AlN和GaN的刻蚀对比研究

AlN、GaN及其合金因其宽带隙和独特的性能被广泛应用于光电子领域，例如基于AlGaN的紫外线发光二极管(UV-LEDs) ，激光二极管(LD)，AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管(HFETs) 和AlGaN/GaN异质结双极晶体管(HBT)。

在本研究中，我们描述了对高质量氮化铝和氮化镓单晶衬底之间的蚀刻选择性以及两种块体材料的两种极性之间的选择性的研究。确定了每次蚀刻过程后的蚀刻速率、表面形态和表面化学性质。

实验

AlN和GaN晶片的位错密度估计分别小于103 cm2和106 cm2。将这些晶片切成小块，如果需要，在浸入1重量%氢氧化钾水溶液或浓度分别为1重量%和10重量%的氢氧化钾和过氧化氢水溶液的组合之前称重。温度保持在70摄氏度。蚀刻后用去离子水冲洗5分钟，并用N2气体吹干。蚀刻速率由厚度变化直接确定或由重量变化间接确定。至于厚度变化方法，N极或金属极面被电子束蒸发沉积的50纳米钛/10纳米金部分覆盖，作为掩模。蚀刻后，在盐酸热溶液中去除金属掩模，然后使用轮廓仪记录台阶高度。

用X射线光电子能谱(XPS)表征了N极性AlN表面化学，以确定在氢氧化钾和氢氧化钾/过氧化氢溶液中蚀刻后铝、氧和氮的摩尔比和结合。所有光谱都符合Voigt轮廓。利用50eV和20eV的能量分别获得了低分辨率的测量扫描和高分辨率的核心水平光谱。

结果和讨论

氮化铝和氮化镓的刻蚀速率

在70℃的1wt%氢氧化钾溶液中，两种极性的氮化铝和氮化镓衬底的蚀刻速率如表1所示。对于氮化铝，N极表面的蚀刻速率超过1毫米/分钟，对于氮化镓，蚀刻速率超过40纳米/分钟。相反，对于氮化铝和氮化镓，金属极性表面的蚀刻速率仅达到最大2纳米/分钟。这些结果与之前的报告一致，即在熔融的氢氧化钾或磷酸中，氮极性氮化镓或氮化铝的蚀刻速度明显快于相应材料的金属极性表面。两种极性之间的显著选择性是由于{0001}和{ 000–1 }平面之间的键合条件不同。氮化铝单晶衬底上的铝极性表面通常用于制造发光二极管所需的外延，因此氮极性表面和金属极性表面之间的选择性足以去除氮化铝衬底，同时保持金属极性外延层实际上不受损坏。

表1表明，在相同条件下，整体氮化铝蚀刻速率远高于氮化镓。一般来说，氮化铝和氮化镓之间的高蚀刻选择性和第三族氮化物的高氮极性蚀刻速率使得湿法蚀刻成为去除衬底的可能。

图1显示出了在氢氧化钾/过氧化氢溶液中作为蚀刻时间的函数的N极氮化铝的蚀刻深度。很明显，在上述条件下，可以获得可控选择性蚀刻所需的沿晶体刻面的恒定蚀刻速率。

图2示出了从氢氧化钾和氢氧化钾/过氧化氢溶液获得的蚀刻深度与N极性氮化铝和氮化镓的蚀刻时间之间的比较。氮化铝的蚀刻速率越高。

表1 氮化铝和氮化镓单晶衬底的N极和III极表面在氢氧化钾中的湿法腐蚀速率

图1 在70℃氢氧化钾/过氧化氢条件下，N极单晶氮化铝基片的蚀刻深度与蚀刻时间的关系(0–18分钟)

图2 在700C下，AlN(a)和氮化镓(b)氢氧化钾和KOH/h2o2溶液中单晶衬底物的蚀深度与蚀刻时间

刻蚀氮化铝和氮化镓的表面形貌特征

蚀刻表面的表面形态对于理解批量样品中氢氧化钾水溶液的蚀刻行为至关重要。在这项研究中，重要的是要认识到，在观察到的时间段内，金属极性的氮化铝和氮化镓表面对湿法蚀刻实际上是惰性的。图3显示了氢氧化钾/过氧化氢蚀刻前后氮化镓衬底镓极性表面的原子力显微镜图像。蚀刻后，氧化物/氢氧化物凸块的数量增加，双层台阶的定义减少。在氢氧化钾/过氧化氢中蚀刻前后的表面均方根粗糙度分别为0.08纳米和0.27纳米，两者都被认为是原子级平坦的。这表明氢氧化钾溶液不会显著改变镓极性表面的形态。在铝极性氮化铝表面观察到类似的行为(原子力显微镜未显示)。

图3 镓极性氮化镓在氢氧化钾过氧化氢蚀刻30分钟前后的原子力显微镜图像

结论

综上所述，研究了AlN和氮化镓在氢氧化钾水溶液和1wt% KOH/10wt%过氧化氢的溶液中AlN和氮化镓的蚀刻行为。结果发现，在相同条件下，n极AlN表面的蚀刻率高于1mm/min，而铝极表面的蚀刻率低至1.6nm/mim，导致n极表面的极性选择性约为900。在氮化镓中也观察到极性选择性，对n极和ga极表面的蚀刻速率分别达到约40nm/min和1.9nm/min。在蚀刻的初始20min时，蚀刻速率是恒定的和可控的。根据表面化学研究，表面平滑是由于AlN表面的氧化作用更强，从而抑制了{10 1 1}的面化。AlN和氮化镓之间的选择性蚀刻，以及温和条件下的可控蚀刻，可用于器件的基底变薄或去除。