专利名称：一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂及制备方法
技术领域：
本发明涉及化学腐蚀技术，具体是一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂及制备方法。
背景技术：
近年来，以GaN为代表的III族氮化物半导体材料，由于其耐高温、耐腐蚀的化学性质，非常适合制作大功率、抗辐射、高频及高密度集成的电子器件、以及蓝、绿光和紫外光电子器件，已经成为世界范围内的研究热点。但是GaN体单晶的制备比较困难，而且难以得到质量比较好、且较大尺寸的GaN体单晶材料作为衬底，因此GaN的外延生长通常是以异质外延的方式进行的。由于衬底材料与外延层GaN间的晶格失配和热失配，在生长过程中会形成很多六角晶粒，这些单个晶粒在GaN外延层中倾斜并旋转分布，从而产生高密度的缺陷。目前GaN外延层中常用的几种腐蚀方法有干法腐蚀、电化学腐蚀和湿法化学腐蚀等，其中，湿法化学腐蚀由于其成本低、实验过程简便、以及对样品无特定几何尺寸要求等，所以被广泛应用于研究GaN外延层中的缺陷。目前常用的表征GaN外延层中缺陷的常用方法是将样品腐蚀处理后，采用扫描电子显微镜(SEM)等手段分析其表面或剖面的形貌，以鉴别 GaN外延层中缺陷的种类及分布特征。发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂及制备方法。该碱性腐蚀剂用于湿法腐蚀GaN材料，能在样品表面形成清晰的腐蚀形貌，有效地显示GaN外延层中的缺陷，并可对缺陷的分布进行研究，分析其表面腐蚀坑的密度与外延层晶体质量之间的关系。该碱性腐蚀剂制作工艺简单、操作方便、实用性强，适用工业化实施。
本发明解决所述腐蚀剂技术问题的技术方案是，设计一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂，其特征在于该碱性腐蚀剂由两种强碱KOH和NaOH按照1-2 2_1的质量比混均而成，用于GaN材料的湿法化学腐蚀。
本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是，设计一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂制备方法，该制备方法先将颗粒状的两种强碱NaOH和KOH分别放在称量纸上，并按所述质量比例分别称取两种强碱；再将按质量比称量好的两种强碱放入镍坩埚中混合均勻即可。
现有技术中的熔融KOH腐蚀速率太快，腐蚀温度受KOH熔点360°C的限制，对过程难以进行控制，容易将GaN外延层完全腐蚀掉。与现有技术相比，本发明表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂为熔融KOH和NaOH的均勻混合态，与酸性腐蚀剂相比，能加快腐蚀速率， 而且降低了溶解温度。本发明所述制备方法工艺简单、操作方便、实用性强，非常适用工业化实施。
图1是质量分数为50%的NaOH水溶液，在恒温为100°C时的电镜照片图2是质量分数为50%的的KOH水溶液，在恒温为100°C时的电镜照片图3是本发明所述碱性腐蚀剂KOH NaOH质量比为1 1、质量分数为50%的的水溶液，在恒温为100°c时的电镜照片图4是单纯NaOH在恒温为290°C熔融时的电镜照片图
图5是单纯KOH在恒温为290°C熔融时的电镜照片图6是本发明所述碱性腐蚀剂KOH NaOH质量比为1 态时的电镜照片图7是本发明所述碱性腐蚀剂KOH NaOH质量比为2 态时的电镜照片图8是本发明所述碱性腐蚀剂KOH NaOH质量比为1 态时的电镜照片图9是本发明所述碱性腐蚀剂KOH NaOH质量比为3 态时的电镜照片图10是本发明所述碱性腐蚀剂KOH NaOH质量比为1 时的电镜照片图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步描述本发明。
本发明设计的表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂(简称碱性腐蚀剂)，其特征在于该碱性腐蚀剂由两种强碱KOH NaOH按质量比为2 1-1 2的比例混均而成，用于 GaN材料的湿法化学腐蚀。
本发明碱性腐蚀剂的制备方法是先将颗粒状的两种强碱NaOH和KOH分别放在称量纸上，并按所述质量比例分别称取两种强碱；再将按质量比称量好的两种强碱放入镍坩埚中混合均勻即可。
本发明碱性腐蚀剂的制备方法中，所述工序本身均为现有技术。本发明制备方法配制工艺简单、技术成熟、毒性较小、不需要新设备，非常适用工业化实施应用。
研究表明，本发明碱性腐蚀剂可清晰的将三种六方形的腐蚀坑完全显示出来，其中螺位错对应的腐蚀坑是梯形六面柱结构，刃位错对应的腐蚀坑是倒置六面锥体结构，混合位错是螺位错和刃位错的混合体。通过统计单位面积内的腐蚀坑个数，分别得出GaN外延层中刃位错密度，螺位错密度，混合位错密度。
利用本发明碱性腐蚀剂湿法腐蚀GaN材料，能在样品表面形成清晰的腐蚀形貌， 有效的显示GaN外延层中的缺陷，并可对缺陷的分布进行研究，分析其表面腐蚀坑的密度与外延层晶体质量之间的关系。
