通过紫外线辅助光蚀刻技术实现的湿式蚀刻

引言

我们使用K2S2O8作为氧化剂来表征基于KOH的紫外(UV)光辅助湿法蚀刻技术。该解决方案提供了良好控制的蚀刻速率，并产生了光滑的高质量蚀刻表面，同时通过原子力显微镜测量的表面粗糙度降低最小。暴露于紫外线辐射时溶液酸碱度的变化被认为是获得光滑蚀刻表面和可控蚀刻速率的关键:除非采取措施将酸碱度保持在12.0以上，否则蚀刻速率会急剧下降，这与蚀刻表面的总体粗糙化相一致。制造高质量台面隔离的AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管证明了本技术的适用性。此外，此处呈现的蚀刻特征对碳掺杂层具有高选择性，这将被证明在制造AlGaN/GaN异质结构双极晶体管中是有用的。

介绍

 AlGaN/GaN材料系统是制造功率异质结构场效应晶体管(HFETs)和最近的异质结构双极晶体管(HBTs)的许多工作的焦点。由于氮化镓固有的化学稳定性，涉及(铝，镓)氮的器件制造工艺通常依赖于干法蚀刻方法1，已知干法蚀刻方法1会损坏表面，并在ⅲ-ⅴ族化合物的蚀刻表面和台面侧壁上引入电荷俘获中心。2例如，(铝， 直到最近，镓氮材料一直阻碍着在AlGaN/GaN HFETs背景下的凹陷栅极工艺的发展，因为除非使用非常低的等离子体电压，否则反应离子蚀刻损伤会降低栅极击穿电压。3最近的工作表明，GaN甚至可能比GaAs对离子损伤更敏感，2湿法蚀刻仍然是栅极凹陷的一个非常有吸引力的选择，因为可以很好地控制蚀刻速率，并且在含氢干化学中缺乏潜在的载流子钝化效应。 化学选择性湿法刻蚀技术的可用性也将证明对这些器件的发展非常有用，该技术能够在AlGaN/GaN异质结晶体管中的薄p型GaN基极层上停止刻蚀，而不会在发射极层引入复合中心。在这封信中，我们报道并描述了一种基于氢氧化钾/K2S2O8的紫外(UV)光辅助湿法刻蚀技术，该技术可以产生光滑的刻蚀表面，并展示了它在台面隔离AlGaN/GaN hfet制造中的应用。

实验

在国家微结构科学研究委员会研究所，对生长在蓝宝石衬底上的高质量分子束外延氮化镓外延层进行了蚀刻实验。我们的蚀刻技术依赖于pH=12.56的氢氧化钾溶液，向该溶液中加入0.02 M K2S2O8:用磁力搅拌器剧烈搅拌该溶液，并在在国家微结构科学研究委员会研究所，对生长在蓝宝石衬底上的高质量分子束外延氮化镓外延层进行了蚀刻实验。我们的蚀刻技术依赖于pH=12.56的氢氧化钾溶液，向该溶液中加入0.02 M K2S2O8:用磁力搅拌器剧烈搅拌该溶液，并在波长h=365纳米。掩模材料是电子束蒸发的铂(150埃)，通过传统的光刻和剥离形成图案，与使用1000埃的铂或二氧化硅6在这种情况下不需要诸如N2起泡6的特殊规定。蚀刻是在室温下完成的，除了由于紫外光源引起的适度温度升高之外，没有加热，正如所看到的那样。蚀刻后，通过在100℃H2O:盐酸:硝酸(8:7:1)中浸泡3分钟，可轻松去除铂掩模，而不会损坏样品表面。

图1 未掺杂体氮化镓的蚀刻深度与时间的关系

图2 酸碱度和溶液温度随时间的变化。酸碱度的下降是由暴露在紫外线辐射下引起的

图1和图2的结果表明，如果用这种方法去除厚层，则需要不断补充蚀刻溶液(或以规则的间隔完全更换)，以补偿酸碱度漂移。去除800–1000埃后，对所得氮化镓表面的原子力显微镜测量显示，均方根粗糙度为62埃，仅比53埃的原始均方根表面粗糙度略有增加。迄今为止，这种平滑且控制良好的蚀刻特性尚未通过非接触式湿法蚀刻得到证明。相比之下，Youtsey等人的方法4需要将样品物理连接到带有镍垫圈的外部电化学电池，并产生15的蚀刻表面均方根粗糙度。

发现当到达掺碳氮化镓缓冲层时，台面蚀刻突然终止，因此当使用掺碳缓冲层时，提供了方便的自终止台面蚀刻。一旦蚀刻在掺碳氮化镓上终止，如果样品留在溶液中进行明显的过蚀刻(但仍小于100)，最初光滑的表面粗糙度会增加:长时间过蚀刻期间粗糙化的原因可能与生长在蓝宝石衬底上的氮化镓外延层中存在的高密度外延缺陷有关。在实践中发现，通过仅蚀刻比AlGaN顶部势垒略深的部分(对于175 AlGan顶部势垒，蚀刻深度为200 °)就可以实现出色的台面隔离。

总结

总之，我们开发并表征了一种简单的紫外光辅助湿法刻蚀工艺，该工艺可以产生光滑的刻蚀表面，并且成本低，易于控制非常适合台面隔离且应该证明对栅极凹陷工艺有用的可标记蚀刻速率。选择性是在掺碳氮化镓的基础上实现的，这一特性可能会在Npn AlGaN/GaN异质结双极晶体管的制造中得到最有用的应用。发现溶液的酸碱度随着紫外线照射而下降，其控制被发现是蚀刻表面粗糙度的决定性参数。