一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑及製備方法
2023-10-19 01:23:12
專利名稱：一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑及製備方法
技術領域：
本發明涉及化學腐蝕技術，具體是一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑及製備方法。
背景技術：
近年來，以GaN為代表的III族氮化物半導體材料，由於其耐高溫、耐腐蝕的化學性質，非常適合製作大功率、抗輻射、高頻及高密度集成的電子器件、以及藍、綠光和紫外光電子器件，已經成為世界範圍內的研究熱點。但是GaN體單晶的製備比較困難，而且難以得到質量比較好、且較大尺寸的GaN體單晶材料作為襯底，因此GaN的外延生長通常是以異質外延的方式進行的。由於襯底材料與外延層GaN間的晶格失配和熱失配，在生長過程中會形成很多六角晶粒，這些單個晶粒在GaN外延層中傾斜並旋轉分布，從而產生高密度的缺陷。目前GaN外延層中常用的幾種腐蝕方法有幹法腐蝕、電化學腐蝕和溼法化學腐蝕等，其中，溼法化學腐蝕由於其成本低、實驗過程簡便、以及對樣品無特定幾何尺寸要求等，所以被廣泛應用於研究GaN外延層中的缺陷。目前常用的表徵GaN外延層中缺陷的常用方法是將樣品腐蝕處理後，採用掃描電子顯微鏡(SEM)等手段分析其表面或剖面的形貌，以鑑別 GaN外延層中缺陷的種類及分布特徵。發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑及製備方法。該鹼性腐蝕劑用於溼法腐蝕GaN材料，能在樣品表面形成清晰的腐蝕形貌，有效地顯示GaN外延層中的缺陷，並可對缺陷的分布進行研究，分析其表面腐蝕坑的密度與外延層晶體質量之間的關係。該鹼性腐蝕劑製作工藝簡單、操作方便、實用性強，適用工業化實施。
本發明解決所述腐蝕劑技術問題的技術方案是，設計一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑，其特徵在於該鹼性腐蝕劑由兩種強鹼KOH和NaOH按照1-2 2_1的質量比混均而成，用於GaN材料的溼法化學腐蝕。
本發明解決所述製備方法技術問題的技術方案是，設計一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑製備方法，該製備方法先將顆粒狀的兩種強鹼NaOH和KOH分別放在稱量紙上，並按所述質量比例分別稱取兩種強鹼；再將按質量比稱量好的兩種強鹼放入鎳坩堝中混合均勻即可。
現有技術中的熔融KOH腐蝕速率太快，腐蝕溫度受KOH熔點360°C的限制，對過程難以進行控制，容易將GaN外延層完全腐蝕掉。與現有技術相比，本發明表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑為熔融KOH和NaOH的均勻混合態，與酸性腐蝕劑相比，能加快腐蝕速率， 而且降低了溶解溫度。本發明所述製備方法工藝簡單、操作方便、實用性強，非常適用工業化實施。
圖1是質量分數為50%的NaOH水溶液，在恆溫為100°C時的電鏡照片圖2是質量分數為50%的的KOH水溶液，在恆溫為100°C時的電鏡照片圖3是本發明所述鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量比為1 1、質量分數為50%的的水溶液，在恆溫為100°c時的電鏡照片圖4是單純NaOH在恆溫為290°C熔融時的電鏡照片圖
圖5是單純KOH在恆溫為290°C熔融時的電鏡照片圖6是本發明所述鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量比為1 態時的電鏡照片圖7是本發明所述鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量比為2 態時的電鏡照片圖8是本發明所述鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量比為1 態時的電鏡照片圖9是本發明所述鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量比為3 態時的電鏡照片圖10是本發明所述鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量比為1 時的電鏡照片圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖進一步描述本發明。
本發明設計的表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑(簡稱鹼性腐蝕劑)，其特徵在於該鹼性腐蝕劑由兩種強鹼KOH NaOH按質量比為2 1-1 2的比例混均而成，用於 GaN材料的溼法化學腐蝕。
本發明鹼性腐蝕劑的製備方法是先將顆粒狀的兩種強鹼NaOH和KOH分別放在稱量紙上，並按所述質量比例分別稱取兩種強鹼；再將按質量比稱量好的兩種強鹼放入鎳坩堝中混合均勻即可。
本發明鹼性腐蝕劑的製備方法中，所述工序本身均為現有技術。本發明製備方法配製工藝簡單、技術成熟、毒性較小、不需要新設備，非常適用工業化實施應用。
