書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：n-GaN的電化學(xué)和光刻

編號：JFKJ-21-820

作者：炬豐科技

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摘要

????本文利用旋轉(zhuǎn)盤伏安法、循環(huán)伏安法和電阻抗測量方法，研究了n-GaN在各種水溶液中的（光）電化學(xué)行為。結(jié)果表明，半導(dǎo)體的邊緣位移超過60mV/pH單位，表明在界面上存在酸堿平衡。在硫酸和氫氧化鉀溶液中，陽極偏置下的光電流與三等效反應(yīng)下的半導(dǎo)體氧化有關(guān)，導(dǎo)致表面的溶解和粗糙化。在1.2M的鹽酸溶液中，由于氯氣離子的競爭氧化，n-GaN被穩(wěn)定為陽極分解。在草酸和檸檬酸的存在下，觀察到陽極光電流的增殖。在黑暗的陰極極化下，酸性介質(zhì)中的Fe31、Ce41、HIO3和堿性介質(zhì)中的Fe(CN)632以擴散有限的速率電化學(xué)還原。在1M氫氧化鉀中，觀察到o2/h2o還原的高反應(yīng)性，這解釋了為什么n-GaN可以在該溶液的開路條件下被光蝕刻。

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介紹

?????近年來，氮化鎵和相關(guān)氮化物半導(dǎo)體在藍綠色發(fā)光二極管、激光二極管和高溫大功率電子器件中的應(yīng)用備受關(guān)注。蝕刻組成材料的有效工藝的可用性因此非常重要。由于第三族氮化物不尋常的化學(xué)穩(wěn)定性，到目前為止，這些材料的蝕刻幾乎完全是使用干蝕刻技術(shù)進行的，例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE) 和電感耦合等離子體(ICP) RIE蝕刻。然而，這些方法導(dǎo)致半導(dǎo)體中的離子誘導(dǎo)損傷。濕法蝕刻技術(shù)可以克服這個問題，因為涉及的損害很低。此外，它們比干法蝕刻方法更便宜且不復(fù)雜。另一個重要的優(yōu)點是濕法蝕刻可以選擇性地去除不同的材料。

本文介紹了n型氮化鎵在幾種電解質(zhì)水溶液中(光)電化學(xué)行為的基礎(chǔ)研究結(jié)果，以及在陽極偏壓光照下，在氫氧化鉀、硫酸和鹽酸溶液中的腐蝕速率測量結(jié)果。這項研究的目的是了解在這些不同的環(huán)境下，氮化鎵蝕刻的動力學(xué)和機制。蝕刻后半導(dǎo)體表面的表面分析提供了關(guān)于蝕刻過程的附加信息。

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實驗

????蝕刻實驗在包含35毫升電解質(zhì)溶液的電化學(xué)電池中進行。蝕刻后，通過分光光度法測定溶解的鎵(ⅲ)的濃度，其中鎵(ⅲ)在濃鹽酸溶液中與孔雀石綠絡(luò)合，隨后用甲苯萃取。然后將蝕刻速率r定義為單位時間溶解的鎵(ⅲ)量和氮化鎵表面積。

所有實驗的水溶液均由分析級試劑和去離子水制備。除非另有說明，在每次實驗之前，將純N2氣體鼓泡通過溶液以除去溶解氧。所有測量都是在室溫下進行的。

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結(jié)果

??電阻抗測量 ?略

電化學(xué)實驗

???圖2曲線c顯示了在支持電解質(zhì)溶液中加入0.08 M草酸時的光電流-電勢曲線:可以觀察到光電流倍增。對于圖2中的曲線。乘法因子約為1.4.此外，當(dāng)加入檸檬酸(2.53×1022M)時，可以觀察到光電流倍增，倍增因子約為1.2.由于草酸和檸檬酸都吸收與氮化鎵相同波長范圍的光，因此很難確定這些溶液的真實倍增因子。當(dāng)加入甲醇、乙醇或酒石酸時，沒有觀察到光電流倍增。