为了探寻适当的质量配比和最好的积极效果，本发明做了大量实验研究
1.先在清洗好的烧杯中配制质量分数为50%的NaOH水溶液，然后把烧杯放置在电热恒温鼓风干燥箱中，控制温度在100°c，研究这种腐蚀剂，即浓度为2mol的NaOH水溶液对GaN外延层中位错的影响(参见图1)。1、恒温为熔融状 1、恒温为熔融状 2、恒温为熔融状 1、恒温为熔融状 3、恒温为熔状态
2.先在清洗好的烧杯中配制质量分数为50%的KOH水溶液，然后把烧杯放置在电热恒温鼓风干燥箱中，温度控制在100°c，研究这种腐蚀剂，浓度为2mol的KOH水溶液对 GaN外延层中位错的影响(参见图2)。
3.将颗粒状的NaOH和KOH分别放在称量纸上，并称取相同质量，然后将称量好的两种强碱放入清洗好的烧杯中，配制成质量分数为50%的混合强碱水溶液，然后把烧杯放置在电热恒温鼓风干燥箱中，控制温度在100°C，研究混合强碱腐蚀剂对GaN外延层中位错的影响(参见图3)。
4.先将盛有5克NaOH的镍坩埚放置在万用电炉的石棉网上，加热使其成熔融态， 用控温仪(型号CH902，下同)将其温度控制在290°C，研究熔融NaOH腐蚀剂对GaN外延层中位错的影响(参见图4)。
5.先将盛有5克KOH的镍坩埚放置在万用电炉的石棉网上，加热使KOH成熔融态， 用控温仪将其温度控制在^KTC,研究熔融KOH腐蚀剂对GaN外延层中位错的影响(参见图 5)。
6.先将颗粒状2. 5克NaOH和2. 5克KOH (即KOH与NaOH质量比为1 1)分别放在称量纸上，称量好的两种强碱放入镍坩埚中混合；然后将坩埚放置在万用电炉的石棉网上，加热使NaOH和KOH混合物成熔融态，用控温仪控制温度在290°C，研究NaOH和KOH混合腐蚀剂对GaN外延层中位错的影响(参见图6)。
7.采用恒温为290°C的熔融混合强碱(Κ0Η与NaOH质量比为2 1)对GaN外延层进行腐蚀(参见图7)。
8.采用恒温为290°C的熔融混合强碱(Κ0Η与NaOH质量比为1 2)对GaN外延层进行腐蚀(参见图8)。
9.采用恒温为290°C的熔融混合强碱(Κ0Η与NaOH质量比为3 1)对GaN外延层进行腐蚀(参见图9)。
10.采用恒温为290°C的熔融混合强碱(Κ0Η与NaOH质量比为1 3)对GaN外延层进行腐蚀(参见图10)。
在实验研究中，实施例1-3只能观察到极少数量的腐蚀坑，结果并不明显(参见图 1-3)；实施例4-5能观察到部分腐蚀坑(参见图4-5)；实施例7-8可清晰观察到部分腐蚀坑 (参见图7-8)；实施例9中的KOH比例过大，腐蚀过快，发生了过腐蚀现象，出现了三角坑， 与衬底蓝宝石的腐蚀坑相似，判断为外延层被腐蚀掉(参见图9)；而实施例10中的NaOH比例过大，抑制了 KOH的腐蚀作用，腐蚀坑未完全显示(参见图10)。
实验研究表明，混合碱性腐蚀剂KOH NaOH质量配比适当的使用范围在 2:1-1: 2之间，而对于质量比为1 1的KOH与NaOH混合强碱腐蚀剂效果最好，为最佳组合，经其腐蚀后，可观察到清晰的所有几何形状的腐蚀坑。
本发明碱性腐蚀剂可将GaN外延层中的不同立体几何形状的位错完全显示出来。 其研究应用主要是估计位错密度，分析腐蚀后形成的腐蚀坑与位错之间的关系，计算不同几何形貌腐蚀坑的数量，分别估计螺位错、刃位错以及混合位错密度。本发明未述及之处适用于现有技术。
权利要求
1.一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂，其特征在于该碱性腐蚀剂由两种强碱 KOH和NaOH按照1_2 2-1的质量比混均而成，用于GaN材料的湿法化学腐蚀。
2.根据权利要求1所述的表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂，其特征在于该碱性腐蚀剂由两种强碱KOH和NaOH按照1 1的质量比混均而成。
3.—种权利要求1或2所述的表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂制备方法，该制备方法先将颗粒状的两种强碱NaOH和KOH分别放在称量纸上，并按所述质量比例分别称取两种强碱；再将按质量比称量好的两种强碱放入镍坩埚中混合均勻即可。
全文摘要
本发明公开一种表征GaN外延层中缺陷的碱性腐蚀剂及制备方法。该碱性腐蚀剂特征在于其由两种强碱KOH和NaOH按照1-2:2-1的质量比混均而成，用于GaN材料的湿法化学腐蚀。该制备方法先将颗粒状的两种强碱NaOH和KOH分别放在称量纸上，并按所述质量比例分别称取两种强碱；再将按质量比称量好的两种强碱放入镍坩埚中混合均匀即可。
文档编号G01N23/22GK102494934SQ20111042848
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者刘彩池, 张昆, 田园, 解新建, 郝秋艳 申请人:河北工业大学
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