研究表明，本發明鹼性腐蝕劑可清晰的將三種六方形的腐蝕坑完全顯示出來，其中螺位錯對應的腐蝕坑是梯形六面柱結構，刃位錯對應的腐蝕坑是倒置六面錐體結構，混合位錯是螺位錯和刃位錯的混合體。通過統計單位面積內的腐蝕坑個數，分別得出GaN外延層中刃位錯密度，螺位錯密度，混合位錯密度。
利用本發明鹼性腐蝕劑溼法腐蝕GaN材料，能在樣品表面形成清晰的腐蝕形貌， 有效的顯示GaN外延層中的缺陷，並可對缺陷的分布進行研究，分析其表面腐蝕坑的密度與外延層晶體質量之間的關係。
為了探尋適當的質量配比和最好的積極效果，本發明做了大量實驗研究
1.先在清洗好的燒杯中配製質量分數為50%的NaOH水溶液，然後把燒杯放置在電熱恆溫鼓風乾燥箱中，控制溫度在100°c，研究這種腐蝕劑，即濃度為2mol的NaOH水溶液對GaN外延層中位錯的影響(參見圖1)。1、恆溫為熔融狀 1、恆溫為熔融狀 2、恆溫為熔融狀 1、恆溫為熔融狀 3、恆溫為熔狀態
2.先在清洗好的燒杯中配製質量分數為50%的KOH水溶液，然後把燒杯放置在電熱恆溫鼓風乾燥箱中，溫度控制在100°c，研究這種腐蝕劑，濃度為2mol的KOH水溶液對 GaN外延層中位錯的影響(參見圖2)。
3.將顆粒狀的NaOH和KOH分別放在稱量紙上，並稱取相同質量，然後將稱量好的兩種強鹼放入清洗好的燒杯中，配製成質量分數為50%的混合強鹼水溶液，然後把燒杯放置在電熱恆溫鼓風乾燥箱中，控制溫度在100°C，研究混合強鹼腐蝕劑對GaN外延層中位錯的影響(參見圖3)。
4.先將盛有5克NaOH的鎳坩堝放置在萬用電爐的石棉網上，加熱使其成熔融態， 用控溫儀(型號CH902，下同)將其溫度控制在290°C，研究熔融NaOH腐蝕劑對GaN外延層中位錯的影響(參見圖4)。
5.先將盛有5克KOH的鎳坩堝放置在萬用電爐的石棉網上，加熱使KOH成熔融態， 用控溫儀將其溫度控制在^KTC,研究熔融KOH腐蝕劑對GaN外延層中位錯的影響(參見圖 5)。
6.先將顆粒狀2. 5克NaOH和2. 5克KOH (即KOH與NaOH質量比為1 1)分別放在稱量紙上，稱量好的兩種強鹼放入鎳坩堝中混合；然後將坩堝放置在萬用電爐的石棉網上，加熱使NaOH和KOH混合物成熔融態，用控溫儀控制溫度在290°C，研究NaOH和KOH混合腐蝕劑對GaN外延層中位錯的影響(參見圖6)。
7.採用恆溫為290°C的熔融混合強鹼(Κ0Η與NaOH質量比為2 1)對GaN外延層進行腐蝕(參見圖7)。
8.採用恆溫為290°C的熔融混合強鹼(Κ0Η與NaOH質量比為1 2)對GaN外延層進行腐蝕(參見圖8)。
9.採用恆溫為290°C的熔融混合強鹼(Κ0Η與NaOH質量比為3 1)對GaN外延層進行腐蝕(參見圖9)。
10.採用恆溫為290°C的熔融混合強鹼(Κ0Η與NaOH質量比為1 3)對GaN外延層進行腐蝕(參見圖10)。
在實驗研究中，實施例1-3隻能觀察到極少數量的腐蝕坑，結果並不明顯(參見圖 1-3)；實施例4-5能觀察到部分腐蝕坑(參見圖4-5)；實施例7-8可清晰觀察到部分腐蝕坑 (參見圖7-8)；實施例9中的KOH比例過大，腐蝕過快，發生了過腐蝕現象，出現了三角坑， 與襯底藍寶石的腐蝕坑相似，判斷為外延層被腐蝕掉(參見圖9)；而實施例10中的NaOH比例過大，抑制了 KOH的腐蝕作用，腐蝕坑未完全顯示(參見圖10)。
實驗研究表明，混合鹼性腐蝕劑KOH NaOH質量配比適當的使用範圍在 2:1-1: 2之間，而對於質量比為1 1的KOH與NaOH混合強鹼腐蝕劑效果最好，為最佳組合，經其腐蝕後，可觀察到清晰的所有幾何形狀的腐蝕坑。
本發明鹼性腐蝕劑可將GaN外延層中的不同立體幾何形狀的位錯完全顯示出來。 其研究應用主要是估計位錯密度，分析腐蝕後形成的腐蝕坑與位錯之間的關係，計算不同幾何形貌腐蝕坑的數量，分別估計螺位錯、刃位錯以及混合位錯密度。本發明未述及之處適用於現有技術。
權利要求
1.一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑，其特徵在於該鹼性腐蝕劑由兩種強鹼 KOH和NaOH按照1_2 2-1的質量比混均而成，用於GaN材料的溼法化學腐蝕。
2.根據權利要求1所述的表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑，其特徵在於該鹼性腐蝕劑由兩種強鹼KOH和NaOH按照1 1的質量比混均而成。
3.—種權利要求1或2所述的表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑製備方法，該製備方法先將顆粒狀的兩種強鹼NaOH和KOH分別放在稱量紙上，並按所述質量比例分別稱取兩種強鹼；再將按質量比稱量好的兩種強鹼放入鎳坩堝中混合均勻即可。
全文摘要
本發明公開一種表徵GaN外延層中缺陷的鹼性腐蝕劑及製備方法。該鹼性腐蝕劑特徵在於其由兩種強鹼KOH和NaOH按照1-2:2-1的質量比混均而成，用於GaN材料的溼法化學腐蝕。該製備方法先將顆粒狀的兩種強鹼NaOH和KOH分別放在稱量紙上，並按所述質量比例分別稱取兩種強鹼；再將按質量比稱量好的兩種強鹼放入鎳坩堝中混合均勻即可。
文檔編號G01N23/22GK102494934SQ20111042848
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者劉彩池, 張昆, 田園, 解新建, 郝秋豔 申請人:河北工業大學