書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：不同電解質(zhì)對多孔氮化鎵的影響

編號：JFKJ-21-825

作者：炬豐科技

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關(guān)鍵詞:電解質(zhì)；光電化學(xué)蝕刻；多孔性

摘要

?????本文報道了氮化鎵在使用四種不同電解質(zhì)的光電化學(xué)蝕刻過程中的性質(zhì)和行為。測量結(jié)果表明，孔隙率強烈依賴于電解質(zhì)，并高度影響蝕刻樣品的表面形態(tài)，這已被掃描電子顯微鏡(SEM)圖像揭示。多孔氮化鎵樣品的光致發(fā)光(PL)光譜的峰值強度被觀察到增強，并強烈依賴于電解質(zhì)。在樣品中，峰位置差異較小，說明孔隙率的變化對PL峰位移的影響較大，而對峰強度的影響很大。四種多孔氮化鎵在不同溶液下的拉曼光譜表現(xiàn)為聲子模式E2（高）、A1(LO)、A1(TO)和E2（低）。在所有樣品中，e2都有紅移（高），表明多孔氮化鎵表面相對于下面的單晶外延氮化鎵的應(yīng)力松弛。在H2SO4：H2O2和氫氧化鉀中蝕刻的樣品強度較高，然后在HF：硝酸和HF中蝕刻的樣品的拉曼和PL強度較高。

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介紹

在過去的幾十年中，納米晶體半導(dǎo)體由于其相對于大塊晶體的物理性質(zhì)而被廣泛研究。高表面積、帶隙位移和高效發(fā)光使多孔半導(dǎo)體成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的材料；從光電子學(xué)到化學(xué)和生化傳感器。最近，許多工作針對在多孔襯底上沉積半導(dǎo)體層，因為需要更強大和復(fù)雜的器件應(yīng)用。使用多孔半導(dǎo)體作為沉積半導(dǎo)體層的襯底的原因之一是納米圖案化的多孔結(jié)構(gòu)可以降低擴展的缺陷密度。人們對多孔半導(dǎo)體的興趣源于這樣一個事實，即它們可以充當(dāng)穿透位錯和適應(yīng)應(yīng)變的阱。因此，它們被廣泛用作外延生長中的緩沖層或中間層，以獲得具有較小應(yīng)變和位錯密度的后續(xù)層。

在本工作中，我們報道了在光電化學(xué)蝕刻中使用不同電解質(zhì)的氮化鎵在蝕刻過程中的性質(zhì)和行為，旨在尋找適合蝕刻氮化鎵的有效電解質(zhì)。在目前的工作中，我們使用較低功率的紫外燈(∨4W)和較低的電流密度(5mA/cm2)來增加對電解質(zhì)類型的電化學(xué)蝕刻。因此，我們選擇了四種不同的溶液HF:C2H5OH，HF:HNO3，KOH和H2SO4:H2O2。

實驗步驟

?????我們使用了四種不同的溶液來生產(chǎn)多孔氮化鎵。第一種電解質(zhì)是氟化氫水溶液和無水乙醇(體積比為1∶4)的混合物，其酸堿度為4.3.第二種電解質(zhì)是氫氟酸溶液和硝酸(1:4)的混合物，其酸堿度為1.66.第三種溶液是pH值為14的氫氧化鉀，第四種電解質(zhì)是硫酸的混合物H2SO4和H2O2 (3:1)，pH值為4.5。在電化學(xué)蝕刻過程中，我們使用恒定電流密度J =5mA/cm2持續(xù)20min(由Keithley 220可編程電流源提供)和低功率UV燈(∨4W)。蝕刻后，樣品在去離子水中漂洗并在環(huán)境空氣中干燥。

