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引言
最近在外延膜的導(dǎo)電率控制和高質(zhì)量塊狀氧化鋅襯底的可用性方面的進(jìn)展重新引起了我們對(duì)用于紫外光發(fā)射器和透明電子器件的氧化鋅/氧化鋅/氧化鋅異質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的興趣。雖然GaN/AlN/InN系統(tǒng)被用于這些相同的應(yīng)用，但氧化鋅有一些特殊的優(yōu)勢(shì)，如在玻璃等廉價(jià)的底物上相對(duì)較低的生長(zhǎng)溫度，以及比氮化鎵大得多的激子結(jié)合能。后者對(duì)于在高溫下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的光發(fā)射非常重要。與氮化鎵相比，氧化鋅系統(tǒng)也有更簡(jiǎn)單的處理，在安全溫度下不能在傳統(tǒng)的酸混合物中濕蝕刻。
如果使用非導(dǎo)電基底，在LED器件形成時(shí)需要濕蝕刻。二元氧化鋅可以在許多常見的酸溶液中蝕刻，包括HNO3/HCl和HF。我們發(fā)現(xiàn)，在Zn0.9Mg0.1O/ZnO系統(tǒng)中，鹽酸在水中的高稀釋因子下，ZnMgO對(duì)氧化鋅的濕蝕刻選擇性可以超過(guò)400。在本文中，我們報(bào)道了使用稀釋的鹽酸和磷酸混合物選擇性蝕刻ZnCdO超過(guò)氧化鋅的成就。
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實(shí)驗(yàn)
在c面藍(lán)寶石基底上對(duì)氧化鋅和ZnCdO單層進(jìn)行MBE生長(zhǎng)。用低溫細(xì)胞蒸發(fā)6n純度的Zn、Cd和Mg。原子氧通量由射頻射頻等離子體源產(chǎn)生。該源的O2流量為2-5標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，根據(jù)鋅通量和正向功率為150w。藍(lán)寶石表面熱清洗后，基底溫度降低至400-600°C。氧化鋅的生長(zhǎng)是通過(guò)同時(shí)打開鋅和原子氧百葉窗來(lái)啟動(dòng)的，以確保隨著生長(zhǎng)的薄膜的鋅的極性。為了減少可變生長(zhǎng)參數(shù)的數(shù)量，TS400°C和Zn/O通量比1.5：1保持不變，僅使用Cd細(xì)胞溫度來(lái)控制生長(zhǎng)過(guò)程中的組成。生長(zhǎng)后，對(duì)樣品進(jìn)行室溫CL測(cè)量，以確定ZnCdO的近班德奇發(fā)射峰的光譜位置。通過(guò)后向散射和校準(zhǔn)的x射線光電子光譜XPS測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了Cd的組成，確定為4.8±0.3%。我們的ZnCdO的實(shí)驗(yàn)帶隙是在25°C下陰極發(fā)光CL的測(cè)量的2.9。通過(guò)CL發(fā)射圖證實(shí)，CdZnO薄膜中沒有相分離。
作為溶液濃度和溫度的函數(shù)，用鹽酸/H2O或磷酸/H2O溶液進(jìn)行濕法蝕刻。光致抗蝕劑掩模用于產(chǎn)生特征，在丙酮中蝕刻后去除掩模后，通過(guò)觸針輪廓術(shù)測(cè)量特征的深度。
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結(jié)果和討論
圖1顯示了在25°C下，HCl/h2o或h3po4/h2o的Zn0.95Cd0.05O蝕刻速率與溶液濃度的函數(shù)。在這組溶液濃度下，獲得了在（< 100nm minmin?1）范圍內(nèi)的可控制的蝕刻速率。注意，我們使用了高的含水的酸稀釋因子，以獲得可控的蝕刻速率。使用純鹽酸或磷酸產(chǎn)生了非常高的速率和廣泛的冒泡在溶液中，導(dǎo)致不均勻，粗糙的表面。
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圖1 不同濃度鹽酸和磷酸溶液稀釋ZnCdO的蝕率
為了確定蝕刻過(guò)程中的速率限制步驟，我們測(cè)量了蝕刻速率在25-75°C范圍內(nèi)作為溶液溫度的函數(shù)。在這里使用的稀混合物中，通常蝕刻速率受到活性蝕刻劑向ZnCdO表面的擴(kuò)散，或可溶性產(chǎn)物的擴(kuò)散的限制，即蝕刻是受擴(kuò)散限制的。其特征包括蝕刻深度與蝕刻時(shí)間的平方根依賴性，活化能 ≤ 6千卡mol?1，以及蝕刻速率對(duì)溶解攪動(dòng)的強(qiáng)烈依賴性。
圖2顯示了兩種溶液在與水的高稀釋系數(shù)下，ZnCdO的蝕刻速率圖。在此條件下，這與擴(kuò)散受限的蝕刻相一致。
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圖2 0.0031M鹽酸和0.0029M磷酸溶液中稀釋后ZnCdO蝕刻速率圖?
在相同的稀釋因子下，在兩種混合物中蝕刻ZnCdO對(duì)氧化鋅的選擇性如圖3所示，在稀酸混合物中，氧化鋅蝕刻速率在30-90nmmin?1的范圍內(nèi)。HCl/h2o在最佳條件下溶液的選擇性超過(guò)50，而對(duì)h3po4/h2o的最大選擇性為。設(shè)備制造方案中的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，在大多數(shù)情況下，至少10個(gè)的選擇性是可取的。
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圖3 室溫下硫化鋅對(duì)氧化鋅的刻蝕選擇性是溶液濃度的函數(shù)
利用選擇性蝕刻配方，當(dāng)選擇性地蝕刻藍(lán)寶石上的氧化鋅層ZnMgO層時(shí)，可以獲得干凈的圖案轉(zhuǎn)移，如圖4的光學(xué)顯微鏡圖像所示，顯示了掃描電子顯微鏡下的ZnCdO層選擇性模式的圖像。
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總結(jié)
硫化鋅可以在鹽酸和磷酸的稀溶液中蝕刻。這些酸與水的高稀釋系數(shù)提供了30–90nm min-1范圍內(nèi)的可控蝕刻速率，對(duì)相同條件下生長(zhǎng)的氧化鋅具有足夠的選擇性。光致抗蝕劑為在這些酸溶液中圖案化ZnCdO提供了穩(wěn)定和方便的掩模。對(duì)于這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的濕法解決方案的可用性簡(jiǎn)化了臺(tái)面型氧化鋅基發(fā)光二極管的加工，并且避免了對(duì)等離子體蝕刻工藝的需要，等離子體蝕刻工藝會(huì)損壞氧化鋅表面。