氮化鎵中使用光電化學刻蝕技術實現高縱橫比深溝槽的進展

2020-12-08 電子發燒友

氮化鎵中使用光電化學刻蝕技術實現高縱橫比深溝槽的進展

李倩 發表於 2018-09-03 15:06:24

據麥姆斯諮詢報導，近日，日本SCIOCS公司與法政大學報導了其在氮化鎵（GaN）中使用光電化學（photo-electro-chemical，簡稱PEC）刻蝕技術實現高縱橫比深溝槽的進展。該小組希望這項技術能夠利用GaN在高電場中的高擊穿電場和高電子漂移速度等優良特性，為功率電子創造新的器件結構。

深刻蝕用來創建具有p型和n型材料柱的「超結」結構，當結合側向場效應電晶體時，就會產生超過10kV的擊穿電壓。同時，垂直器件也可以從超結漂移區域和其他深刻蝕結構中獲益。因此，雷射二極體的脊形加工、晶圓切割應用和MEMS（微機電系統）等領域也需要高質量的快速刻蝕工藝。如今，PEC技術已經應用於臺面結構（mesa）、凹入式柵極（gate-recess）和垂直腔面發射雷射器（VCSEL）製造工藝上。據這項技術的研究者Horikiri稱，這項技術得到了日本環境部的大力支持。

該團隊說道：「我們承諾將與GaN產業鏈分享此項PEC刻蝕技術，這是我們作為GaN襯底供應商的職責之一。」通常，深刻蝕通過幹法等離子體刻蝕實現，例如電感耦合等離子體反應離子刻蝕（ICP-RIE），但是該技術會造成較嚴重的表面損傷。再加上由於GaN和掩模材料之間的幹法刻蝕選擇性低也會引起更多的問題。而高質量的刻蝕技術進度很慢，從而導致了深刻蝕結構的可選項減少。

近日，SCIOCS研究的一項新技術是通過空隙輔助分離（void-assisted separation）技術從藍寶石中提取n型氫化物氣相外延（HVPE）材料，製備2英寸自支撐GaN襯底。晶圓的位錯密度在2×10⁶/cm²~5×10⁶/cm²範圍內。通過金屬有機氣相外延，用於肖特基勢壘二極體（Schottky barrier diode，簡稱SBD）的5.8μm n-GaN和用於pn二極體的2μm n+-GaN、10μm n-GaN、500nm p-GaN和20nm p+-GaN，可衍生出額外的二極體層。在850℃氮氣中對pn二極體材料進行30分鐘的退火處理，從而激活p型層的受主鎂。其中退火處理的作用是為了驅除鈍化受主的氫原子。

圖1：PEC刻蝕方案用於PEC刻蝕的掩模材料（圖1）是鈦。

PEC刻蝕使用「光輔助陽極氧化」來刻蝕GaN。

該工藝從GaN中釋放Ga3+，其中正電荷來自GaN或電解質陽極界面處紫外線（UV）產生的空穴。電子通過PEC的電路被移除，而該電路是設置在GaN晶圓背面的歐姆接觸和作為陰極的鉑反電極之間的。刻蝕電位為1V。紫外輻射由汞氙燈提供，在垂直入射時提供9.0mW/cm²的強度。輻射和刻蝕電位在0.6佔空比的脈衝模式下操作。電解質中含有與Ga3+反應產生的OH-氫氧根離子，形成Ga2O3。電解質溶液含有0.01M氫氧化鈉和1%聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）作為潤溼劑，可降低表面張力並有助於去除氣泡。PEC技術的表面平坦化率可達到24.9nm/min，相當於無損傷幹法刻蝕。如果將PEC速率提高到175.5nm/min，則會導致表面變得粗糙。不過高速率的PEC技術可用於晶圓切割領域中。採用由90μm直徑的圓點組成的50nm厚的鈦掩模，PEC刻蝕深度可達20μm，選擇比高於400（20μm/50nm），而側面刻蝕則小於1μm。在溝槽刻蝕的實驗中，深度由電流密度控制，而不是由沿著GaN晶格的m軸或a軸的掩模取向控制。短寬度孔徑掩模的溝槽刻蝕速率在約30μm深度處減慢。研究人員認為，這是因為紫外輻射難以到達溝槽底部的刻蝕前沿所造成的。他們還補充說道，相干紫外光源可能有助於深溝槽刻蝕。

圖2：PEC刻蝕深度與溝槽縱橫比的關係。實線、虛線和點線分別代表PEC刻蝕溝槽縱深比與溝槽寬度的估計值，兩側壁以0.7µm為數量級變化。填充符號表示實驗結果。其中最大溝槽縱橫比為7.3，寬度為3.3μm，深度為24.3μm（圖2）。該小組解釋道：「這種縱橫比和刻蝕深度與ICP-RIE製造的SiC溝槽的最優結果相當，這表明PEC刻蝕的優勢不僅體現在光學和電子器件製造領域，還體現在GaN-MEMS製造領域，例如晶圓、膜片、微流體通道和光柵的通孔等。」

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