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引言

半導(dǎo)體材料的光電化學(xué)在微電子技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。特別是集成電路技術(shù)中使用的許多工藝都是基于電化學(xué)原理。原位照明允許有效控制半導(dǎo)體與液體接觸時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)，在這種情況下指的是光電化學(xué)蝕刻。

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實(shí)驗(yàn)

眾所周知，在氫氧化鉀溶液中對(duì)n-GaN進(jìn)行PEC蝕刻可以去除高質(zhì)量的材料，并留下代表螺紋位錯(cuò)的晶須或納米線。

圖1顯示從PEC蝕刻的氮化鎵尾聲層拍攝的SEM圖像顯示了納米線在左下角前的分布，在右上角后它們被機(jī)械斷裂，sbd顯示了納米線堆之間的缺陷。PEC刻蝕氮化鎵層的形貌，在蝕刻表面上觀察到直徑約為50納米的納米線堆[參見(jiàn)圖1中圖像的左下方區(qū)域1(a)]。實(shí)際上，GaN晶須的形成及其沿表面的分布在很大程度上受電解液組成、紫外激發(fā)功率密度和攪拌條件的影響。

根據(jù)先前的研究，通過(guò)PEC蝕刻形成的位錯(cuò)是由氮化鎵中的穿透位錯(cuò)的負(fù)電荷引起的，因此不能參與蝕刻過(guò)程。另一種解釋是，位錯(cuò)代表電位降低的區(qū)域，光生空穴被排斥并被限制在周?chē)鷧^(qū)域，刺激它們的溶解。除了位錯(cuò)之外，生長(zhǎng)樣品表面的缺陷被證明是耐光電化學(xué)侵蝕的。這種缺陷在PEC蝕刻過(guò)程中仍然存在，看起來(lái)像被納米疊層包圍的橋電線，見(jiàn)圖1(b)。

我們的實(shí)驗(yàn)證明了對(duì)PEC的高抗性，對(duì)氮化鎵層機(jī)械處理產(chǎn)生的任何表面缺陷進(jìn)行蝕刻。特別是兩個(gè)木針被用來(lái)沿著氮化鎵表面亂涂亂畫(huà)，其中一個(gè)的末端顯示出三重分裂。令人驚訝的是，針在樣品表面留下的缺陷軌跡被證明是增強(qiáng)了對(duì)PEC蝕刻的抵抗力[圖2(a)]。我們還使用金剛石微刻錄機(jī)在氮化鎵外延層表面繪制相交的直線。不出所料，繪制的路徑抗PEC溶解，而樣品的其他區(qū)域顯示明顯的蝕刻[圖2(b)]。

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圖2

圖2 在通過(guò)木針在原始表面上產(chǎn)生缺陷軌跡之后，從光電化學(xué)蝕刻的氮化鎵外延層獲得的掃描電鏡圖像(a)或使用鉆石顯微鏡(b)。表面缺陷保護(hù)氮化鎵免于PEC溶解的能力可以用于氮化鎵微結(jié)構(gòu)的目的。眾所周知，固態(tài)材料中的表面缺陷可以通過(guò)聚焦離子束以高空間分辨率產(chǎn)生。為了證明使用表面缺陷作為光刻掩模的可能性，GaN的選定區(qū)域用2-keV-Ar+離子輻照各層。

圖3在用氬離子束處理選定區(qū)域之后?從經(jīng)受PEC蝕刻的氮化鎵層獲得的掃描電鏡圖像由于少數(shù)載流子的橫向差異，在掩模下發(fā)生部分蝕刻，掩模是受損區(qū)域。為了將SEM圖像中的底切可視化為中間結(jié)構(gòu)的明亮外圍區(qū)域，參見(jiàn)圖3(a)。即使在強(qiáng)烈攪拌條件下長(zhǎng)時(shí)間蝕刻后，也可以觀察到底切的痕跡，見(jiàn)圖3(b)。注意，圖3(b)中所示的中間結(jié)構(gòu)的側(cè)面是被源于固有位錯(cuò)的條紋覆蓋到氮化鎵外延層。我們相信，氮化鎵外延層晶體質(zhì)量的進(jìn)一步提高將使人們能夠使用所考慮的方法來(lái)制造高質(zhì)量的氮化鎵中間結(jié)構(gòu)。

因此，穿透位錯(cuò)和含有人工引入的主體缺陷的氮化鎵外延層區(qū)域都具有顯著的抗等離子體化學(xué)腐蝕特性。這種能力似乎是由純邊緣和混合字符穿透位錯(cuò)固有的負(fù)電荷以及氮化鎵中最重要的點(diǎn)缺陷(如鎵空位)引起的。

GaN的反應(yīng)離子刻蝕增加了表面能帶彎曲，這種效應(yīng)歸因于深受主的形成。人們可以假設(shè)，通過(guò)機(jī)械手段或使用離子束處理產(chǎn)生的深層受體捕獲電子，并因此形成負(fù)電荷屏蔽，保護(hù)材料免受PEC溶解。結(jié)果表明，表面電荷可以作為氮化鎵PEC加工的有效光刻掩膜。

? ? ? 總之，通過(guò)機(jī)械方法或使用氬離子束在氮化鎵表面產(chǎn)生的主缺陷導(dǎo)致形成一層捕獲的負(fù)表面電荷，屏蔽材料免受光電化學(xué)腐蝕。表面電荷可以被設(shè)計(jì)和用作光刻掩模，用于成本有效地制造氮化鎵中間結(jié)構(gòu)。