氮化物半導體GaN的光輔助濕法腐蝕

1、第19卷第9期半導體學報V o l . 19, N o . 91998年9月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Sep . , 1998氮化物半導體GaN 的光輔助濕法腐蝕章蓓黃其煜周大勇戴倫張國義(北京大學物理系和介觀物理國家重點實驗室北京100871 3摘要本工作報道了一種光輔助濕法腐蝕半導體氮化物GaN 的新方法. 這一腐蝕技術(shù)具有簡單, 易控制和低損傷等優(yōu)點. 采用200分的W 汞燈輻照和N aOH 溶液腐蝕可得到幾百納米腐蝕速率. 研究了影響腐蝕速率的因素并討論了腐蝕機制.PACC :8160C , 7340M , 7240; EE

2、ACC :2520D , 2550E , 2530N1引言族氮化物半導體正日益受到人們的重視. 因為它們和它們所組成的三元合金體系的能隙覆蓋了從大部分可見光波段一直到紫外波段, 在光電子器件尤其是在藍光、紫外光等短波長的發(fā)光和探測器件, 以及高溫微電子器件等方面具有誘人的應(yīng)用前景.器件的制備離不開圖形化和刻蝕, 而濕法腐蝕是廣泛采用的方法之一, 一般而言它具有工藝簡單、低損傷、高腐蝕速率等優(yōu)點. 但是, 由于GaN 具有極好的化學穩(wěn)定性, 室溫下采用普通化學腐蝕方法難以奏效, 給GaN 基半導體器件研制帶來了困難. 迄今為止尚未見到在室溫下用普通濕法腐蝕GaN 成功的報道15.光輔助濕法腐蝕是

3、利用能量大于半導體禁帶寬度的光束照射浸入腐蝕液的樣品, 實現(xiàn)對材料的光電化學腐蝕, 是濕法化學腐蝕方法的一個補充. Khare 6等人報道了利用激光輔助濕法腐蝕GaA s 的結(jié)果. 最近, 不同的研究小組提出利用激光輔助或增強的GaN 刻蝕方法7, 8. 如M in sky 7等人利用H e 2Cd 激光輻照進行GaN 的濕法腐蝕, 但他們得到的結(jié)果并不理想, 腐蝕不均勻, 與激光束的模式有關(guān), 而且光斑直徑太小, 難以滿足GaN 各種器件研制的需要. 而Kelly 8利用激光刻蝕GaN , 只能形成光柵結(jié)構(gòu). 由于汞燈能發(fā)射出光子能量大于GaN 禁帶寬度的很強的紫外線, 因此我們提出了采用汞

4、燈輻照進行GaN 濕法腐蝕的設(shè)想. 本文報道了我們采用普通汞燈為光源進行室溫光輔助濕法腐蝕GaN 獲得成功并進行腐蝕規(guī)律研究的初步結(jié)果 .3國家自然科學基金資助項目, 19774008, 69687007章蓓女, 1939年出生, 教授, 主要從事半導體物理、光電子和介觀物理方面的研究工作黃其煜男, 1975年出生, 北京大學物理系97年畢業(yè)生周大勇男, 1973年出生, 北京大學物理系97年畢業(yè)生1997207223收到, 1997211203定稿 2實驗和結(jié)果實驗中利用GCQ 200型200W 高亮度球形汞燈光源, 經(jīng)由石英透鏡聚焦后成為輻照光源, 用石英燒杯盛放腐蝕液, 實驗中分別采用1

5、10的HC l 溶液和10%的N aO H 溶液. 用銦在GaN 樣品表面形成良好的歐姆接觸, 這是得到理想腐蝕效果的關(guān)鍵. 樣品浸入腐蝕液中, 從樣品上引出一根導線, 與一浸入腐蝕液的石墨電極之間串入一微安表, 用以監(jiān)測光照時腐蝕反應(yīng)的短路光電流.實驗所用的兩種樣品均為在(0001 藍寶石襯底上用金屬有機物化學氣相淀積(M O CVD 技術(shù)生長的n 型GaN 外延薄膜. 一種為非故意摻雜的GaN (載流子濃度為1017 3183c m , 另一種為Si 摻雜的GaN (載流子濃度為10 c m . 腐蝕時輻照在樣品上的光功率密度用紫外光功率密度計(U V I . 樣品的腐蝕深度N T EN

