CN110172349A - 一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液及加工方法，采用纯水由如下原料按摩尔浓度配成：5‑40mM过一硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5)、0.05‑5mM pH缓冲剂。本发明技术组分科学合理，制造简单，是对目前的氮化镓半导体光电化学刻蚀液的创新改进，可加工出纳米平整度和粗糙度的结构和刻蚀面。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液。
背景技术
第三代半导体材料氮化镓已被广泛应用于电子和光电子等诸多领域。然而氮化镓的化学性质极端惰性，这使得传统的湿法刻蚀方法无法应用于氮化镓基器件的工业化加工。目前氮化镓基器件的工业化制备主要依靠物理干法刻蚀技术，但高能量束刻蚀不可避免地使加工面产生损伤，影响器件的最终性能。
近年来，研究发现光电化学方法可高效无损地刻蚀氮化镓，但获得高质表面，特别是超平滑的表面仍有许多技术问题尚未解决。
采用光电化学方法工业化批量刻蚀加工氮化镓的主要步骤包括：(1)按所设计器件的平面结构，在氮化镓晶片表面沉积一层平面结构与之互补的金属纳米层；(2)将图案化的氮化镓晶片浸入光电化学刻蚀液后，采用紫外光照射晶片，图案化金属层既作为光阻层，又作为光电化学的阴极，使刻蚀加工得以完成。
氮化镓的光电化学刻蚀原理与太阳能光电池的工作原理相似，即：(1)紫外光照射暴露于刻蚀液的氮化镓将激发氮化镓半导体内产生电子-空穴对；(2)电子在金属层表面(作为光电化学的阴极)被刻蚀液中的氧化剂消耗，与此同时，空穴在氮化镓/刻蚀液界面聚集并氧化氮化镓，从而生成三氧化二镓；(3)两性的三氧化二镓可与氢离子或氢氧根离子反应被溶解，使得光电化学刻蚀可持续进行。
由上可见，氮化镓的光电化学刻蚀速度主要取决于：(1)光生电子能否在金属层表面(光电化学的阴极)被刻蚀液中的氧化剂快速消耗；(2)三氧化二镓中间产物能否被快速溶解。
目前，光电化学方法工业化批量刻蚀加工氮化镓主要采用过硫酸钾(K2S2O8)作为氧化剂，并且，利用碱性刻蚀液中氢氧根离子溶解三氧化二镓(J.Appl.Phys.89(2001)4142)。如CN201610159628.5氮化镓材料层表面粗化的方法，其采用的粗化药水至少包括过硫酸钾和氢氧化钾。然而，由此产生的两个技术问题一直难以解决，即：(1)采用过硫酸钾氧化剂无法达到理想的刻蚀速度(>10nm/min)；(2)采用碱性工作液溶解三氧化二镓不可避免地产生由于氢氧根离子扩散所产生的边界效应，这使得在加工最常用的沟槽结构时，从溶液中扩散至沟槽两边的氢氧根离子始终量高于扩散至沟槽中间的量，因而，所加工出的沟槽具有弯曲的剖面，严重地影响氮化镓基器件的性能。
发明内容
本发明提供了一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液，其克服了背景技术中氮化镓半导体刻蚀液所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液，它包括：按照摩尔浓度包括：5-40mM过一硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5)、0.05-5mM不可被空穴氧化的pH缓冲剂,溶剂为水，刻蚀液的pH值为酸性。
优选地，所述的不可被空穴氧化的pH缓冲剂为无机磷酸和磷酸盐组成的缓冲剂。
优选地，刻蚀液pH范围在1-6.8。
进一步优选，刻蚀液pH范围在2-6.5。
本发明还公开氮化镓材料的加工方法，包括如下步骤：
(1)按所设计器件的平面结构，在氮化镓晶片表面沉积一层平面结构与之互补的金属纳米层；
(2)将图案化的氮化镓晶片浸入前述的氮化镓半导体光电化学刻蚀液；
(3)采用紫外光照射图案化的氮化镓晶片，图案化金属层既作为光阻层，又作为光电化学的阴极，完成刻蚀加工。
本发明的氮化镓半导体光电化学刻蚀液，其原理是：(1)过一硫酸氢钾复合盐可在高氧化电位下，快速地消耗氮化镓半导体内因紫外光激发所产生电子，从而使光生空穴可快速地氧化氮化镓；(2)采用酸性工作溶液快速溶解三氧化二镓不会产生因反应物种扩散所导致的边界效应。
本发明采用过一硫酸氢钾复合盐作为氧化剂在金属层表面(光电化学的阴极)快速消耗光生电子，达到高的刻蚀速度(>15nm/min)；由于光生空穴氧化可氧化有机酸使刻蚀液pH发生变化，因此采用不可被空穴氧化的pH缓冲剂，可稳定地控制刻蚀液的pH在酸性范围内，优选可以控制在1-6.8，以避免刻蚀中的边界效应。因而，可高效快速地加工出纳米平整度和粗糙度的加工面。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例1刻蚀加工出的氮化镓表面沟槽结构。
图2为本发明实施例1刻蚀加工出的氮化镓表面沟槽截面图。
图3是本发明实施例2刻蚀加工出的氮化镓表面沟槽结构。
