氮化镓的晶体学湿式化学蚀刻

光增强电化学（PEC）湿蚀刻也被证明用于氮化镓。PEC蚀刻具有设备成本相对较低、表面损伤较低的优点，但尚未找到一种生产光滑的垂直侧壁的方法。氮化镓的裂切面也有报道，在蓝宝石基质上生长的氮化镓的均方粒根粗糙度在16nm之间，在尖晶石基质上生长的氮化镓的均方根粒度在11和0.3nm之间。

虽然已经发现基于氢氧化钾的溶液可以蚀刻氮化铝和氮化铟锡，但之前还没有发现能够蚀刻高质量氮化镓的酸或碱溶液.在这篇文章中，我们使用乙二醇代替水作为氢氧化钾和氢氧化钠的溶剂，因此我们能够使用90℃至180℃的温度。通过这样做，我们开发了一种两步工艺，将晶体表面蚀刻成ⅲ族氮化物。我们的样品是用金属有机化学气相沉积法在c面蓝宝石上生长的2mm厚的n型GaN外延层。

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，并且可以通过几种常见的处理方法来执行。在第一步中，我们使用了几种不同的处理方法，包括氯基等离子体中的反应离子蚀刻、氢氧化钾溶液中的PEC蚀刻。第二步是通过浸入能够晶体蚀刻氮化镓的化学物质来完成的。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取向、化学试剂和温度来选择特定的蚀刻平面。表一总结了本工作中使用的所有化学品的蚀刻速率和晶面。该表中列出的蚀刻平面是蚀刻过程中出现的平面。因为c面$0001%对所有这些化学物质都是不可渗透的，除了在出现腐蚀坑的缺陷位置，它也是一个腐蚀面，腐蚀速率可以忽略不计。

表1 各种化学物质的蚀刻速率和观察到的蚀刻平面

有趣的是，在相同温度下，溶解在乙二醇中的氢氧化钾的蚀刻速率高于熔融氢氧化钾的蚀刻速率。事实上，蚀刻速率作为浓度的函数在乙二醇中40重量% KOH的值处达到峰值，如图1所示。我们认为这是由于蚀刻产物在乙二醇中的高溶解度。图2显示了在劈开之后已经被晶体蚀刻的氮化镓外延层的几个示例。图2a和2b显示在磷酸132°C处蚀刻的样品。

因为c面不受本研究中使用的所有化学物质的影响，所以晶体蚀刻步骤不需要蚀刻掩模，c面本身就充当掩模。然而，如果使用长蚀刻时间，蚀刻掩模可能是必要的，以防止在缺陷位置形成蚀刻坑。为此，我们在900℃退火30 s后成功地使用了钛掩模。

图1 氮化镓c面位错蚀坑的高分辨率场效应扫描电镜图像，通过在10%重量氢氧化钾中蚀刻产生，溶解在乙二醇中，温度为165℃

图2 湿法刻蚀氮化镓晶体表面的扫描电镜图像

总之，提出了一种强有力的各向异性湿法化学刻蚀技术。因为蚀刻本质上是结晶的，我们展示了光滑的垂直侧壁均方根粗糙度小于FESEM的5纳米分辨率。这是所报道的蚀刻氮化镓侧壁的最小粗糙度，表明这种蚀刻对于高反射率激光刻面是有用的。底切能力对于降低双极晶体管等应用中的电容也很重要。