氮化镓中使用光电化学刻蚀技术实现高纵横比深沟槽的进展

据麦姆斯咨询报道，近日，日本SCIOCS公司与法政大学报道了其在氮化镓（GaN）中使用光电化学（photo-electro-chemical，简称PEC）刻蚀技术实现高纵横比深沟槽的进展。该小组希望这项技术能够利用GaN在高电场中的高击穿电场和高电子漂移速度等优良特性，为功率电子创造新的器件结构。

深刻蚀用来创建具有p型和n型材料柱的“超结”结构，当结合侧向场效应晶体管时，就会产生超过10kV的击穿电压。同时，垂直器件也可以从超结漂移区域和其他深刻蚀结构中获益。因此，激光二极管的脊形加工、晶圆切割应用和MEMS（微机电系统）等领域也需要高质量的快速刻蚀工艺。如今，PEC技术已经应用于台面结构（mesa）、凹入式栅极（gate-recess）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）制造工艺上。据这项技术的研究者Horikiri称，这项技术得到了日本环境部的大力支持。

该团队说道：“我们承诺将与GaN产业链分享此项PEC刻蚀技术，这是我们作为GaN衬底供应商的职责之一。”通常，深刻蚀通过干法等离子体刻蚀实现，例如电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE），但是该技术会造成较严重的表面损伤。再加上由于GaN和掩模材料之间的干法刻蚀选择性低也会引起更多的问题。而高质量的刻蚀技术进度很慢，从而导致了深刻蚀结构的可选项减少。

近日，SCIOCS研究的一项新技术是通过空隙辅助分离（void-assisted separation）技术从蓝宝石中提取n型氢化物气相外延（HVPE）材料，制备2英寸自支撑GaN衬底。晶圆的位错密度在2×10⁶/cm²~5×10⁶/cm²范围内。通过金属有机气相外延，用于肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode，简称SBD）的5.8μm n-GaN和用于pn二极管的2μm n+-GaN、10μm n-GaN、500nm p-GaN和20nm p+-GaN，可衍生出额外的二极管层。在850℃氮气中对pn二极管材料进行30分钟的退火处理，从而激活p型层的受主镁。其中退火处理的作用是为了驱除钝化受主的氢原子。

图1：PEC刻蚀方案用于PEC刻蚀的掩模材料（图1）是钛。

PEC刻蚀使用“光辅助阳极氧化”来刻蚀GaN。

该工艺从GaN中释放Ga3+，其中正电荷来自GaN或电解质阳极界面处紫外线（UV）产生的空穴。电子通过PEC的电路被移除，而该电路是设置在GaN晶圆背面的欧姆接触和作为阴极的铂反电极之间的。刻蚀电位为1V。紫外辐射由汞氙灯提供，在垂直入射时提供9.0mW/cm²的强度。辐射和刻蚀电位在0.6占空比的脉冲模式下操作。电解质中含有与Ga3+反应产生的OH-氢氧根离子，形成Ga2O3。电解质溶液含有0.01M氢氧化钠和1%聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）作为润湿剂，可降低表面张力并有助于去除气泡。PEC技术的表面平坦化率可达到24.9nm/min，相当于无损伤干法刻蚀。如果将PEC速率提高到175.5nm/min，则会导致表面变得粗糙。不过高速率的PEC技术可用于晶圆切割领域中。采用由90μm直径的圆点组成的50nm厚的钛掩模，PEC刻蚀深度可达20μm，选择比高于400（20μm/50nm），而侧面刻蚀则小于1μm。在沟槽刻蚀的实验中，深度由电流密度控制，而不是由沿着GaN晶格的m轴或a轴的掩模取向控制。短宽度孔径掩模的沟槽刻蚀速率在约30μm深度处减慢。研究人员认为，这是因为紫外辐射难以到达沟槽底部的刻蚀前沿所造成的。他们还补充说道，相干紫外光源可能有助于深沟槽刻蚀。

图2：PEC刻蚀深度与沟槽纵横比的关系。实线、虚线和点线分别代表PEC刻蚀沟槽纵深比与沟槽宽度的估计值，两侧壁以0.7µm为数量级变化。填充符号表示实验结果。其中最大沟槽纵横比为7.3，宽度为3.3μm，深度为24.3μm（图2）。该小组解释道：“这种纵横比和刻蚀深度与ICP-RIE制造的SiC沟槽的最优结果相当，这表明PEC刻蚀的优势不仅体现在光学和电子器件制造领域，还体现在GaN-MEMS制造领域，例如晶圆、膜片、微流体通道和光栅的通孔等。”