随着对半导体器件性能要求的日益增长,半导体材料制备技术取得了长足进步,具有高电子迁移率、耐辐射、耐高温性能的第三代半导体材料氮化镓（Gallium Nitride,GaN）,在先进5G通讯射频芯片、大功率器件和军用雷达领域显示出极大的应用价值和前景。GaN晶片作为衬底进行同质外延生长或器件制作时,为了获得更好的外延生长质量并充分发挥器件性能,需要晶片具有超光滑和近无损伤的表面。目前主要采用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing,CMP）方法进行GaN晶片的最终加工,虽然可获得超光滑和近无损伤表面,但是由于GaN硬度大、化学惰性强,其CMP加工效率低,加工周期长,成为严重制约GaN基半导体器件开发和应用的瓶颈之一。本文针对GaN晶片在CMP加工中材料去除率（Material Removal Rate,MRR）极低的问题,从GaN的半导体特性和光电化学氧化反应原理出发,基于光、电、化学和机械多能场复合加工思路,创新提出了 GaN晶片的光电化学机械抛光（Photoelectrochemical Mechanical Polishing,PECMP）新原理和新方法。通过系统的理论和试验研究,确定了 GaN晶片光电化学氧化反应体系和条件,揭示了 PECMP材料去除机理,研制了 PECMP原理样机并开展了 PECMP试验研究,实现了 GaN晶片超光滑和近无损伤表面的高效抛光试验验证。主要研究内容及结论如下:（1）从GaN晶体能带理论出发,分析了 CMP加工中外加氧化剂对晶片表面的氧化过程,研究了 GaN晶片表面在紫外光（Ultraviolet,UV）直接照射作用下电子（e-）-空穴（h+）对的产生、复合和分离过程,结果表明,极低的表面氧化反应速度是制约GaN晶片CMP效率提升的关键,晶片表面在UV作用下的光生e--h+对极易发生复合而消失,施加外加电压可以实现光生e-h+对的有效分离。在此基础上,提出了外加电压作用下的PECMP新原理和新方法。新方法可从原理上实现整个晶片表面交替被UV直接照射和磨粒的机械抛光作用。（2）根据PECMP新方法的原理,研发了 GaN晶片PECMP试验装置,所研发的实验装置具有UV直接照射、晶片与抛光垫相对运动、抛光压力加载、外加电压实时施加和电信号不间断采集等功能,可实现晶片表面在PECMP过程中的光电化学氧化和机械抛光协同作用。（3）根据GaN材料特性和PECMP反应需求,确定了以SiO2为磨粒、以H2SO4和KOH作为pH值调节剂,以K2SO4作为弱酸、弱碱性或中性条件下的支撑电解质,不含强氧化剂的简单组分抛光液。研究了抛光液中SiO2磨粒粒径及浓度对抛光液透光性的影响规律,测试表征了 SiO2磨粒形貌,综合考虑不同粒径SiO2磨粒的材料去除能力和抛光后的晶片表面质量,确定了 SiO2磨粒粒径为25 nm、质量浓度为5 wt%的抛光液基础成分。（4）采用线性电势扫描伏安法研究了 GaN晶片PECMP试验中外加电压对光电流的影响规律,研究了晶片在PECMP试验中的主要化学反应和外加电压促进光生e--h+对分离的现象,发现了外加电压是促进光生e--h+对分离的根本原因,分离后的e-形成的光电流随着外加电压的增大而增大,在电压超过约1.5 V后光电流增长逐渐趋于平缓,确定了有效分离光生e--h+对的合理电位区间。揭示了 GaN晶片PECMP材料去除机理:晶面表面被UV直接照射形成光生e--h+对,外加电压促进e--h+对分离,分离后的h+氧化晶片表面形成氧化层,氧化层被SiO2磨粒机械抛光去除,实现对GaN晶片表面的抛光。（5）开展了GaN晶片恒电位PECMP试验,研究了外加电压和抛光液pH值对MRR的影响。在抛光液pH值为1,外加电压为2.5 V时,MRR约为1.20 μm/h,比CMP加工MRR（最高0.159μm/h）高1个数量级。晶片经过135 min的PECMP试验,前道金刚石磨粒研磨加工导致的损伤层被去除,表面糙度达到Sa 0.122 nm,实现了 GaN晶片的高质高效抛光。