GaN晶体后处理及应用研究进展

GaN，作为第三代半导体材料的典型代表，是一种理想的基底材料，用于制造蓝光激光器、射频微波器件和电力电子器件。材料的应用离不开后处理。尽管湿刻和热退火不是必需的步骤，但它们对GaN晶体具有很大的研究价值。这篇综述系统地回顾了湿刻在GaN晶体应用中的重要性，不仅能表征位错并研究晶体缺陷，而且还能快速去除损伤层，提高研磨和抛光效率，实现平滑无损伤的表面，从而提高GaN基器件的性能。在对GaN晶体进行热退火后，表面质量将得到改善，应力松弛将发生，光电性能将显著提高。最后，简要描述了湿刻和热退火在GaN晶体上的挑战和机遇，并指出了其发展前景。

除了在LED、紫外探测器等领域的应用外，GaN晶体在激光器、5G通信、智能电网等领域也有着广泛的应用前景。GaN晶体具有宽的带隙、高电子迁移率、优良的导热性和高热稳定性等优点，这些优点使得GaN晶体成为制造高效、高功率、高温电子器件和光电器件的重要材料之一。在激光器领域，GaN晶体可以用于制造蓝光、绿光和紫外光激光器，这些激光器在医疗、材料加工、光谱分析等领域都有广泛的应用。在5G通信领域，GaN晶体的高电子迁移率和优良的导热性使其成为制造高功率、高速的电子器件的重要材料之一，这些电子器件可以用于实现高效率的信号传输和处理。在智能电网领域，GaN晶体的高耐压、大电流和高温稳定性使其成为制造电力电子器件的重要材料之一，这些电力电子器件可以用于实现智能电网的高效管理和控制。

GaN晶体表面的缺陷对GaN基器件的性能有很大的影响。大多数导致肖特基整流器漏电的主要原因是GaN中的位错漏电通道。通过选择性地改变材料的表面特性，大大减少反向漏电电流。此外，由于GaN具有大的带隙，难以与低阻金属形成欧姆接触，这会导致能源损失并使设备产生过多的热量，从而降低其可靠性。酸碱溶液处理、改进退火工艺和表面处理工艺是目前研究肖特基接触和欧姆接触的重点。

GaN晶体的应用离不开材料的后处理过程，如切割、退火、刻蚀、研磨、抛光、清洗和封装。尽管湿刻和热退火不是必需的步骤，但对GaN晶体具有很大的研究价值。早期对GaN晶体的湿刻进行了研究。湿刻主要分为传统湿刻和光学增强湿刻，具有设备简单、操作方便、毒性低、材料损伤小等优点。因此，研究人员在这方面进行了大量的探索。早期对GaN退火的研究主要集中在p型GaN。2006年，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在Si（l11）基板上成功制备了Mg掺杂的GaN薄膜。经过快速热退火后发现，p型GaN薄膜的表面形貌和晶体质量可以得到显著改善，薄膜中的残余应力和位错也减少。随着GaN晶体相关技术的发展，越来越多的研究人员对GaN进行退火处理，研究其晶体质量和某些性能的变化。

GaN单晶衬底片的制备过程包括晶体生长、晶体切片、研磨和抛光。使用多线切割机将GaN晶体切割成薄片后，首先用金刚石对晶锭进行研磨，以去除切片过程中引入的损伤层，然后修正晶圆厚度，再进行研磨和化学机械抛光（CMP）。

在研磨过程中，使用金刚石研磨轮对切割后的GaN晶片进行粗磨，以去除表面损伤层和加工硬化层。粗磨后，进行细磨和抛光，以进一步改善表面粗糙度和去除微划痕。在化学机械抛光（CMP）过程中，使用研磨液和化学试剂对表面进行化学腐蚀和机械研磨，以实现表面平坦化和微观轮廓的优化。最后进行清洗和干燥，以去除表面污染物和水分，得到表面质量良好的GaN单晶衬底片。