在1.2 M鹽酸中旋轉(zhuǎn)圓盤伏安法。??略

1.2 M鹽酸中固定電極的電流密度-電位曲線。??略

1 M氫氧化鉀旋轉(zhuǎn)圓盤伏安法

??????圖5顯示了在黑暗條件下(曲線a)和在光照條件下(曲線b)1m KOH中的電流密度-電勢曲線。在黑暗中，陰極電流在負至21 V的電位下流動。分包商，其規(guī)模顯示出一定的不可再生性。正如我們發(fā)現(xiàn)的，這種電流可以通過使O2鼓泡通過溶液來增強，殘余氧可能至少是圖1中陰極電流的部分原因。5、曲線a。在電位為正到21 V時，沒有明顯的電流流動。在光照下，光電流流動，在20.2伏時達到極限值。分包商。隨著光照時間的延長，高原區(qū)的光電流似乎在減少。

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蝕刻實驗

為了研究1M氫氧化鉀、1M硫酸和1.2M鹽酸中與光電流相關(guān)的反應(yīng)是否是氮化鎵的陽極溶解，在給定時間下電極雙極化。然后，用分光光度法測定溶液中溶解鎵的量。在1M硫酸和1M氫氧化鉀中均發(fā)現(xiàn)了溶解的鎵，而在1.2M鹽酸中則未檢測到鎵。

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討論

阻抗測量 ?

在反應(yīng)5和6中，假設(shè)蝕刻反應(yīng)中只涉及空穴。然而，對于其他的ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體，如GaP，尤其是InP，已經(jīng)表明，通過溶解中間體注入導(dǎo)帶的電子也可能參與刻蝕反應(yīng)。進行了以下實驗來檢驗電子注入對GaN刻蝕的可能貢獻。在高原地區(qū)一定電位的光照下，向1 M H2SO4溶液中加入氯離子。Cl2離子的濃度足夠高，以確保所有光生空穴都用于Cl2的氧化?，而不是用于半導(dǎo)體的光陽極蝕刻。如果電子有助于氮化鎵的光陽極溶解，當(dāng)加入Cl2時，極限光電流應(yīng)該會降低(差異是電子注入對光陽極溶解的貢獻)。由于加入氯離子不影響光電流的值，我們得出結(jié)論，只有空穴參與氮化鎵的光陽極溶解。

蝕刻后的表面形態(tài)強烈依賴于蝕刻動力學(xué)。通常，在擴散控制下的蝕刻過程產(chǎn)生光滑的表面，而當(dāng)蝕刻過程在動力學(xué)控制下時，表面變得粗糙。在我們的實驗中，蝕刻速率由光強度控制，即?通過向表面提供孔。半導(dǎo)體中的位錯和雜質(zhì)原子導(dǎo)致表面空穴供應(yīng)的局部差異，從而不能獲得平滑的蝕刻。

在1 M H2SO4?1還原劑中???略

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陰極行為

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如圖2和5所示，在酸性介質(zhì)(1 M H2SO4或HCl)中，在不同電解質(zhì)中的暗陰極還原曲線開始于平帶電位附近，但在堿性介質(zhì)(1 M KOH)中約為600 mV正對平帶電位。起始值的不良再現(xiàn)性和氧的影響(酸性介質(zhì)中較小，堿性介質(zhì)中較大)表明，不同電解質(zhì)中的電流可能至少部分是由于殘余氧的減少，其余部分分別與酸性和堿性介質(zhì)中的質(zhì)子減少和水減少有關(guān)。酸性和堿性介質(zhì)之間的反應(yīng)性差異令人驚訝?？赡艿兀瑝A性溶液中O2/H2O的還原速率通過涉及表面狀態(tài)的途徑被強烈增強，由于與表面化學(xué)相關(guān)的原因，該表面狀態(tài)在酸性介質(zhì)中不存在或活性較低。

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開路電位下n-GaN的光刻行為???

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