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摘要
? ? ? 本文利用n型氮化鎵在堿性過氧二硫酸鹽S2O2?8溶液中的電化學研究，解釋了開路條件下半導體的光刻機理。觀察到的鉑直接接觸半導體或電接觸的光蝕刻速率的增強主要是光光效應。闡明了決定蝕刻動力學和表面形態(tài)的因素。
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介紹
? ? ? 單晶氮化鎵和三元第三族氮化物引起了科學界的極大興趣，它們優(yōu)越的化學和物理性能在高性能光電和電子器件中得到了應用。蝕刻是器件制造中必不可少的步驟。可以使用干蝕刻技術；這些包括反應離子刻蝕RIE、電子回旋RIE、電感耦合等離子體RIE、磁控管RIE和化學輔助離子束刻蝕。然而，這些技術涉及復雜和昂貴的設備。此外，干法蝕刻可能導致損壞的表面和體電子狀態(tài)，這對光電子器件的性能有害。濕化學蝕刻提供了一種簡單而有吸引力的替代方法，?避免了表面損壞的問題。
? ? ? 本文用S2O2-8堿性溶液中n型氮化鎵的電化學研究結果作為考慮半導體光刻的基礎。使用了三種方法:I)光陽極蝕刻，其中半導體的電位由電壓源穩(wěn)壓器固定，ii)光電流蝕刻，其中半導體在沒有電壓源的情況下短路到反電極，以及iii)無反電極的無電光刻。在另一篇論文中，我們描述了顯示缺陷和圖案蝕刻或拋光的最佳S2O?2-8/KOH比率的結果。還考慮了S2O2-8/KOH溶液中缺陷選擇性蝕刻的可靠性。
實驗
? ? ? 電化學測量在三電極電池中進行，以鉑反電極和飽和甘汞電極作為參考。給出了常設專家委員會的潛力。用PSLite控制的恒電位儀PalmSens，PS-PDA1測量黑暗和光照下的電流-電位曲線。以10 mV/s的恒定掃描速率從負電勢到正電勢記錄曲線。短路實驗是在一個兩室電池中進行的。為了保持電荷平衡，隔室由多孔玻璃料連接。用由LabVIEW控制的HP 3458A萬用表測量電流。蝕刻深度用表面輪廓儀測定。用掃描電子顯微鏡(掃描電鏡)對表面形貌進行了表征。用于電化學實驗的光源是450瓦氙燈，電源為Oriel 66924。紫外光通過水過濾器后聚焦在基底上。
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結果和討論
氮化鎵的光電化學和化學光刻
? ? ? 圖1曲線a顯示了在黑暗中記錄的0.02 M KOH溶液中n型GaN的電流密度-電勢圖。觀察到二極管特性。莫特-肖特基測量顯示，平帶電勢UFB位于1.4v.27在正電勢1.0 V下，對應于表面的多數載流子耗盡，沒有觀察到電流。
? ? ? 圖1曲線c顯示了在黑暗中記錄的0.02M KOH/0.02M S2O2-8溶液中n型氮化鎵的電流密度-電位圖。同樣，在正電勢下沒有觀察到電流。雖然陰極反應的開始發(fā)生在氫氧化鉀溶液中約1.0 V，但我們看到在加入S2O?2-8后，開始轉移到0.8 V。在該電位下，S2O2-8被CB電子還原，形成硫酸根離子和過硫酸根自由基反應1.更正的起始電位表明S2O2-8的還原比O2在GaN上的還原更有利。從1.2到1.7 V，電流密度與電勢無關，由S2O2-8濃度和系統(tǒng)的流體動力學決定。當電位低于1.7 V時，水分減少變得重要。
? ? ? 圖1曲線d顯示陰極電流密度不受光照影響。陽極范圍內的電流低于曲線b中觀察到的電流。這是由溶液中S2O2-8離子吸收高能光子引起的。吸收在300納米以下的波長變得顯著，在218納米達到峰值。圖1顯示，在S2O2-8溶液中，存在一個發(fā)生陽極溶解和陰極還原的共同電位范圍。這表明非金屬化氮化鎵薄膜的開路光刻在原理上是可能的。在光照下，氮化鎵電極在氫氧化鉀/S2O2-8溶液中的開路電位UOC下，光陽極溶解速率等于陰極還原速率。圖1，曲線d，顯示UOC位于0.9 V進行比較，UOC在KOH溶液中的值為1.0 V。無電光刻的蝕刻速率受動力學控制，即 由界面上的電子和空穴動力學控制，如圖2所示。3表示n型電極。
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圖1
氮化鎵的光電刻蝕
? ? ? 圖2的曲線a。圖4顯示了用0.02 M氫氧化鉀溶液在兩個隔室中未攪拌時記錄的電流-時間圖。氮化鎵電極的面積約為0.09平方厘米.黑暗中看不到電流。在照明時，電流瞬間增加，隨后衰減到大約0.1毫安的穩(wěn)態(tài)值。電流由氧向鉑表面的質量傳輸決定，并可通過攪拌或增加鉑反電極的面積來增強.11當0.02MS2O2-?8加入反電極的隔室中時，光電流增加超過5倍。4、曲線b。在這種情況下，當S2O2-8被添加到氮化鎵電極的隔室中時，這是觀察不到的，電流由于S2O2-8的光吸收而減小。電流的增強是光電效應，蝕刻速率由陽極和陰極過程的速率決定。
? ? ??如圖2所示。5建議通過適當選擇實驗條件，可以控制GaN表面光潔度；光強、OH和s2O2-8濃度、氮化鎵/鉑表面積比和流體動力學決定了短路電位，從而決定了蝕刻模式。我們通過實驗證實了這一點，一些結果顯示在圖。6.實驗是在氮化鎵∶鉑表面積比為1∶8的單室光電電池中進行的.圖6a顯示了圖案化氮化鎵表面的掃描電子顯微鏡圖像，該表面在0.004毫摩爾氫氧化鉀/0.02毫摩爾S2O2-8的未蝕刻溶液中蝕刻20分鐘。獲得了一個光滑的表面，其表面粗糙度與所接收的樣品相當(見插圖)。蝕刻速率低至3納米/分鐘，并受OH-離子p-OH的質量傳輸控制，即 “拋光”條件。在擴散控制下，可以通過攪拌或增加氫氧化鉀濃度來提高蝕刻速率。
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結論
? ? ? 用電化學方法研究了S2O2- 8對n型氮化鎵在氫氧化鉀溶液中光刻的影響。加入S2O 2-8后，由于溶液吸收了高能光子，光陽極溶解速率降低。加入S2O2-8后，陰極反應開始轉變?yōu)檎娢?。因此，開路光刻是可能的。
? ? ? 在負電勢下，S2O2-8被還原并形成SO4自由基。通過電致發(fā)光測量，我們表明自由基向VB中注入空穴。通過使用一個兩室電池，我們發(fā)現與貴金屬短路的氮化鎵可以作為光電流電池。蝕刻后的表面光潔度對實驗條件非常敏感:濃度、表面積比、光強和質量傳輸。
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