光電化學蝕刻可用于制造氮化鎵中高縱橫比深溝槽

日本SCIOCS有限公司和法政大學曾報導了在氮化鎵（GaN）中利用光電化學（PEC）蝕刻深層高縱橫比溝槽的進展［Fumimasa Horikiri et  al， Appl． Phys． Express， vol11， p091001， 2018］。 該團隊希望該技術能夠在高場中能夠利用GaN的高擊穿場和高電子遷移速度為電力電子技術開辟新的器件結構。

具有p型和n型材料列的“超結”結構是需要通過深度蝕刻技術來實現的。當這種結構結合到橫向場效應晶體管中時，擊穿電壓能夠達到10kV以上。這種超結漂移區和其他深蝕刻結構也會對垂直器件有益。對于激光二極管，晶片切割應用和微機電系統（MEMS）的脊形制造，同樣需要高質量的快速蝕刻速率工藝。目前， PEC已經應用于臺面，柵極凹陷和垂直腔面發射激光器（VCSEL）制造工藝上。

一般情況下，我們通過干等離子體蝕刻（如電感耦合等離子體反應離子蝕刻（ICP－RIE））來實現材料表面的深度蝕刻。 但這將進一步引起在GaN和掩模材料之間低干蝕刻選擇性的問題。 高質量的蝕刻技術往往很慢，從而縮小了深層結構的范圍。

研究人員通過空隙輔助分離藍寶石中的n型氫化物氣相外延（HVPE）材料制備了2英寸自支撐GaN襯底（Mike Cooke， Semiconductor Today， p80， June／July  2018］ － a technique developed by SCIOCS）。此時晶片的位錯密度在2×10 6cm－2至5×10 6cm－2的范圍內。

通過金屬 － 有機氣相外延法使二極管層生長 ，形成5．8μmn－GaN肖特基勢壘二極管、2μmn＋型GaN、10μmn－型GaN，500nm p－型GaN和20nm p ＋ 型GaN p－n二極管。 將p－n二極管材料在850℃，氮氣氛圍中退火30分鐘以活化p型層中的鎂受體。 退火的效果是驅除鈍化受體的氫原子。

圖1：PEC蝕刻流程

用于PEC蝕刻的掩模材料（圖1）是鈦。 PEC蝕刻通過“光輔助陽極氧化”實現蝕刻GaN。 該工藝過程中，GaN釋放Ga3 ＋，其正電荷來自GaN ／電解質陽極界面處的紫外（UV）光產生的空穴。 通過在GaN晶片的背面上的歐姆接觸和作為陰極的鉑反電極之間建立的PEC的電路去除電子。 蝕刻電位為1V； 紫外線輻射由汞 － 氙燈提供，垂直入射9．0mW ／ cm2。 輻射和蝕刻電位以脈沖模式操作，電位為0．6占空比。

電解質中的氫氧根離子，其與Ga3 ＋反應，形成Ga2O3。其中電解質溶液中的0．01M氫氧化鈉和1％Triton X－100作為潤濕劑，以降低表面張力并有助于除泡。

這種PEC刻蝕工藝實現了24．9nm ／分鐘的平滑表面速率，與無損傷干法蝕刻技術效果基本相同。如果將PEC速率提高到175．5nm ／分鐘，則會導致表面粗糙，這類高速PEC可用于晶圓切割。

如果我們選擇用由90μm直徑圓點組成的50nm厚的鈦掩模，通過PEC蝕刻至20μm的深度，那么選擇性將大于400（20μm／ 50nm）， 側蝕小于1μm。

在溝槽蝕刻的實驗中，達到的深度是由電流密度控制的，而不是沿GaN晶格的m軸或a軸的掩模取向。 短寬度孔徑掩模的溝槽蝕刻速率在約30μm深度處減慢。 研究人員認為，這是由于紫外線輻射難以到達溝槽底部的蝕刻前沿。 他們補充說，相干的紫外光源可能有助于深溝槽蝕刻。

圖2：PEC刻蝕深度與溝槽縱橫比之間的關系。

實線，虛線和虛線對應于基于PEC與溝槽寬度的縱橫比的估計，其包括在兩個壁中的0．7μm量級的側蝕。 填充符號顯示實驗結果。

由圖2可以看出實現的最大溝槽縱橫比為7．3（3．3μm寬度和24．3μm深度）。 該團隊說：“這種縱橫比和蝕刻深度與ICP－RIE制造的SiC溝槽的最佳結果相當，表明PEC刻蝕的優勢不僅在于光學和電子器件的制造，而且在于制造GaN－MEMS，如晶圓，隔膜，微流體通道和光柵的通孔。”