综述：关于基于GaN的材料的蚀刻过程中等离子体诱导损伤及界面恢复的综述

GaN基器件因宽禁带、高击穿场和优异热稳定性成为下一代半导体核心材料，但纳米级精密蚀刻面临离子轰击损伤问题。传统等离子体干法蚀刻（RIE/ICP）虽能实现高各向异性，但离子轰击导致晶格损伤、表面粗糙和性能退化。湿法蚀刻（KOH/TMAH）虽可部分修复损伤，但存在晶体取向依赖性、过蚀刻及均匀性差等问题。原子层蚀刻（ALE）通过自限制反应实现原子级精度，其中介电等离子体ALE可修复残余损伤，但受限于单次处理深度。离子束ALE通过分离等离子体与离子束步骤提升损伤去除效率，而倾斜离子束ALE通过调整入射角增强垂直结构损伤修复能力，仿真显示高入射角可提升表面平整度和晶格恢复。本文系统综述了GaN蚀刻技术从传统等离子体到新型倾斜离子束ALE的发展，强调其在高密度垂直结构中的潜力与挑战。

　　

Jong Woo Hong|Jong Soon Park|Chan Ho Kim|Woong Sun Lim|Ja Yeon Kim|Doo San Kim|Geun Young Yeom|Dong Woo Kim

韩国庆尚北道水原市成均馆大学（SKKU）先进材料科学与工程学院，邮编16419

摘要

氮化镓（GaN）因其宽禁带、高击穿场强和优异的热稳定性而成为下一代电力和光电子设备的关键材料。随着基于GaN的器件不断向更高集成密度和更复杂的垂直结构发展，精确且可控的刻蚀技术已成为一个关键的技术瓶颈。要实现高性能的GaN器件，需要在纳米尺度上进行高精度刻蚀，目前主要采用干法刻蚀工艺。然而，诸如反应离子刻蚀（RIE）和感应耦合等离子体（ICP）等技术不可避免地会对表面和界面造成离子轰击损伤，从而导致电学和光学性能的下降。为了减轻或消除这种损伤，人们引入了使用KOH和TMAH的湿法刻蚀技术。虽然这些方法在一定程度上能够恢复器件性能，但它们存在晶体取向依赖性、刻蚀不均匀性和过度刻蚀等局限性，因此不太适合高密度、垂直结构的器件。作为替代方案，原子层刻蚀（ALE）技术应运而生，它通过自限制反应实现了原子级别的精度和最小的损伤。基于介电等离子体的ALE在器件性能上有所改进。然而，它在去除深层损伤层或垂直结构中的侧壁缺陷方面仍存在局限性。最近，基于离子束和中性束的ALE方法被提出，以改善刻蚀的方向性和深度控制。尽管在平面区域性能有所提升，但由于离子穿透能力有限，其在垂直结构中的效果仍然受限。为了解决这些问题，倾斜离子束ALE技术被引入，该技术通过控制离子入射角度有效去除了垂直侧壁和深层界面区域的损伤。仿真结果表明，较高的入射角度可以更好地去除损伤原子，提高晶体恢复效果，并使表面形态更加平滑。在这篇综述中，我们系统地探讨了等离子体诱导的损伤机制、湿化学修复过程、基于介电等离子体的ALE、离子束和中性束ALE以及新兴的倾斜离子束ALE技术，强调了它们的机制、优势及局限性。研究结果表明，这项技术可能有助于提高高集成度GaN基器件的界面控制性能；然而，仍需要通过系统的实验验证来确认其在实际器件制造中的有效性。

引言

作为III-V族化合物之一，氮化镓（GaN）由于其宽禁带、高击穿场强和优异的热稳定性，已成为下一代电力半导体和光电子设备的关键材料[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。基于GaN的器件，如AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）、垂直GaN MOSFETs、纳米LEDs和微LEDs，被看作是克服传统Si基器件在高电压、高频率和高功率应用中局限性的替代方案[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而，要在器件层面充分发挥这些性能优势，需要具备纳米精度控制GaN表面和界面的高度可靠的图案化工艺[[17], [18], [19]]。

GaN具有极高的Ga–N键能和化学稳定性，这使得使用湿法刻蚀技术进行图案化几乎是不可能的。因此，基于反应离子刻蚀（RIE）或感应耦合等离子体（ICP）的干法刻蚀在GaN基器件制造中变得不可或缺[[20], [21], [22], [23]]。这些基于等离子体的刻蚀工艺通过离子轰击打破原子键并去除挥发性副产物，实现了高度各向异性和精细的图案定义[[24], [25], [26], [27]]。然而，高能离子轰击会损伤晶体结构，导致非晶化，并产生表面和界面缺陷[[28], [29], [30]]，从而严重降低器件性能，增加漏电流，导致阈值电压不稳定，降低载流子迁移率，并恶化光致发光性能[[31], [32], [33]]。GaN基材料刻蚀中的一个关键挑战是刻蚀深度与器件完整性之间的反比关系[[34], [35], [36], [37], [38]]。

为了减轻这些问题，人们提出了多种损伤去除技术。脉冲等离子体刻蚀试图通过控制离子能量和入射时间来抑制损伤形成，但它只能减少新的损伤，而无法去除已经形成的损伤层[[39,40]]。另一方面，使用KOH或TMAH的湿法刻蚀技术被广泛研究用于选择性地去除等离子体诱导的损伤层[[41], [42], [43]]。然而，这些湿法工艺存在晶体取向依赖性、过度刻蚀风险、表面粗糙度增加以及工艺重复性差等固有局限性[[44,45]]。这些局限性主要源于GaN的各向异性刻蚀行为，这种行为强烈依赖于晶体取向和掩模几何形状。对于现代GaN基器件架构而言，这些缺点是一个重大挑战，因为这些架构需要精确的纳米尺度尺寸控制和任意高的垂直几何形状，尽管在特定取向控制条件下可以获得定义明确的垂直面[[46], [47], [48]]。