表面损伤可能导致外延层表面缺陷，从而也会缩短GaN基器件的使用寿命。因此，经过处理的GaN表面应该是超光滑的，没有划痕和损伤层。由于电化学腐蚀可以有效去除裂纹和损伤层，大大缩短CMP所需的时间，去除凸起，使表面光滑，获得光滑的GaN表面，光化学腐蚀（PECE）和电化学腐蚀（ECE）方法可以有效地辅助CMP过程。

首先使用电化学腐蚀方法去除研磨引起的损伤层，然后使用CMP方法使表面变得平坦和光滑。在用氢氧化钠溶液作为电解质腐蚀GaN以去除任何损伤后，进行CMP处理，表面粗糙度从69.8纳米减少到0.64纳米，从而实现了高效无损伤的GaN加工。图2a是电化学腐蚀增强CMP工艺的高效无损抛光GaN（0001）的示意图。后来，该研究团队从载流子行为（图2c）和机械去除（图2d）方面研究了去除机制。从载流子的行为可以理解为，电场可以改变GaN极性表面上多余载流子的分布。经过电化学腐蚀后，多余的载流子积聚在表面并不会自发恢复（图2b）。作为复合中心，位错和损伤层会捕获自由的多余载流子，导致局部低蚀速率。在低载流子密度下，可以通过化学腐蚀过程去除材料。在简单的机械去除中，电化学腐蚀后会在GaN表面的垂直方向上形成纳米通道层。与未蚀刻的GaN表面相比，预蚀刻表面上的纳米通道层的硬度相对较低，因此在机械抛光过程中更容易去除。

Dong等人开发了一种新方法，称为光化学机械抛光（PECMP）。将PECMP与光化学蚀刻相结合可以有效地去除表面损伤层，然后进行研磨抛光以获得光滑表面。在135分钟内，表面粗糙度Ra从1.04纳米降至0.067纳米。CL光谱也表明，PECMP方法可以去除划痕和表面损伤层。27，28因此，电化学蚀刻与化学机械抛光相结合是一种具有高材料去除率和良好表面完整性的处理技术。

退火是晶体材料研究中的一种重要方法。它可以通过缺陷的重新分布来提高外延层薄膜的晶体质量。因此，它可以用于非自然变形结晶的恢复或再结晶。然而，GaN的热退火效果仍然不确定，因为它在很大程度上取决于晶体的质量和晶体内部的缺陷。因此，需要系统深入的研究来提高热退火工艺获得GaN晶体的质量。佐尔珀的研究表明，对于非故意掺杂的GaN样品，在Ar2或N2气氛下，在750-1100°C进行热退火处理后，样品的表面粗糙度可以得到改善，PL图上带边与深能级之间的发射比增加，表明材料中的杂质可以被有效抑制，并且晶体质量得到改善。科尔等人发现，随着退火温度的升高，材料的缺陷密度降低，晶体质量提高：当退火温度从600°C增加到800°C时，近表面区域的缺陷密度减少了61%。这些研究表明，热退火可以有效地改善GaN的晶体质量和缺陷状况，为GaN材料的研究和应用提供了有益的参考。

本文综述了湿法腐蚀在GaN晶体中的重要性。目前，湿法腐蚀是一种低成本且有效的研究位错密度和位错类型的方法。然而，最佳腐蚀条件取决于许多因素，例如所使用的晶体生长技术和晶片质量。最佳腐蚀条件并不适合所有GaN样品，不同GaN晶体最佳腐蚀条件略有不同。此外，湿法腐蚀具有加快抛光过程、去除干法腐蚀损伤以及提高LED的外量子效率等优点。已经证明这种方法可以应用于GaN基器件的实际制造过程，因此现在生产了越来越多的与腐蚀相关的设备。

此外，我们还总结了热退火处理后GaN晶体的某些性能，并表明该处理不仅可以提高表面质量，还可以减少应力，同时显著提高光电性能。因此，越来越多的研究人员正在使用这种方法来控制GaN晶体的某些性能。然而，GaN的热退火效果在很大程度上取决于晶体的质量和内部的缺陷，这也与厚度有关。因此，仍需进一步研究以提高通过热退火工艺获得的GaN晶体的质量。