横向电场对GaN纳米磨损的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Influence of lateral electric field on the nanowear of GaN

　　

作者：贾占宇 | 江一龙 | 尹阳 | 钱林茂 | 陈雷

单位：西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所，中国成都 610031

摘要

为了提高氮化镓（GaN）的制造精度并限制氧化损伤，施加了横向电场来调节与Al₂O₃磨料之间的摩擦化学反应。在单晶颗粒与N面GaN滑动过程中，当电压从0 V增加到3 V时，材料去除率最初下降了约30%，然后恢复到初始值。不同接触压力下的去除率遵循阿伦尼乌斯方程，这证实了横向电场有效抑制了界面摩擦化学反应。使用惰性金刚石探针进行的实验排除了纯机械效应的影响，证明电场的主要作用是抑制初始的OH^?氧化反应，从而阻碍了表面软氧化层的形成及随后的界面键合。对类似宏观磨损结果的表征表明，电压的升高首先通过阻止OH^?悬挂键反应来抑制GaN/N-OH终止层的形成，从而减少磨损；进一步增加电压会导致表面束缚电荷被陷阱态捕获并参与后续反应，从而提高去除率。这使得能够在最小化氧化的情况下实现可控的微观材料去除，为达到原子级表面精度提供了途径。

引言

氮化镓（GaN）晶体作为第三代半导体的代表，因其优异的机械性能、宽直接带隙、高热导率、低介电常数和高击穿电压而受到广泛关注。材料参数见表1。这些特性使其在发光二极管[5,6]、高频晶体管[1,7]以及更广泛的微电子和光电子领域[8]中具有巨大应用潜力。随着量子通信和智能电网等关键领域对高性能半导体器件需求的增加，半导体基底的表面要求已从纳米级/亚微米级的延性去除发展为原子级表面完整性的控制[9][10][11]。这一转变对GaN材料的去除精度和表面损伤控制提出了极其严格的要求。

传统上，氮化镓（GaN）表面的平坦化主要依赖于化学机械抛光（CMP）[12][13][14][15]。其基本原理是抛光液中的化学试剂与材料表面发生反应形成软氧化层，随后通过抛光液中的磨料纳米颗粒进行机械去除。然而，由于GaN本身具有很强的化学惰性和高硬度，常规CMP下的材料去除率通常较低[16]（约66.88 nm/h），难以满足当前工业对高效加工的需求。因此，人们开发了几种先进的加工方法：离子刻蚀[17]和多能量场辅助抛光（例如，超声波辅助机械化学抛光[18]、紫外线辅助机械化学抛光[19]、电化学抛光[20]等）。这些方法的基本原理相似：通过加速溶液中OH^?的生成速率或增加GaN抛光表面的空穴数量来增强OH^?与空穴之间的复合反应。这加快了抛光表面的氧化速率，形成了更厚的软氧化层，从而在磨料抛光过程中实现了更大的材料去除量。然而，通过增强氧化速率处理的表面不可避免地会形成非晶氧化层（3～4 nm）和空位等缺陷[21]。这些缺陷会捕获电子[22]，导致显著的漏电流。尽管高温退火或远程等离子体处理等后处理可以减轻这些缺陷，但等离子体可能会深入到亚表面原子层，可能产生新的缺陷，并对器件的寿命和可靠性产生不利影响[23][24][25][26][27]。

近年来，提出了一种基于界面键桥接的GaN去除方法。该方法将去除限制在最外层原子，从而实现原子级别的剥离，同时保持完美的亚表面晶格[28]。XIAO等人[29]系统研究了晶体极性和环境湿度对GaN材料去除的联合影响，证实N面的去除速率显著高于G面，并且随着湿度的升高而显著增加。KRICK等人[30][31][32]研究了GaN纳米磨损的湿度依赖性，发现材料去除率随湿度升高而增加。TEM观察显示GaN的表面晶格保持完整，表明GaN与Al₂O₃之间的去除机制是键断裂。这表明通过控制环境条件和晶体取向来调节界面键桥的生成可能实现低氧化、低缺陷的原子级去除，突显了这种方法的独特潜力。然而，目前尚不清楚如何在GaN的机械化学抛光过程中精确控制界面键桥去除与氧化层的机械去除之间的转换，这成为进一步提高表面精度和损伤控制的瓶颈。最近，Dong等人[19]提出了一种通过紫外线照射生成电子-空穴对的光电化学抛光方法。通过在GaN和溶液之间施加电位差，电子通过外部电路转移到溶液中，而空穴保留在基底表面，从而增强氧化速率。Zhang等人[20]提出了一种通过插入电极来增加溶液中OH^?浓度的电化学抛光方法，同样提高了表面氧化速率。这些研究都利用电场来增加表面氧化速率，随后通过机械方法去除氧化层。值得注意的是，Lu等人的理论研究[33]指出，键介导的去除本质上与界面处电子密度的重新分布有关。这表明，无论是传统的氧化增强路径还是新的键桥接路径，微观过程都深刻依赖于电子行为。

因此，本研究提出使用横向电压作为核心控制方法，并系统研究了其对GaN与氧化铝和金刚石相互作用时的去除行为和机制的影响。宏观磨损测试结合微观表征阐明了施加电场对机械化学去除和纯机械去除模式的差异调节作用。这项研究不仅为理解GaN的低损伤超精密加工机制提供了新的视角，还提出了一种通过主动外部场控制实现难以加工材料（如GaN表面）的高效高质量加工的潜在途径。

章节摘录

材料

所有磨损实验均使用非故意掺杂的c面GaN晶圆（合肥远景材料科技有限公司，中国）作为基底。样品采用氢化物气相外延法制备，随后进行双面抛光。由于长时间在环境条件下储存时氧气分子和水蒸气导致的表面氧化，GaN表面存在一层天然氧化层。为了消除这层氧化层对GaN-Al₂

电压对GaN纳米磨损的影响

为了研究电压对GaN材料去除率的影响，在?3 V至3 V的电压范围内对GaN和Al₂O₃微球对进行了往复纳米磨损实验，同时保持其他实验条件不变（正常载荷为1.98 μN，滑动幅度为500次循环，滑动速度不变）。图2显示了N面GaN的AFM磨损痕迹图像和平均横截面剖面随电压的变化情况。图3a进一步

结论

本研究探讨了电压对GaN与Al₂O₃对之间磨损的影响。实验结果表明，当在GaN上施加电压时，其对N面磨损的抑制作用随着电压的升高而逐渐增强，直到2 V；但电压进一步升高时，这种抑制作用减弱。这种行为归因于在环境气氛中Al₂O₃与GaN N面之间发生的机械诱导摩擦化学反应。

CRediT作者贡献声明

贾占宇：数据整理、形式分析、研究、初稿撰写。江一龙：研究、撰写——审阅与编辑。尹阳：形式分析、撰写——审阅与编辑。钱林茂：资金获取、验证。陈雷：概念构思、资金获取、项目管理、监督、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划-青年科学家计划（编号：2023YFB3405500）、国家自然科学基金（编号：52350411、92580208）以及四川省科技计划（编号：2025ZDZX0028）的支持。我们感谢西南交通大学分析测试中心提供的SEM/EDS测试支持。