氮化镓的晶体学湿式化学蚀刻法

引言

目前，大多数III族氮化物的加工都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和难以获得激光器所需的光滑蚀刻侧壁。干法蚀刻产生的侧壁典型均方根(rms)粗糙度约为50纳米，虽然已经发现KOH基溶液可以蚀刻AlN和InAlN，但是之前还没有发现能够蚀刻高质量GaN的酸或碱溶液。在本文中，英思特通过使用乙二醇而不是水作为KOH和NaOH的溶剂，开发了一种将晶体表面蚀刻为III族氮化物的两步法。

实验与讨论

我们通过在160℃以上的H3PO4、180℃以上的熔融KOH、以及135℃以上溶解在乙二醇中的KOH中进行蚀刻，形成了具有对应于各种GaN晶面的刻面的蚀坑。从各种不同的角度观察到所有的六边形蚀刻坑共用一个共同的基底，即^11方向，但是与c平面相交。这是因为这些面实际上是由两个或多个竞争的蚀刻平面产生的（如图1所示）。在H3PO4中，蚀坑密度约为2×106cm-2，在含氢氧化物的蚀刻剂中，蚀坑密度约为6×107cm-2。

图1：GaN的c平面中位错蚀坑的高分辨率场效应SEM图像

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，并且它可以通过几种常见的处理方法来执行。对于我们的第一步，我们使用了几种不同的处理方法，包括在氯基等离子体中的反应离子蚀刻，在KOH溶液中的PEC蚀刻。第二步是通过浸入能够晶体蚀刻GaN的化学物质中来完成的。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方向、化学试剂和温度来选择特定的蚀刻平面。

图2所示的蚀刻速率是垂直于生长方向测量的，即在“水平”c平面上。对于“垂直”平面，如{10-10}平面，该平面的实际蚀刻速率等于测得的蚀刻速率。然而，对于非垂直平面，该平面的蚀刻速率实际上小于测量的蚀刻速率。

图2：KOH和溶解在乙二醇中的30% KOH中GaN蚀刻速率

有趣的是，在相同的温度下，溶解在乙二醇中的KOH的蚀刻速率高于摩尔数为10的KOH的蚀刻速率。事实上，作为浓度函数的蚀刻速率在乙二醇中KOH的值处达到峰值。我们相信这是由于蚀刻产物在乙二醇中的高溶解度导致的。

结论

由于本研究中使用的所有化学物质都不能透过c平面，所以晶体蚀刻步骤不需要蚀刻掩模，c平面本身就可以充当掩模。然而，如果使用长蚀刻时间，蚀刻掩模可能是必要的，以防止在缺陷位置出现蚀刻坑。因此，我们已经成功地使用了在900℃退火30秒后的钛掩模。

英思特提出了一种强有力的各向异性湿法化学蚀刻技术。因为蚀刻本质上是结晶学的，实验发现这种蚀刻对于高反射率激光器腔面是有用的，底切能力对于降低双极晶体管等应用中的电容也很重要。