基于 KOH 的 AIN 和 GaN 體的選擇性濕化學(xué)蝕刻

我們?nèi)A林科納開發(fā)了一種可控、平滑的氫氧化鉀基濕法刻蝕技術(shù)，AlN和AlxGa1xN之間的高選擇性被發(fā)現(xiàn)對(duì)于基于AlGaN的深紫外發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)有效的襯底減薄或去除至關(guān)重要，從而提高光提取效率。AlGaN的高選擇性作為鋁組成的函數(shù)的機(jī)理可以解釋為與在N-極性表面頂部的氧化物/氫氧化物的形成和溶解有關(guān)。橫截面透射電子顯微鏡分析最終證明這些小丘與下面的螺紋位錯(cuò)無關(guān)。

迄今為止，氮化鋁基板減薄或去除面臨許多挑戰(zhàn)。例如，由于在AlGaN/AlN界面上沒有位錯(cuò)，激光剝離預(yù)計(jì)不能用于將AlN襯底與假晶AlGaN外延膜分離。此外，反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的蝕刻速率相對(duì)較低，會(huì)引入等離子體相關(guān)的損傷。與這些技術(shù)相比，濕法蝕刻具有表面損傷小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)易于大面積制造。然而，為了與DUV發(fā)光二極管和激光器件制造兼容，更溫和和可控的技術(shù)是必要的。此外，需要無缺陷選擇性蝕刻技術(shù)，在這種情況下，可控蝕刻方案可以應(yīng)用于不同的材料系統(tǒng)，而不管位錯(cuò)密度如何。最近，我們從蝕刻速率、選擇性、表面形態(tài)和在氫氧化鉀水溶液中的化學(xué)計(jì)量比等方面全面研究了氮化鋁和氮化鎵單晶樣品的濕法蝕刻行為提出了一種與非缺陷相關(guān)的蝕刻行為，并證明了在氮化鎵上選擇性蝕刻氮化鋁的潛力。

使用氫氧化鉀水溶液獲得ⅲ極性和N極性表面的選擇性蝕刻。蝕刻溫度保持在70℃，氫氧化鉀的濃度約為0.18摩爾/升。AlGaN大塊晶體目前不可用。因此，使用DUV發(fā)光二極管。通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在2-in上生長的厚度約為800nm的外延膜來研究AlN和alxga 1xn(0×1)的極性蝕刻選擇性。藍(lán)寶石襯底，用x光衍射估計(jì)這些薄膜的位錯(cuò)密度約為31010cm。所研究的薄膜被制成具有交替的ⅲ-極性和N-極性條紋的橫向極性結(jié)構(gòu)。ⅲ-極性材料的惰性與先前對(duì)氮化鎵和氮化鋁的研究一致。因此，LPS是用于KOH蝕刻實(shí)驗(yàn)的理想結(jié)構(gòu)，因?yàn)镮II極性和N極性條紋之間的高度差的變化是蝕刻速率的簡單而且可靠的測(cè)量。

最初，建立了塊狀氮化鋁和氮化鎵晶體的表面形態(tài)和蝕刻速率，以便與氮化鎵層進(jìn)行比較。在0.18摩爾/升氫氧化鉀下于70℃蝕刻60分鐘的氮化鋁和氮化鎵的n極表面分別如圖1(a)和1(b)所示。兩個(gè)表面都覆蓋有尺寸從1 lm到10 lm的定向六邊形蝕刻小丘。與N極表面相反，ⅲ極氮化鎵和氮化鋁表面對(duì)幾乎沒有活性。

在上述條件下濕法蝕刻后，鎵極性和鋁極性表面保持原子級(jí)光滑，沒有觀察到蝕刻坑或小丘。測(cè)定兩種極性的蝕刻速率，發(fā)現(xiàn)氮極性表面對(duì)氮化鋁的蝕刻速率約為500納米/分鐘，對(duì)氮化鎵的蝕刻速率約為40納米/分鐘，而三極性氮化鋁和氮化鎵的蝕刻速率極低。這些值產(chǎn)生了高于12的N-極性氮化鋁對(duì)N-極性氮化鎵的選擇性，并證明了氫氧化鉀蝕刻用于襯底減薄應(yīng)用或從生長在氮化鋁單晶襯底上的DUV發(fā)光二極管中去除襯底的潛力。

