背景资料7-n型GaN光化学和光电化学腐蚀.docx

第三章GaN光化学和光电化学腐蚀与剥离3.1引言目前，以GaN为代表Ⅲ-Ⅴ族宽禁带半导体材料由于其优良的物理和化学特性成为当前半导体领域内的研究热点。GaN材料在常温下具有3.39eV的宽直接带隙，我们知道禁带宽度越大，发射光的波长就越短，GaN的发射光达到蓝光波段甚至紫外波段。这种蓝光特性从一开始就吸引了半导体研究人员的极大兴趣。整个半导体材料的兴起就是以1992美国Shuji Nakamura教授制作了第一个GaN材料的LED发光二极管为起点，以1999年日本Nichia公司制备第一个GaN材料的蓝光激光器为标志。除了光学应用外GaN的电子迁移率和饱和速率也十分优异，电子迁移率反映的是材料在低压条件下的高频性能，饱和速率反映的是材料在高压条件下的高频性能，因而更加适合制作高功率高频器件。同时更高的热导率以及击穿电压，加上耐高温，耐辐射，耐辐射使得第三代半导体器件能够很好的适应各种高温大功率的工作环境。虽然GaN性质优异，但一直饱受缺少相匹配的衬底材料的制约以及位错密度大等问题的制约，发展不快。一般只能以异质材料作为衬底，这样存在着诸多弊端，比如像晶格失配，热膨胀系数失配，衬底和外延层化学性质不一致。当然，在多年对这些异质衬底生长方法的不断研究和改进，也取得了一些不错的进展。比如像侧向外延生长技术（epitaxil lateral overgrowth），悬空外延技术(pendo-epitaxy)，以及悬臂梁横向外延技术（cantilever-epitaxy），但这些方法都增加了成本以及生长过程的复杂度。如果可以直接使用GaN衬底材料来进行生长，可以解决上述异质外延带来的问题。不仅如此，如果我们可以直接使用GaN衬底材料来制作相应的半导体器件的话，不仅能够提高器件的性能，也能降低制作器件的成本。目前，主要有三种方向来制备GaN衬底材料：GaN体单晶制备方法，异质外延技术，使用HVPE等方法制备GaN厚膜衬底。HVPE生长技术由于具有生长速度快（最高生长速度可以达到300μm/h）和生长均匀等特点，可以很容易的制得大面的GaN厚膜，并且HVPE技术还具有设备简单，成本低，所以HVPE已经成为制备GaN厚膜的主流技术，并且这些GaN厚膜还可以作为进一步生长的自支撑衬底。通常先是利用HVPE在异质基底（如蓝宝石，碳化硅，砷化镓等）生长出GaN厚膜，然后利用多种技术将GaN厚膜从基底上分离，从而得到自支撑GaN衬底。各种各样的分离方法概括可以分为以下三大类：（1）使用激光辅助剥离技术，将高能量的激光照射到蓝宝石与GaN的界面处，使得GaN受热分解为镓和氮气，从而实现剥离。（2）利用多种优化技术得到高质量的GaN厚膜，直接使用机械方法减薄抛光得到双抛的GaN衬底。（3）缓冲层技术，是研究最多也是各种方法思路层出不穷的技术，它的主要思路是又可以分为两类：（Ⅰ）在生长的过程中采用各种缓冲层（如砷化镓，氮化铝，氨气氨化处理样品等），生长之后再把样品通过化学腐蚀将缓冲层腐蚀，从而得到GaN衬底；（Ⅱ）在生长的过程中，利用多种技术方法在基底与外延GaN层之间形成孔洞结构，这些孔洞结构不仅能够减小位错密度，提高晶体质量，释放残余应力，最重要的是能够在生长完成之后降低到室温情况下，将无裂纹的GaN自动从衬底上剥离。本文主要研究n型GaN光化学和光电化学腐蚀特性，使用通过光化学和光电化学腐蚀等方法，制备多孔GaN结构并在其上外延生长GaN薄膜。通过基底与外延GaN层之间形成孔洞结构实现界面的分离，成功部分分离得到了GaN薄膜。该研究主要是用于进一步的外延以获得大尺寸的GaN衬底。3.2 n型GaN光化学和光电化学腐蚀实验图为电化学腐蚀实验装置。电解液为0.3M/L的草酸溶液。分别以铂丝和样品作为阴极和正极。样品通过铟球与铂丝相连，并用夹子固定。正极和阴极铂丝都与铜导线固定并接到可调电压源的正负极。腐蚀过程在室温下进行，不需要搅拌溶液，可观察到样品表面产生气泡，这是GaN腐蚀分解产生的氮气。到达实验设定时间后立刻将样品取出，依次用丙酮，无水酒精和去离子水进行超声处理，去掉表面污染物。图电化学腐蚀实验装置示意图图为光电化学腐蚀实验装置图。电解液为0.06M/L的KOH溶液。光源为紫外激光器，分从正面入射和从反面入射。实验过程及处理同上。图光电化学腐蚀实验装置图由于n型GaN电化学腐蚀和光电化学腐蚀随硅掺杂浓度的不同，表现出不同的腐蚀特性，本实验制备了两种不同结构的GaN样品。图所示为本实验所用的GaN样品结构示意图。样品1：蓝宝石衬底上用MOCVD生长的高浓度Si掺杂的GaN薄膜。先是在蓝宝石衬底上外延一层2μm厚的未掺杂的GaN缓冲层（UID），然后继续生长一层2μm 厚的Si掺杂的GaN层，Si掺杂的浓度为5×1018 cm-3。样品2：蓝宝石衬底上