图4是本发明实施例2刻蚀加工出的氮化镓表面沟槽截面图。
图5是本发明实施例3刻蚀加工出的氮化镓表面沟槽结构。
图6是本发明实施例3刻蚀加工出的氮化镓表面沟槽截面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步阐述。
实施例1
图1和图2分别是采用本发明制备的氮化镓半导体光电化学刻蚀液加工出的氮化镓表面沟槽结构(图1)及其截面图(图2)。
制备及使用方法：采用纯水配成刻蚀液(pH＝3)，其成分包括10mM过一硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5)、0.5mM磷酸和磷酸盐缓冲剂；将表面已沉积一层金属铂栅层(厚度＝100nm)的氮化镓晶片浸入上述刻蚀液中；采用紫外灯以25.5mW/cm2光强照射氮化镓晶片一小时后，取出，纯水洗净；将刻蚀后的晶片浸入20％(重量比)的氢氟酸溶液10分钟后，取出，纯水洗净，吹干。
采用光学方法(LSM)表征光电化学刻蚀后的氮化镓晶片表面。图1是采用上述的刻蚀液加工出的氮化镓表面沟槽结构，可见氮化镓表面已被加工出整齐规则的沟槽。其截面图(图2)显示沟槽具有平直的结构，无边界效应，且刻蚀速度为30nm/min，表面粗糙度小于10nm，证明采用本发明制备的氮化镓半导体光电化学刻蚀液可加工出超平滑的微结构。
实施例2
图3和图4分别是采用本发明制备的氮化镓半导体光电化学刻蚀液加工出的氮化镓表面沟槽结构(图3)及其截面图(图4)。
制备及使用方法：采用纯水配成刻蚀液(pH＝6.5)，其成分包括5mM过一硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5)、5mM磷酸和磷酸盐缓冲剂；将表面已沉积一层金属铂栅层(厚度＝100nm)的氮化镓晶片浸入上述刻蚀液中；采用紫外灯以25.5mW/cm2光强照射氮化镓晶片45分钟后，取出，纯水洗净；将刻蚀后的晶片浸入20％(重量比)的氢氟酸溶液10分钟后，取出，纯水洗净，吹干。
采用光学方法表征光电化学刻蚀后的氮化镓晶片表面。图3是采用采用上述的刻蚀液加工出的氮化镓表面沟槽结构，可见氮化镓表面已被加工出整齐规则的沟槽。图4显示沟槽具有平直的结构，无边界效应，且刻蚀速度为15nm/min，表面粗糙度小于4nm。
实施例3
图5和图6分别是采用本发明制备的氮化镓半导体光电化学刻蚀液加工出的氮化镓表面沟槽结构(图5)及其截面图(图6)。
制备及使用方法：采用纯水配成刻蚀液(pH＝2)，其成分包括40mM过一硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5)和2mM磷酸和磷酸盐缓冲剂；将表面已沉积一层金属铂栅层(厚度＝100nm)的氮化镓晶片浸入上述刻蚀液中；采用紫外灯以25.5mW/cm2光强照射氮化镓晶片半小时后，取出，纯水洗净；将刻蚀后的晶片浸入20％(重量比)的氢氟酸溶液10分钟后，取出，纯水洗净，吹干。
采用光学方法表征光电化学刻蚀后的氮化镓晶片表面。图5是采用采用上述的刻蚀液加工出的氮化镓表面沟槽结构，可见氮化镓表面已被加工出整齐规则的沟槽。图6显示沟槽具有平直的结构，无边界效应，且刻蚀速度为36nm/min，表面粗糙度小于15nm。
Claims (5)
1.一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液，按摩尔浓度包括：5-40mM过一硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5)、0.05-5mM不可被空穴氧化的pH缓冲剂，溶剂为水，刻蚀液的pH值为酸性。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液，其特征在于，所述的不可被空穴氧化的pH缓冲剂为无机磷酸和磷酸盐组成的缓冲剂。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液，其特征在于，刻蚀液pH范围在1-6.8。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓半导体光电化学刻蚀液，其特征在于，刻蚀液pH范围在2-6.5。
5.氮化镓材料的加工方法，包括如下步骤：
(1)按所设计器件的平面结构，在氮化镓晶片表面沉积一层平面结构与之互补的金属纳米层；
(2)将图案化的氮化镓晶片浸入权利要求1至4任一项所述的氮化镓半导体光电化学刻蚀液；
(3)采用紫外光照射图案化的氮化镓晶片，图案化金属层既作为光阻层，又作为光电化学的阴极，完成刻蚀加工。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110172349B (zh) | 2020-11-20 |
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