在这种背景下，基于自限制反应的原子层刻蚀（ALE）成为GaN基材料刻蚀和损伤去除的新范式[[49], [50], [51], [52], [53]]。通过分离反应和去除步骤，ALE防止了过度材料去除，并实现了原子级别的精确刻蚀[[54], [55], [56], [57]]。基于介电等离子体的ALE因能有效去除RIE后残留的损伤层而受到关注，从而显著恢复了GaN基器件的电学和光学性能。然而，使用TEM、PL和C–V测量的综合分析表明，在某些条件下，基于介电等离子体的ALE的损伤去除协同效应可能无法达到理想的效果，特别是当初始损伤深度超过单次ALE循环可实现的自限制修改范围时[[58,59]]。这种残留损伤会导致阈值电压波动、持续漏电流和光致发光饱和等微妙但关键的可靠性问题[[60,61]]。这突显了ALE的局限性，同时在损伤的“深度”和“方向性”方面也面临新的挑战[[62], [63], [64]]。

为了克服这些局限性，基于离子束的ALE最近受到了关注[[65], [66], [67]]。这种方法允许分别控制等离子体和离子能量，从而实现更精确和定向的损伤去除。尽管基于介电等离子体的ALE无法达到100%的刻蚀协同效应，但离子束ALE的效率可接近100%[[68], [69], [70], [71]]。然而，在高度垂直的GaN结构中，如栅极凹陷或沟槽结构中，有限的离子入射角度仍然阻碍了深层侧壁区域的有效损伤去除。

因此，主动控制离子入射角度的倾斜离子束ALE被提出作为一种有前景的损伤去除策略，值得进一步实验研究[[72], [73], [74], [75]]。倾斜离子束ALE有望提高离子对垂直侧壁和深层界面损伤区域的穿透能力，而这些区域使用传统的垂直离子入射方法往往难以有效处理[[76]]。它可能为提高垂直结构完整性和减少界面损伤提供一种潜在策略，尽管在现实制造条件下仍需进一步实验验证。这一发展不仅仅是一种刻蚀技术的进步，更代表了一种核心的界面工程策略，直接决定了GaN基器件的可靠性和性能[[77], [78], [79]]。

本文系统地回顾了GaN刻蚀技术的发展历程，从传统的基于等离子体的干法刻蚀到脉冲等离子体和湿法损伤去除方法，再到基于介电等离子体的ALE和倾斜离子束ALE。我们特别关注了每种方法的机制和局限性，并强调了倾斜离子束ALE作为实现高集成度和可靠GaN器件的下一代刻蚀和损伤去除策略的技术重要性。

部分内容

反应离子刻蚀（RIE）

由于III-V族材料的化学和物理特性以及GaN基器件的结构要求，反应离子刻蚀（RIE）是必不可少的[[80], [81], [82], [83]]。GaN具有非常高的Ga–N键解离能和显著的化学稳定性，使得使用传统的基于酸或碱的湿法刻蚀技术几乎无法对其进行刻蚀[[84], [85], [86]]。尽管在某些N极性条件下有有限的湿法刻蚀报道，但

氢氧化钾（KOH）湿法刻蚀

为了消除GaN基材料中的离子诱导表面损伤并提高器件性能，人们在RIE刻蚀后使用各种溶液进行湿法刻蚀以去除受损表面层[[91,92]]。KOH是去除GaN基材料损伤的最广泛研究的溶液。图5显示了在80°C下使用40% KOH溶液进行湿法刻蚀后的GaN基微柱的SEM图像。随着湿法刻蚀的进行，RIE引起的损伤层被去除，从而

基于介电等离子体的原子层刻蚀用于损伤去除

当GaN基材料在RIE后进行湿法刻蚀时，等离子体诱导的损伤部分被去除，从而改善了器件性能[[20,21,29]]。然而，正如Lee等人所报告的，湿法刻蚀存在过度刻蚀、工艺可控性不精确（受温度、时间和晶体取向影响）以及潜在的晶圆损伤和污染风险。此外，使用KOH或TMAH的湿法刻蚀还会增加表面粗糙度

未来展望

展望未来，几个研究方向将塑造GaN基器件制造中ALE技术的发展。首先，基于AI的工艺参数优化可能在平衡刻蚀选择性、损伤去除控制和产量方面发挥越来越重要的作用。机器学习辅助的工艺调优能够快速确定最佳的离子能量窗口和吸附条件，特别是对于复杂的多参数ALE系统。

结论

得益于宽禁带、高击穿场强和热稳定性，基于GaN的电力和光电子器件处于下一代半导体技术的前沿。实现高性能GaN器件需要精确的刻蚀工艺，以定义纳米级结构的同时保持表面和界面质量。然而，传统的干法刻蚀方法（如反应离子刻蚀（RIE）和感应耦合等离子体（ICP）不可避免地会造成

CRediT作者贡献声明

Jong Woo Hong：概念构思。Jong Soon Park：方法论。Chan Ho Kim：撰写——初稿。Woong Sun Lim：撰写——审稿与编辑。Ja Yeon Kim：撰写——初稿。Doo San Kim：资源准备。Geun Young Yeom：监督。Dong Woo Kim：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了产业技术研发计划（20022427项目，开发量子效率超过30%的5微米尺寸微LED的制造技术）的支持，该计划由贸易、工业与能源部（MOTIE）和韩国产业技术评估院（KEIT）资助