6、S IT Y M ET ER 2M OD EL 1000 測定用D EKTA K II 表面輪廓儀測量.實驗表明, 采用110的HC l 溶液和10%的N aO H 腐蝕液, 用汞燈輻照均可成功地實現(xiàn)對GaN 腐蝕, 但在相同的條件下, 采用N aO H 可得到比HC l 腐蝕液高達30倍的腐蝕速率. 本文以下以N aO H 為腐蝕液, 研究汞燈輻照GaN 濕法腐蝕的規(guī)律. 包括腐蝕深度與時間、腐蝕速率與樣品載流子濃度和輻照功率密度的關(guān)系以及腐蝕過程中的短路光電流變化等.2. 1腐蝕深度與時間的關(guān)系維持照射光功率密度為400mW c m -2, 對Si 摻雜的GaN 樣品上不同的部位選擇不同的

7、時間進行光照腐蝕, 時間間隔為2分鐘, 作出腐蝕深度與腐蝕時間的關(guān)-系曲線. 如圖1所示, 說明腐蝕深度與時間呈很好的線圖1光照功率密度為400mW c m時, Si GaN 樣品的腐蝕深度性關(guān)系, 腐蝕是勻速的 .與腐蝕時間關(guān)系圖2. 2腐蝕速率與樣品濃度的關(guān)系2相同條件下, 載流子濃度高的GaN 樣品腐蝕速率較高.2. 3腐蝕速率與光功率密度關(guān)系利用一對石英透鏡可調(diào)節(jié)汞燈光源的照射功率密度, 隨會聚光斑大小的不同, 輻照光功22率密度可在很大范圍如313mW c m 至900mW c m 之間調(diào)節(jié). Si 摻雜的GaN 樣品在不同光照功率密度下的腐蝕速率如圖2所示. 由圖可見, 腐蝕速率隨

8、照射光功率密度基本呈線性關(guān)系. 圖中實線是線性擬合直線. 增大功率密度, 可得到高達600nm . m in 的腐蝕速率實驗證明, 在黑暗的環(huán)境中, 即沒有光線照射到樣品上的情況下, 腐蝕8小時后, 未觀察到任何腐蝕現(xiàn)象;圖2Si GaN 樣品的腐蝕速率與光功率密度關(guān)系圖在自然光及H e 2N e 激光照射的情況下, 腐蝕1小時后也未觀察到任何腐蝕跡象. 這說明, 在我們的實驗中汞燈的紫外光照及其一定的光照功率是進行腐蝕的必要條 件和決定因素, 我們可根據(jù)需要方便地在較大范圍內(nèi)通過光照功率來控制和調(diào)整腐蝕速率.2. 4腐蝕短路光電流在相同的光照功率密度下, 光電流與光照面積呈正比. 另外, 對

9、于兩種樣品我們都發(fā)現(xiàn), 當樣品薄到一定程度后短路光電流隨腐蝕時間出現(xiàn)規(guī)律性的變化, 如圖3所示. 圖中的實心點代表實驗數(shù)據(jù), 實線為擬合曲線. 結(jié)果表明, 腐蝕過程中光電流隨時間呈指數(shù)下降的趨勢. 當GaN 外延層腐蝕反應(yīng)完成時, 電流趨于一穩(wěn)定值. 由此可見, 光電流是監(jiān)測腐蝕進程的一個直觀的依據(jù).3討論光輔助濕法腐蝕過程實質(zhì)上是光照下的電化學過程. n 型半導體GaN 浸入腐蝕液后, 在表面處形成肖特基勢壘, 當能量大于禁帶寬度的光子照射在半導體表面時,會激發(fā)產(chǎn)生光生電子2空穴對. 由于空間電荷區(qū)的自建電場方向由GaN 表面指向溶液, 阻礙光生電子與溶液的反應(yīng). 光生空穴向GaN 表面聚集

