【摘 要】
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第三代半导体氮化镓（Gallium Nitride,GaN）具有禁带宽（3.4eV）、抗辐射强、击穿电压高、热导率高等优异特质,在电子、光电子等领域有着不可替代的作用。目前GaN基器件的制造主要采用干法刻蚀,需要应用昂贵的设备和复杂的工艺。简单的湿法光电化学（photoelectrochemistry,PEC）刻蚀可以避免上述缺点,但采用现有的PEC方法加工化学性质极端惰性的GaN不仅刻蚀速度慢,
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第三代半导体氮化镓（Gallium Nitride,GaN）具有禁带宽（3.4eV）、抗辐射强、击穿电压高、热导率高等优异特质,在电子、光电子等领域有着不可替代的作用。目前GaN基器件的制造主要采用干法刻蚀,需要应用昂贵的设备和复杂的工艺。简单的湿法光电化学（photoelectrochemistry,PEC）刻蚀可以避免上述缺点,但采用现有的PEC方法加工化学性质极端惰性的GaN不仅刻蚀速度慢,且晶体的缺陷及掺杂不均都会严重影响加工质量。如何使PEC刻蚀加工GaN能够达到高质高效是目前亟需解决的问题,对此,弄清GaN表界面光电化学反应及过程等关键科学问题是发展PEC刻蚀新技术的前提。本论文首先解决了目前工业采用的光电化学刻蚀法加工低掺杂GaN速度慢且不能刻蚀高掺杂GaN等问题,发展了以过硫酸氢钾复合盐（K2SO4·KHSO4·2KHSO5,PMS）作为氧化剂的光电化学刻蚀新体系,取代传统的过硫酸钾（K2S2O8,PS）氧化剂体系,并阐明了新体系能够实现高效高质刻蚀的加工机理。同时,为弄清半导体/氧化物膜层/电解液界面复杂的反应过程（即:氧化物膜层始终处于动态变化状态）,创新地提出一种半导体摩擦光电化学研究方法,自行设计、构建了相关的实验装置,实现了氧化膜层的及时去除或稳定的控制,依此装置,系统地研究了光电化学反应与表面形貌之间的内在联系及影响规律。论文第三章中,提出了一种可应用于工业光电化学刻蚀法加工的新型PMS刻蚀液及工艺,并采用电化学、电子自旋共振、原子力显微镜等多项技术对其进行详细表征,系统探究添加剂、旋转等条件对不同掺杂类型GaN的光电化学刻蚀速率及表面质量的影响及规律,得出如下结论:1.铂（Pt）催化PMS可产生单线态氧,其在Pt表面还原电位为+0.85 V（vs.SCE）,远高于PS在Pt表面的还原电位（+0.00V）。由于光伏刻蚀法的刻蚀速度取决于刻蚀液中氧化剂在金属Pt掩膜上的还原电位,电位越正与GaN光阳极之间的电位差越大驱动刻蚀越快,因此,PMS/Pt刻蚀体系的性能强于传统的PS/Pt体系。PMS/Pt刻蚀新体系可高效高质地刻蚀低掺杂（＜5 × 1017 cm-3）和高掺杂（＞1 × 1018 cm-3）Ga面-GaN,刻蚀速率（material removal rate,MRR）达到 9.67 和 8.15 nm/min,刻面表面粗糙度（Ra）分别为10.51nm、6.31 nm（5 × 5 μm2）。而PS/Pt体系无法刻蚀高掺杂n-GaN,刻蚀低掺杂GaN的速率仅达3.42 nm/min。2.表面氧化层与刻蚀质量密切相关。刻液pH越低,氧化层越薄,刻蚀速率越快;GaN晶片旋转刻蚀可以保持GaN光阳极表面的物料和pH平衡,使刻面的Ra降低,如采用1200rpm的旋转速度,Ra可低至1.43nm（5× 5 μm2）。论文第四章提出了一种半导体摩擦光电化学的研究新方法,设计和构建了可将摩擦与光电化学研究有效结合的力-光电化学研究平台,并在摩擦条件下,采用循环伏安法对自支撑Ga面-GaN光电化学特性进行初步研究,同时研究了电位、pH等因素对GaN光阳极光电化学响应、表面形貌的影响,得出如下结果:1.酸性、中性和碱性条件下,GaN光阳极随电位增加,其表面氧化均会经历非氧化、活化、钝化、过渡和过钝化五个不同的过程。氧化层越厚,起始氧化电位越正;光强不会影响钝化电位,但光强越大,过钝化的峰电流越高;当光强较大且摩擦能力较弱时,高电位氧化使Ra增加,产生三棱锥结构;当光照强度较弱、氧化电位高、摩擦力强时,刻面质量越高,因高电位能有效阻止电子空穴对在缺陷处优势复合。2.电位和溶液pH是影响刻蚀的关键参数:pH越低表面氧化层越薄,电流密度越高,刻面Ra越小。如:pH=1.0,Ea=1.5 V（vs.SCE）,Ra可达0.08 nm（5 × 5 μm2）。
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