光电化学蚀刻可用于制造氮化镓中高纵横比深沟槽

日本SCIOCS有限公司和法政大学曾报导了在氮化镓（GaN）中利用光电化学（PEC）蚀刻深层高纵横比沟槽的进展［Fumimasa Horikiri et  al， Appl． Phys． Express， vol11， p091001， 2018］。 该团队希望该技术能够在高场中能够利用GaN的高击穿场和高电子迁移速度为电力电子技术开辟新的器件结构。

具有p型和n型材料列的“超结”结构是需要通过深度蚀刻技术来实现的。当这种结构结合到横向场效应晶体管中时，击穿电压能够达到10kV以上。这种超结漂移区和其他深蚀刻结构也会对垂直器件有益。对于激光二极管，晶片切割应用和微机电系统（MEMS）的脊形制造，同样需要高质量的快速蚀刻速率工艺。目前， PEC已经应用于台面，栅极凹陷和垂直腔面发射激光器（VCSEL）制造工艺上。

一般情况下，我们通过干等离子体蚀刻（如电感耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP－RIE））来实现材料表面的深度蚀刻。 但这将进一步引起在GaN和掩模材料之间低干蚀刻选择性的问题。 高质量的蚀刻技术往往很慢，从而缩小了深层结构的范围。

研究人员通过空隙辅助分离蓝宝石中的n型氢化物气相外延（HVPE）材料制备了2英寸自支撑GaN衬底（Mike Cooke， Semiconductor Today， p80， June／July  2018］ － a technique developed by SCIOCS）。此时晶片的位错密度在2×10 6cm－2至5×10 6cm－2的范围内。

通过金属 － 有机气相外延法使二极管层生长 ，形成5．8μmn－GaN肖特基势垒二极管、2μmn＋型GaN、10μmn－型GaN，500nm p－型GaN和20nm p ＋ 型GaN p－n二极管。 将p－n二极管材料在850℃，氮气氛围中退火30分钟以活化p型层中的镁受体。 退火的效果是驱除钝化受体的氢原子。

图1：PEC蚀刻流程

用于PEC蚀刻的掩模材料（图1）是钛。 PEC蚀刻通过“光辅助阳极氧化”实现蚀刻GaN。 该工艺过程中，GaN释放Ga3 ＋，其正电荷来自GaN ／电解质阳极界面处的紫外（UV）光产生的空穴。 通过在GaN晶片的背面上的欧姆接触和作为阴极的铂反电极之间建立的PEC的电路去除电子。 蚀刻电位为1V； 紫外线辐射由汞 － 氙灯提供，垂直入射9．0mW ／ cm2。 辐射和蚀刻电位以脉冲模式操作，电位为0．6占空比。

电解质中的氢氧根离子，其与Ga3 ＋反应，形成Ga2O3。其中电解质溶液中的0．01M氢氧化钠和1％Triton X－100作为润湿剂，以降低表面张力并有助于除泡。

这种PEC刻蚀工艺实现了24．9nm ／分钟的平滑表面速率，与无损伤干法蚀刻技术效果基本相同。如果将PEC速率提高到175．5nm ／分钟，则会导致表面粗糙，这类高速PEC可用于晶圆切割。

如果我们选择用由90μm直径圆点组成的50nm厚的钛掩模，通过PEC蚀刻至20μm的深度，那么选择性将大于400（20μm／ 50nm）， 侧蚀小于1μm。

在沟槽蚀刻的实验中，达到的深度是由电流密度控制的，而不是沿GaN晶格的m轴或a轴的掩模取向。 短宽度孔径掩模的沟槽蚀刻速率在约30μm深度处减慢。 研究人员认为，这是由于紫外线辐射难以到达沟槽底部的蚀刻前沿。 他们补充说，相干的紫外光源可能有助于深沟槽蚀刻。

图2：PEC刻蚀深度与沟槽纵横比之间的关系。

实线，虚线和虚线对应于基于PEC与沟槽宽度的纵横比的估计，其包括在两个壁中的0．7μm量级的侧蚀。 填充符号显示实验结果。

由图2可以看出实现的最大沟槽纵横比为7．3（3．3μm宽度和24．3μm深度）。 该团队说：“这种纵横比和蚀刻深度与ICP－RIE制造的SiC沟槽的最佳结果相当，表明PEC刻蚀的优势不仅在于光学和电子器件的制造，而且在于制造GaN－MEMS，如晶圆，隔膜，微流体通道和光栅的通孔。”