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摘要
本文利用n型氮化镓在碱性过氧二硫酸盐S2O2−8溶液中的电化学研究，解释了开路条件下半导体的光刻机理。观察到的铂直接接触半导体或电接触的光蚀刻速率的增强主要是光光效应。阐明了决定蚀刻动力学和表面形态的因素。
介绍
单晶氮化镓和三元第三族氮化物引起了科学界的极大兴趣，它们优越的化学和物理性能在高性能光电和电子器件中得到了应用。蚀刻是器件制造中必不可少的步骤。可以使用干蚀刻技术；这些包括反应离子刻蚀RIE、电子回旋RIE、电感耦合等离子体RIE、磁控管RIE和化学辅助离子束刻蚀。然而，这些技术涉及复杂和昂贵的设备。此外，干法蚀刻可能导致损坏的表面和体电子状态，这对光电子器件的性能有害。湿化学蚀刻提供了一种简单而有吸引力的替代方法， 避免了表面损坏的问题。
本文用S2O2-8碱性溶液中n型氮化镓的电化学研究结果作为考虑半导体光刻的基础。使用了三种方法:I)光阳极蚀刻，其中半导体的电位由电压源稳压器固定，ii)光电流蚀刻，其中半导体在没有电压源的情况下短路到反电极，以及iii)无反电极的无电光刻。在另一篇论文中，我们描述了显示缺陷和图案蚀刻或抛光的最佳S2O 2-8/KOH比率的结果。还考虑了S2O2-8/KOH溶液中缺陷选择性蚀刻的可靠性。
实验
电化学测量在三电极电池中进行，以铂反电极和饱和甘汞电极作为参考。给出了常设专家委员会的潜力。用PSLite控制的恒电位仪PalmSens，PS-PDA1测量黑暗和光照下的电流-电位曲线。以10 mV/s的恒定扫描速率从负电势到正电势记录曲线。短路实验是在一个两室电池中进行的。为了保持电荷平衡，隔室由多孔玻璃料连接。用由LabVIEW控制的HP 3458A万用表测量电流。蚀刻深度用表面轮廓仪测定。用扫描电子显微镜(扫描电镜)对表面形貌进行了表征。用于电化学实验的光源是450瓦氙灯，电源为Oriel 66924。紫外光通过水过滤器后聚焦在基底上。
结果和讨论
氮化镓的光电化学和化学光刻
图1曲线a显示了在黑暗中记录的0.02 M KOH溶液中n型GaN的电流密度-电势图。观察到二极管特性。莫特-肖特基测量显示，平带电势UFB位于1.4v.27在正电势1.0 V下，对应于表面的多数载流子耗尽，没有观察到电流。
图1曲线c显示了在黑暗中记录的0.02M KOH/0.02M S2O2-8溶液中n型氮化镓的电流密度-电位图。同样，在正电势下没有观察到电流。虽然阴极反应的开始发生在氢氧化钾溶液中约1.0 V，但我们看到在加入S2O 2-8后，开始转移到0.8 V。在该电位下，S2O2-8被CB电子还原，形成硫酸根离子和过硫酸根自由基反应1.更正的起始电位表明S2O2-8的还原比O2在GaN上的还原更有利。从1.2到1.7 V，电流密度与电势无关，由S2O2-8浓度和系统的流体动力学决定。当电位低于1.7 V时，水分减少变得重要。
图1曲线d显示阴极电流密度不受光照影响。阳极范围内的电流低于曲线b中观察到的电流。这是由溶液中S2O2-8离子吸收高能光子引起的。吸收在300纳米以下的波长变得显著，在218纳米达到峰值。图1显示，在S2O2-8溶液中，存在一个发生阳极溶解和阴极还原的共同电位范围。这表明非金属化氮化镓薄膜的开路光刻在原理上是可能的。在光照下，氮化镓电极在氢氧化钾/S2O2-8溶液中的开路电位UOC下，光阳极溶解速率等于阴极还原速率。图1，曲线d，显示UOC位于0.9 V进行比较，UOC在KOH溶液中的值为1.0 V。无电光刻的蚀刻速率受动力学控制，即 由界面上的电子和空穴动力学控制，如图2所示。3表示n型电极。
图1
氮化镓的光电刻蚀
图2的曲线a。图4显示了用0.02 M氢氧化钾溶液在两个隔室中未搅拌时记录的电流-时间图。氮化镓电极的面积约为0.09平方厘米.黑暗中看不到电流。在照明时，电流瞬间增加，随后衰减到大约0.1毫安的稳态值。电流由氧向铂表面的质量传输决定，并可通过搅拌或增加铂反电极的面积来增强.11当0.02MS2O2- 8加入反电极的隔室中时，光电流增加超过5倍。4、曲线b。在这种情况下，当S2O2-8被添加到氮化镓电极的隔室中时，这是观察不到的，电流由于S2O2-8的光吸收而减小。电流的增强是光电效应，蚀刻速率由阳极和阴极过程的速率决定。
如图2所示。5建议通过适当选择实验条件，可以控制GaN表面光洁度；光强、OH和s2O2-8浓度、氮化镓/铂表面积比和流体动力学决定了短路电位，从而决定了蚀刻模式。我们通过实验证实了这一点，一些结果显示在图。6.实验是在氮化镓∶铂表面积比为1∶8的单室光电电池中进行的.图6a显示了图案化氮化镓表面的扫描电子显微镜图像，该表面在0.004毫摩尔氢氧化钾/0.02毫摩尔S2O2-8的未蚀刻溶液中蚀刻20分钟。获得了一个光滑的表面，其表面粗糙度与所接收的样品相当(见插图)。蚀刻速率低至3纳米/分钟，并受OH-离子p-OH的质量传输控制，即 “抛光”条件。在扩散控制下，可以通过搅拌或增加氢氧化钾浓度来提高蚀刻速率。
结论
用电化学方法研究了S2O2- 8对n型氮化镓在氢氧化钾溶液中光刻的影响。加入S2O 2-8后，由于溶液吸收了高能光子，光阳极溶解速率降低。加入S2O2-8后，阴极反应开始转变为正电位。因此，开路光刻是可能的。
在负电势下，S2O2-8被还原并形成SO4自由基。通过电致发光测量，我们表明自由基向VB中注入空穴。通过使用一个两室电池，我们发现与贵金属短路的氮化镓可以作为光电流电池。蚀刻后的表面光洁度对实验条件非常敏感:浓度、表面积比、光强和质量传输。
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