引言

AlN、GaN及其合金因其寬帶隙和獨(dú)特的性能被廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域，例如基于AlGaN的紫外線發(fā)光二極管(UV-LEDs) ，激光二極管(LD)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFETs) 和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。

在本研究中，我們描述了對(duì)高質(zhì)量氮化鋁和氮化鎵單晶襯底之間的蝕刻選擇性以及兩種塊體材料的兩種極性之間的選擇性的研究。確定了每次蝕刻過(guò)程后的蝕刻速率、表面形態(tài)和表面化學(xué)性質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)

AlN和GaN晶片的位錯(cuò)密度估計(jì)分別小于103 cm2和106 cm2。將這些晶片切成小塊，如果需要，在浸入1重量%氫氧化鉀水溶液或濃度分別為1重量%和10重量%的氫氧化鉀和過(guò)氧化氫水溶液的組合之前稱重。溫度保持在70攝氏度。蝕刻后用去離子水沖洗5分鐘，并用N2氣體吹干。蝕刻速率由厚度變化直接確定或由重量變化間接確定。至于厚度變化方法，N極或金屬極面被電子束蒸發(fā)沉積的50納米鈦/10納米金部分覆蓋，作為掩模。蝕刻后，在鹽酸熱溶液中去除金屬掩模，然后使用輪廓儀記錄臺(tái)階高度。

用X射線光電子能譜(XPS)表征了N極性AlN表面化學(xué)，以確定在氫氧化鉀和氫氧化鉀/過(guò)氧化氫溶液中蝕刻后鋁、氧和氮的摩爾比和結(jié)合。所有光譜都符合Voigt輪廓。利用50eV和20eV的能量分別獲得了低分辨率的測(cè)量掃描和高分辨率的核心水平光譜。

結(jié)果和討論

氮化鋁和氮化鎵的刻蝕速率

在70℃的1wt%氫氧化鉀溶液中，兩種極性的氮化鋁和氮化鎵襯底的蝕刻速率如表1所示。對(duì)于氮化鋁，N極表面的蝕刻速率超過(guò)1毫米/分鐘，對(duì)于氮化鎵，蝕刻速率超過(guò)40納米/分鐘。相反，對(duì)于氮化鋁和氮化鎵，金屬極性表面的蝕刻速率僅達(dá)到最大2納米/分鐘。這些結(jié)果與之前的報(bào)告一致，即在熔融的氫氧化鉀或磷酸中，氮極性氮化鎵或氮化鋁的蝕刻速度明顯快于相應(yīng)材料的金屬極性表面。兩種極性之間的顯著選擇性是由于{0001}和{ 000–1 }平面之間的鍵合條件不同。氮化鋁單晶襯底上的鋁極性表面通常用于制造發(fā)光二極管所需的外延，因此氮極性表面和金屬極性表面之間的選擇性足以去除氮化鋁襯底，同時(shí)保持金屬極性外延層實(shí)際上不受損壞。

表1表明，在相同條件下，整體氮化鋁蝕刻速率遠(yuǎn)高于氮化鎵。一般來(lái)說(shuō)，氮化鋁和氮化鎵之間的高蝕刻選擇性和第三族氮化物的高氮極性蝕刻速率使得濕法蝕刻成為去除襯底的可能。

圖1顯示出了在氫氧化鉀/過(guò)氧化氫溶液中作為蝕刻時(shí)間的函數(shù)的N極氮化鋁的蝕刻深度。很明顯，在上述條件下，可以獲得可控選擇性蝕刻所需的沿晶體刻面的恒定蝕刻速率。

圖2示出了從氫氧化鉀和氫氧化鉀/過(guò)氧化氫溶液獲得的蝕刻深度與N極性氮化鋁和氮化鎵的蝕刻時(shí)間之間的比較。氮化鋁的蝕刻速率越高。

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結(jié)論

綜上所述，研究了AlN和氮化鎵在氫氧化鉀水溶液和1wt% KOH/10wt%過(guò)氧化氫的溶液中AlN和氮化鎵的蝕刻行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，n極AlN表面的蝕刻率高于1mm/min，而鋁極表面的蝕刻率低至1.6nm/mim，導(dǎo)致n極表面的極性選擇性約為900。在氮化鎵中也觀察到極性選擇性，對(duì)n極和ga極表面的蝕刻速率分別達(dá)到約40nm/min和1.9nm/min。在蝕刻的初始20min時(shí)，蝕刻速率是恒定的和可控的。根據(jù)表面化學(xué)研究，表面平滑是由于AlN表面的氧化作用更強(qiáng)，從而抑制了{(lán)10 1 1}的面化。AlN和氮化鎵之間的選擇性蝕刻，以及溫和條件下的可控蝕刻，可用于器件的基底變薄或去除。

審核編輯：符乾江