在氮化镓中利用光电化学蚀刻深层高纵横比沟槽的进展
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。”
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