為了確定厚度和蝕刻速率，記錄了蝕刻前后截面圖像。發(fā)現(xiàn)ⅲ極性AlGaN的蝕刻速率低于2納米/分鐘，而N極性表面的蝕刻速率顯著更高。這與早期對(duì)氮化鎵和氮化鋁的研究結(jié)果一致。圖2顯示了含有兩種不同鋁的脂多糖的掃描電鏡圖像。

在生長的氮化鋁LPS中，盡管表面形態(tài)不同，但是N極和III極條紋的厚度是相等的如圖2（a)，將樣品在0.09摩爾/升氫氧化鉀水溶液中蝕刻6分鐘后，完全去除N極區(qū)，露出藍(lán)寶石襯底，見圖2(b)。對(duì)于鋁含量為60%的樣品，如圖2(c)和2(d)所示，N極性和III極性鋁0.6Ga0.4N之間的高度差從140納米變?yōu)?50納米，這表明相對(duì)于氮化鋁的蝕刻速率降低。

N極氮化鋁對(duì)N極氮化鋁的選擇性鋁xGa1xN作為鋁成分的函數(shù)如圖3所示。在AlGaN的整個(gè)組成范圍內(nèi)，觀察到對(duì)AlN的蝕刻選擇性大于1。我們進(jìn)一步觀察到，選擇性隨著鋁成分的減少而增加。氮化鋁和氮化鎵的最大蝕刻選擇性約為12。對(duì)于低位錯(cuò)密度塊體氮化鋁和氮化鎵晶體，在類似條件下獲得的蝕刻選擇性約為13.盡管這些結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)密度比塊體氮化鋁和氮化鎵材料的位錯(cuò)密度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但這與獲得的LPS數(shù)據(jù)一致。這表明在這些溫和的蝕刻條件下，位錯(cuò)在蝕刻行為中不起作用，并且該蝕刻方案被證明。

對(duì)于通過不同方法生長的具有不同晶體質(zhì)量的材料來說是非常通用的襯底去除方法。蝕刻小丘的形成和發(fā)展只能歸因于晶面的不同鍵合條件，這是氮化硅晶體結(jié)構(gòu)的固有特性。

為了證明刻蝕小丘和下面的穿透位錯(cuò)之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步概括各種材料體系的刻蝕行為，分別在70℃氫氧化鉀刻蝕30分鐘后，對(duì)N極氮化鋁和氮化鎵進(jìn)行了截面透射電鏡觀察。如圖4所示，對(duì)于任何一種樣品(氮化鎵和氮化鋁)和任何一種衍射條件(螺旋和邊緣位錯(cuò))，在小丘下面都沒有觀察到位錯(cuò)。因此，蝕刻小丘不能與位錯(cuò)相關(guān)聯(lián)。

上所述，研究了AlN和氮化鎵單晶以及alxga 1xn(0×1)外延層在輕度氫氧化鉀蝕刻劑中的蝕刻行為。結(jié)果表明，隨著AlxGa1xN外延層中鋁成分的增加，n極表面的蝕刻率有所增強(qiáng)。在N極氮化鋁和N極氮化鎵之間測(cè)量到12的選擇性。氧化鋁/氫氧化鋁比鎵的形成和溶解速度更快，我們證實(shí)蝕刻小丘的形成與位錯(cuò)無關(guān)，而是不同晶面結(jié)合條件的結(jié)果?？傊?，在單晶AlN襯底上生長的AlGaN基DUV發(fā)光二極管中，N-極性AlN和AlGaN之間的高選擇性以及對(duì)ⅲ-極性表面的非破壞性行為被證明有希望用于襯底減薄或去除，這將有助于提高DUV發(fā)光二極管的光提取效率。

審核編輯：符乾江