10、, 在氧化GaN 表面并使之溶解的過程中消耗掉. 因此, 如果光照時用導線通過歐姆接觸將樣品與溶液的石墨電極相連, 就會形成短路光電流, 把積聚的電子導至石墨電極表面與溶液不斷地進行還原反應(yīng), 推動腐蝕反應(yīng)持續(xù)進行.光生電子2空穴對是由大于半導體禁帶寬度的入射光所激發(fā)的, 所以只有大于半導體禁帶寬度的光照才可能發(fā)生腐蝕現(xiàn)象. 同時, 光生電子2空穴對的產(chǎn)生數(shù)目依賴于入射光的光功率密度, 對于一定的光功率密度, GaN 表面處電子2空穴對的產(chǎn)生率是一樣的, 這就決定了腐蝕速率是均勻的. 而光功率密度增加, 電子2空穴對的產(chǎn)生率也增加, 必然加快腐蝕的速率. 這些都已得到了實驗的證實.我們對腐蝕過

11、程中間出現(xiàn)短路光電流隨時間呈指數(shù)下降的變化規(guī)律的分析如下:設(shè)入射光為單色光, 單位時間內(nèi)在半導體表面處的光子流密度為J 0, 對光吸收系數(shù)為的半導體, 進入半導體內(nèi)部x 處的光子流密度為-J (x =J 0e生率G =x 圖3典型的n 型GaN 樣品的腐蝕過程中間出現(xiàn)的短路光電流與時間關(guān)系圖-d J . 若設(shè)每個光子產(chǎn)生一對電子空穴, 則產(chǎn)d x 應(yīng)代表單位時間單位體積內(nèi)吸收的光子數(shù)J e 00d -x d x =J 0(1-e -d 大于樣品厚度d , 隨著腐蝕時間t 增其中d 為GaN 的膜厚. 如果假設(shè)光的透入深度(1 加, 樣品厚度d 不斷減小. 設(shè)d 0為GaN 外延膜初始厚度, v

12、 為腐蝕速率, 則有d =d 0-v t .G =J 01-e -(d 0-v t 上式表明, 隨腐蝕深度的增加, G 隨t 呈指數(shù)減小. 而光電流直接與產(chǎn)生的電子空穴有關(guān), 其大小應(yīng)正比于產(chǎn)生率G 8, 則光電流必然隨腐蝕時間呈指數(shù)衰減, 與實驗結(jié)果一致.綜上所述, 我們成功地發(fā)展了一種GaN 的光輔助濕法腐蝕技術(shù), 可得到很高的腐蝕速率. 與激光輻照相比, 它更具有裝置簡單、價格便宜、操作方便, 腐蝕面積大、高效可控等優(yōu) 點; 與干法腐蝕相比, 避免了離子損傷, 可得到光滑的腐蝕表面, 因此這是一種具有實用價值、值得推廣的一種GaN 濕法腐蝕方法. 我們已把這一方法應(yīng)用于制備GaN 器件包

13、括光學微腔器件, 并取得很好效果, 將在另文中詳述. 值得一提的是, 本工作完成之后, 發(fā)現(xiàn)有人采用類似的方法9也得到成效.參考文獻1T . Y . Sheng , Z . Q . Yu and G . J . Co llins , A pp l . Phys . L ett . , 1988, 52:576.2T . Pauleau , J . E lectrochem . Soc . , 1982, 129:1045.3Q . X . Guo , O . Kato and A . Yo sh ida , J . E lectrochem . Soc . , 1992, 139:2008.4

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16、t Etch i ng of Sem iconductor N itr ide GaNZhang B ei , H uang Q iyu , Zhou D ayong , D ai L un , Zhang Guoyi(D ep art m ent of P hy sics , P ek ing U niversity , &S tate K ey L abora tory of M esoscop ic P hy sics , B eij ing 100871R eceived 23July 1997, revised m anuscri p t received 3N ovem b

17、er 1997Abstract A new m ethod of ligh t 2assisted w et etch ing of sem iconducto r n itride GaN has been successfu lly dem on strated . T h is etch ing techn ique has advan tages of si m p licity , easy600nm to be con tro lled as w ell as s m all dam age . T he etch ing rate of GaN as h igh as 200m in