华南师范大学硕士学位论文 GaN 相关的刻蚀工艺及其效果的研究 姓名：姚光锐申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：范广涵20090501华南师范大学硕士学位论文摘要 GaN 相关的刻蚀工艺及其效果的研究 专业名称：微电子学与固体电子学申请者姓名：姚光锐导师姓名：范广涵摘要由于具有良好的电学特性和热学特性，GaN 材料近年来成为研究的焦点 刻蚀是半导体光电器件制作过程中广泛使用的基本工艺过程本文把两者联 系在一起来研究本文的干刻是指 ICP，湿刻包括传统的湿法刻蚀和紫外光增强湿法刻蚀 鉴于 GaN 基光电器件制作必须面对的问题包括：减少刻蚀引入的缺陷；利用 刻蚀提高内外量子效率本文首先研究 ICP 参数对各种 GaN 材料作用的规律 其次研究湿刻对 GaN 材料作用的效果最后就 ICP 刻蚀损伤及修复进行探讨， 在这部分通常将干刻和湿刻结合起来在上述过程中，表面形貌和光电性质 的表征贯穿始终，而且把刻蚀与应用紧密相连本文获得的主要成果如下：1．对各类 GaN 材料寻找到效果良好的 ICP 参数，并且给出单个参数对刻 蚀粗粗糙度，刻蚀速率，刻蚀损伤的影响2．对各种酸性碱性溶液湿刻效果有详细的分析，并且得出哪些湿法方法 更有利于表面氧化层的去除和欧姆接触。
3．对干法刻蚀损伤修复的办法有具体的陈述，知道 N2 退火是有效途径， 但是并非总是有效；如果湿刻和退火结合，修复效果不错4．刻蚀的应用场合有较为全面而深刻的探究，对刻蚀方面的工作具有指导意义关键词：氮化镓；干法刻蚀；湿刻；光增强湿刻；损伤；修复华南师范大学硕士学位论文AbstractTHE ETCH I NG PROCESS AND EFFECTS RELATED TO GaNMajor：Microelectronics and Solid State ElectronicsName：Guangrui YaoSupervisor：Guanghan FanABSTRACTBecause of its good electrical properties and thermal characteristics，GaN materials become the focus of research in recent years．Etching is the basic process widely used in the production of semiconductor optoelectronic devices．This paper linked the two．In this paper,dry etching refers to inductively coupled plasma(ICP)etching especially．Wet etching includes traditional wet etching and UV-enhanced wet etching．In view of that the production of GaN based optoelectronic devices must consider how to reduce etching—induced defects and improve internal and external quantum efficiency through etching，studies ofthe way in which variousICP etching parameters effects different kinds of GaN is firstly carried out，then the relationship between wet etching and GaN is analyzed，and finally research is did on etching damage and recovery which usually make good use of dry etching and wet etching meantime．In the above—mentioned process，surfacemorphology and optoelectronic characterization al e eyed fi'om beginning to end，moreover,etching is combined with etching．Our work and results includes：(1)Research reasonable ICP etching parameters for various GaN material，furthermore，we obtain the relationship between single parameter and etchingll华南师范大学硕士学位论文Abs 仃 actrate、etching damage、roughness mean square．(2)Etching results of a variety of acidic and alkaline solutions are analyzed， it is pointed out that which method is more conducive to the removal of the surface oxide layer and the reduction ohmic contact．