在氮化镓和AlGaN上的湿式数字蚀刻

引言

由于其独特的材料特性，III族氮化物半导体广泛应用于电力、高频电子和固态照明等领域。加热的四甲基氢氧化铵(TMAH)和KOH3处理的取向相关蚀刻已经被用于去除III族氮化物材料中干法蚀刻引起的损伤，并缩小垂直结构。

不幸的是，由于化学蚀刻过程中的微加工，很难对直径小于50纳米的垂直纳米结构进行这些处理。因此，在常规蚀刻工艺之后精细控制和收缩垂直纳米结构的蚀刻技术仍然是必要的。

在这项工作中，英思特进一步研究了用于锐化GaN垂直的湿化学DE工艺，并将其应用扩展到AlGaN尖端和c平面AlGaN蚀刻中。这种技术可以精细地缩小GaN垂直锥形尖端，而不会降低侧壁，这在一些具有密集垂直纳米结构阵列的应用中是有益的。

实验与讨论

本研究中研究的湿法数字蚀刻(DE)技术由每个周期四个步骤组成，如图1所示。GaN或AlGaN表面首先被H2SO4和30% H2O2的混合物氧化，然后在去离子水中漂洗。然后通过稀释的HCl和另一次去离子水漂洗去除氧化层。

图1：不同薄膜的外延结构

图2：垂直尖端收缩实验(结构A和C)中使用的工艺流程

由于H2O2随着时间分解，我们为了保持稳定的蚀刻速率，H2SO4和H2O2的混合物会在每三个DE循环后更新。因此，以下实验结果中拟合的蚀刻速率都是基于3个完整DE循环后的蚀刻深度。

DE首先用于锐化通过等离子体干法蚀刻形成的垂直GaN和AlGaN纳米锥，以获得尖端半径小于10nm的III族氮化物垂直尖端。工艺流程如图2所示。尖端宽度从30nm到70nm变化的GaN (A)和AlGaN (C1和C2)的垂直尖端，通过以30-40nm厚的Ni作为硬掩模，基于Cl2/BCl3的电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)形成。

图3：氮化镓尖端的倾斜扫描电镜图像

在干法蚀刻之后和在通过10分钟蚀刻去除Ni硬掩模之后，通过扫描电子显微镜(SEM)检查尖端宽度(如图3)。在蚀刻之后，在GaN垂直尖端侧壁的形态上没有观察到明显的变化。实验结果表明，基于湿法的DE适用于垂直结构缩放和横向器件制造。蚀刻速率稳定且可重复，且AlGaN (0001)表面粗糙度在至少18次DE循环后不会降低。

然而，DE在平面蚀刻和垂直蚀刻中表现不同。在尖端收缩实验中，AlGaN尖端具有高Al比的AlGaN比GaN尖端收缩得更快，而高Al比的AlGaN沿c轴的蚀刻速率比低Al比的AlGaN慢。

结论

英思特在GaN和AlGaN材料上演示了湿化学数字蚀刻，通过等离子体干法刻蚀形成的垂直GaN和AlGaN纳米锥可以利用这种技术变得尖锐。我们通过湿法DE技术展示了一种简单的方法，即在没有任何真空或等离子体系统的情况下进行纳米水平和良好控制的蚀刻。

III族氮化物垂直纳米结构可以通过这种技术缩小，并用于改善垂直器件的性能，包括III族氮化物垂直SAGFEAs16。(0001) AlGaN的表面在多次DE循环后没有退化，这也表明当制造III族氮化物横向器件时，这种技术对于无等离子体栅极凹陷或相关工艺可能是有益的。与基于等离子体的蚀刻技术相比，使用这种类型的数字蚀刻有望使III族氮化物器件具有更小的蚀刻损伤。