蝕刻是器件制造中必不可少的步驟。可以使用干蝕刻技術(shù)；這些包括反應(yīng)離子刻蝕RIE、電子回旋RIE、電感耦合等離子體RIE、磁控管RIE和化學(xué)輔助離子束刻蝕。然而，這些技術(shù)涉及復(fù)雜和昂貴的設(shè)備。此外，干法蝕刻可能導(dǎo)致?lián)p壞的表面和體電子狀態(tài)，這對(duì)光電子器件的性能有害。濕化學(xué)蝕刻提供了一種簡(jiǎn)單而有吸引力的替代方法，?避免了表面損壞的問題。
? ? ? 本文用S2O2-8堿性溶液中n型氮化鎵的電化學(xué)研究結(jié)果作為考慮半導(dǎo)體光刻的基礎(chǔ)。使用了三種方法:I)光陽極蝕刻，其中半導(dǎo)體的電位由電壓源穩(wěn)壓器固定，ii)光電流蝕刻，其中半導(dǎo)體在沒有電壓源的情況下短路到反電極，以及iii)無反電極的無電光刻。在另一篇論文中，我們描述了顯示缺陷和圖案蝕刻或拋光的最佳S2O?2-8/KOH比率的結(jié)果。還考慮了S2O2-8/KOH溶液中缺陷選擇性蝕刻的可靠性。
實(shí)驗(yàn)
? ? ? 電化學(xué)測(cè)量在三電極電池中進(jìn)行，以鉑反電極和飽和甘汞電極作為參考。給出了常設(shè)專家委員會(huì)的潛力。用PSLite控制的恒電位儀PalmSens，PS-PDA1測(cè)量黑暗和光照下的電流-電位曲線。以10 mV/s的恒定掃描速率從負(fù)電勢(shì)到正電勢(shì)記錄曲線。短路實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)兩室電池中進(jìn)行的。為了保持電荷平衡，隔室由多孔玻璃料連接。用由LabVIEW控制的HP 3458A萬用表測(cè)量電流。蝕刻深度用表面輪廓儀測(cè)定。用掃描電子顯微鏡(掃描電鏡)對(duì)表面形貌進(jìn)行了表征。用于電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的光源是450瓦氙燈，電源為Oriel 66924。紫外光通過水過濾器后聚焦在基底上。
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結(jié)果和討論
氮化鎵的光電化學(xué)和化學(xué)光刻
? ? ? 圖1曲線a顯示了在黑暗中記錄的0.02 M KOH溶液中n型GaN的電流密度-電勢(shì)圖。觀察到二極管特性。莫特-肖特基測(cè)量顯示，平帶電勢(shì)UFB位于1.4v.27在正電勢(shì)1.0 V下，對(duì)應(yīng)于表面的多數(shù)載流子耗盡，沒有觀察到電流。
? ? ? 圖1曲線c顯示了在黑暗中記錄的0.02M KOH/0.02M S2O2-8溶液中n型氮化鎵的電流密度-電位圖。同樣，在正電勢(shì)下沒有觀察到電流。雖然陰極反應(yīng)的開始發(fā)生在氫氧化鉀溶液中約1.0 V，但我們看到在加入S2O?2-8后，開始轉(zhuǎn)移到0.8 V。在該電位下，S2O2-8被CB電子還原，形成硫酸根離子和過硫酸根自由基反應(yīng)1.更正的起始電位表明S2O2-8的還原比O2在GaN上的還原更有利。從1.2到1.7 V，電流密度與電勢(shì)無關(guān)，由S2O2-8濃度和系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)決定。當(dāng)電位低于1.7 V時(shí)，水分減少變得重要。
? ? ? 圖1曲線d顯示陰極電流密度不受光照影響。陽極范圍內(nèi)的電流低于曲線b中觀察到的電流。這是由溶液中S2O2-8離子吸收高能光子引起的。吸收在300納米以下的波長(zhǎng)變得顯著，在218納米達(dá)到峰值。圖1顯示，在S2O2-8溶液中，存在一個(gè)發(fā)生陽極溶解和陰極還原的共同電位范圍。這表明非金屬化氮化鎵薄膜的開路光刻在原理上是可能的。在光照下，氮化鎵電極在氫氧化鉀/S2O2-8溶液中的開路電位UOC下，光陽極溶解速率等于陰極還原速率。圖1，曲線d，顯示UOC位于0.9 V進(jìn)行比較，UOC在KOH溶液中的值為1.0 V。無電光刻的蝕刻速率受動(dòng)力學(xué)控制，即 由界面上的電子和空穴動(dòng)力學(xué)控制，如圖2所示。3表示n型電極。
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圖1
氮化鎵的光電刻蝕
? ? ? 圖2的曲線a。圖4顯示了用0.02 M氫氧化鉀溶液在兩個(gè)隔室中未攪拌時(shí)記錄的電流-時(shí)間圖。氮化鎵電極的面積約為0.09平方厘米.黑暗中看不到電流。在照明時(shí)，電流瞬間增加，隨后衰減到大約0.1毫安的穩(wěn)態(tài)值。電流由氧向鉑表面的質(zhì)量傳輸決定，并可通過攪拌或增加鉑反電極的面積來增強(qiáng).11當(dāng)0.02MS2O2-?8加入反電極的隔室中時(shí)，光電流增加超過5倍。4、曲線b。在這種情況下，當(dāng)S2O2-8被添加到氮化鎵電極的隔室中時(shí)，這是觀察不到的，電流由于S2O2-8的光吸收而減小。電流的增強(qiáng)是光電效應(yīng)，蝕刻速率由陽極和陰極過程的速率決定。
? ? ??如圖2所示。5建議通過適當(dāng)選擇實(shí)驗(yàn)條件，可以控制GaN表面光潔度；光強(qiáng)、OH和s2O2-8濃度、氮化鎵/鉑表面積比和流體動(dòng)力學(xué)決定了短路電位，從而決定了蝕刻模式。我們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)，一些結(jié)果顯示在圖。6.實(shí)驗(yàn)是在氮化鎵∶鉑表面積比為1∶8的單室光電電池中進(jìn)行的.圖6a顯示了圖案化氮化鎵表面的掃描電子顯微鏡圖像，該表面在0.004毫摩爾氫氧化鉀/0.02毫摩爾S2O2-8的未蝕刻溶液中蝕刻20分鐘。獲得了一個(gè)光滑的表面，其表面粗糙度與所接收的樣品相當(dāng)(見插圖)。蝕刻速率低至3納米/分鐘，并受OH-離子p-OH的質(zhì)量傳輸控制，即 “拋光”條件。在擴(kuò)散控制下，可以通過攪拌或增加氫氧化鉀濃度來提高蝕刻速率。
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結(jié)論
? ? ? 用電化學(xué)方法研究了S2O2- 8對(duì)n型氮化鎵在氫氧化鉀溶液中光刻的影響。加入S2O 2-8后，由于溶液吸收了高能光子，光陽極溶解速率降低。加入S2O2-8后，陰極反應(yīng)開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎娢?。因此，開路光刻是可能的。
? ? ? 在負(fù)電勢(shì)下，S2O2-8被還原并形成SO4自由基。通過電致發(fā)光測(cè)量，我們表明自由基向VB中注入空穴。通過使用一個(gè)兩室電池，我們發(fā)現(xiàn)與貴金屬短路的氮化鎵可以作為光電流電池。蝕刻后的表面光潔度對(duì)實(shí)驗(yàn)條件非常敏感:濃度、表面積比、光強(qiáng)和質(zhì)量傳輸。
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