用掃描電子顯微鏡研究了樣品的表面形貌。光致發(fā)光和拉曼散射研究了薄膜的光學(xué)質(zhì)量。光致發(fā)光和拉曼光譜測量是在室溫下使用若賓芮偉航HR800UV紫外系統(tǒng)進行的，即。集成共焦顯微光致發(fā)光和拉曼光譜儀。氦-鎘激光器(325納米)和氬離子激光器(514.5納米)分別用作光致發(fā)光和拉曼測量的激發(fā)源。兩次測量的入射激光功率均為20mW。

結(jié)果和討論

氮化鎵的光電化學(xué)刻蝕機理：當(dāng)?shù)墭悠方腚娊庖褐袝r，氮化鎵電極-電解液界面能帶圖類似于半導(dǎo)體-金屬界面。因此形成了肖特基接觸。當(dāng)反向偏壓施加到n-氮化鎵表面時，能帶向下彎曲，并形成空穴勢阱，這耗盡了氮化鎵表面的電子。如果樣品被300K的氮化鎵帶隙以上的光子能量照射，半導(dǎo)體中會產(chǎn)生電子-空穴對。表面附近空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電子和空穴通過兩種機制傳輸；電場影響下的漂移和載流子濃度梯度引起的擴散。由于能帶彎曲，掃描光生空穴被限制在電解質(zhì)、半導(dǎo)體界面。

孔隙率和表面形態(tài)：圖1顯示了多孔氮化鎵樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖。1(a)顯示了隨機形成，這表明HF:C2H5OH (1:4)和GaN之間的緩慢反應(yīng)，這通過約13%的低測量孔隙率得到證實。圖。1(b)顯示了新的珊瑚狀孔隙形態(tài)，這可能是由于HF:HNO3 (1:4)中存在氨，這在InP中已有報道[34，36]。圖。1(c)顯示了KOH對GaN的高度影響，樣品在某個地方顯示出一些大孔，而在其他地方?jīng)]有其他孔。這可以從原理上理解，假設(shè)雪崩擊穿從最薄弱的點開始，隨后大部分電流將被吸入該點。圖。1(d)表明H2SO4:H2O2產(chǎn)生高相互作用，產(chǎn)生具有一些結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)元素的均勻多孔和高孔隙率。在GaP [37]和GaAs [38]中也觀察到類似的特征。

光致發(fā)光 ??略

?拉曼分析：圖3顯示了來自不同電解質(zhì)的多孔GaN的室溫拉曼光譜，在z (x，非極化)z中測量，其中x是平面方向(垂直于六方晶體的c軸)。在這種配置下，E1 (TO)是被禁止的，這解釋了它的不存在。光譜顯示聲子模式E2(高)和A1(低)以及A1(高)和E2(低)的相對小的峰[42]。而A1(t0)和E2 (low)在生長樣品的拉曼光譜中不存在。多孔樣品中這兩個峰的存在表明多孔樣品的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，這可能歸因于薄膜中的晶體無序 。

?所有觀測模態(tài)的頻率與其他研究者的結(jié)果一致 。在不同電解質(zhì)中蝕刻的氮化鎵樣品的聲子峰位置、強度和峰位移總結(jié)在表2中。與生長時相比，3B顯示所有樣品的E2(高)拉曼光譜發(fā)生紅移，表明樣品中發(fā)生了應(yīng)力松弛。

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結(jié)論

本文簡述了一種簡單且成本有效的紫外增強電化學(xué)刻蝕方法已被應(yīng)用于摻硅氮化鎵，以使用不同的電解質(zhì)制備多孔氮化鎵。所有多孔氮化鎵都顯示出孔隙率、表面形貌和光學(xué)性質(zhì)對電解質(zhì)類型的強烈依賴性?？偟膩碚f，與生長樣品相比，蝕刻樣品的光學(xué)性質(zhì)得到了改善。在H2SO4:H2O2 (3:1)中蝕刻的樣品顯示出均勻的表面形態(tài)、最高的孔隙率和最高的光致發(fā)光增強。觀察到所有具有E2(高)峰的多孔樣品的拉曼光譜相對于生長樣品略微向低頻偏移，表明樣品中發(fā)生了應(yīng)力松弛。