(3)Concrete description is given to recovery oflCP etching．Annealing in N2 is a effective method，but not always effective．It is better when combine wet etching with annealing．(4)Many fields in which etching apply tO have been comprehensive andin-depth investigated，which can be guideline to work involving etching．KEY WORDS：GaN；dry etching；wet etching；photoenhanced wet etching；damage；reCOVer111华南师范大学学位论文原仓 fj 性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担论文作者签名：西乒彬抛又作有佥稻：倒乒形桫乙日期：≥·§3 年明 3 1 日学位论文使用授权声明本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文 (保密的论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在 年后解密适用 本授权书非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书论文作者签名：如妃令杉导师 E：I签名：胗肛日期：≥o|年 s 月 j 1 日 日期：≥为}年 j 一月≥7日$由师范大学颅十学位论文 第章堵论第一章绪论1．1 LED 用到的半导体材料半导体分为二代，按照物理性质和化学性质，以氢化镓(GaN)为代表的 第三代半导体材料，是继第代半导体材料(以硅、锗为代表)和第二代半导 体材料似砷化镓和磷化钢为代表 1 之后，新型半导体。
第三代宽禁带半导体材料具有能隙更宽、饱和电子速率更高、击穿电压 更大、介电常数更小、导热性能更好等特点对 GaN 而占，其化学性质更稳 定、耐高温、耐腐蚀，非常适合于制作抗辐射、它在光器件和高温、高频、 商功率电子器件领域有着广阔的应用前景具体来说，氮化镓材料的禁带宽度为 3．4eV，可以和 InN 饽#带宽度为1,9eV)、An,r(禁带宽度为 6 2eV)组成三元或旧元吲溶体合金体系，其对应的 直接带隙波长覆盖了从红光到紫外的区域，如图 1．1【”所示因此，可以利用 III．v 主族的第三代半导体制成白光 LED它可用于室内室外各种场合的动态 信息显示、下一代 DVD 中的蓝光半导体激光器以及高效节能固体光源高 频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件 一帅、_．r．rL．-．p．r．rL．k．-rL．L，}．P．r．P．P．rfP．rE蕊写酒Ⅲ㈨附㈨蚍帅㈣≯^}：：一§，§ff爿一图卜 1：第二代、}导体禁带宽度与品格常数的燕系华南师范大学硕十学位论文第一章绪论藿≮： 多爱秀誓．垂至Tim：fv《拜订图 1-2：LED 的发光效率与时间的关系LED 的发展历史如图 1．2【11 所示，图中涉及了三代半导体，很明显第三代 半导体发出蓝光，是从上世纪 90 年代开始发展的，这是因为那个时候p-GaN制作成功了。
GaN 基 LED 发展迅速，流明效率提升的很快1．2 GaN 薄膜材料研究状况GaN 光电器件具有优异性能，它们往往对于材料的要求很高，如 GaN 基激光器的材料位错不能高于 106cm 之，而通常得到的 GaN 材料位错一般为109cm 之，这就限制了 GaN 材料在光电领域的很多应用GaN 半导体材料的 商业应用研究开始于 1970 年由于受到没有合适的衬底材料(通常使用的蓝 宝石衬底与 GaN 的晶格失配高达 16％，热失配也很大)、位错密度太高(108cm 之) 等问题的困扰，尤其重要的是 P 型 GaN 迟迟做不出来，GaN 曾被认为是一种 没有希望的材料，因而发展十分缓慢由于 GaN 具有非常高的融点和融解压， 因此生长 GaN 体单晶非常困难，目前主要的生长方法仍是外延生长法异质 外延中普遍存在的一个问题是衬底材料与 GaN 之间存在着较大的晶格失配 和热膨胀系数失配，这对于生长高质量的 GaN 材料是一大障碍，所以选择合 适的衬底十分重要应用于外延 GaN 材料的衬底材料主要有蓝宝石、SIC 和 Si 等，它们就得晶格常数和热膨胀系数与 GaN 之问存在或大或小的差异，这2华南师范大学硕士学位论文第一章绪论会导致生长界面应力的积聚，影响 GaN 材料的结晶质量。
有许多新的工艺可以提高 GaN 薄膜的质量，图形衬底，通常有蓝宝石图形衬底，形状多样，可以沟槽形状的，可以棱柱形状的，手段可以干法刻蚀， 可以湿法刻蚀【21，目前一般湿法刻蚀居多这样生长的薄膜缺陷大大降低， 表面粗糙度下降，光学性质提高纳米孔结构的方法生长高质量 GaN 薄膜也 效果明剧 31，根本上说是通过横向过生长的机理实现的传统的横向过生长的办法(ELO)由于工艺复杂，并且容易引入杂质，不怎么使用了另外，在生长过程中，一般先 1100c 通 H2 高温处理衬底 10min，再降至 所需温度通一定流量的 NH3 氮化衬底，然后在 525 口 c 低温生长 20nm 缓冲层， 温度升到 10600 叵温 6min，是缓冲层重新结晶，之后在 1030℃高温生长 GaN， 这种生长出的薄膜质量不错一般在(0001)面生长 GaN，可以生长在半极 性，无。