氮化镓器件制备中的标准光刻技术

实验所用的衬底是基于蓝宝石衬底上MOCVD法生长的n型GaN衬底(缺陷密度~10¹⁰cm^-2)。标准清洗后将GaN外延片放入2%的HF溶液中浸泡10s去除氧化层，经过标准的光刻定义图形后，立即放入ALD设备中，以N₂为载气，TMA和H₂O为前驱气体提供Al源和O源，脉冲式交替冲入腔体内，在300℃下生长5nm非晶Al₂O₃薄膜。然后采用PVD法淀积Ti/Au(50nm/200nm)电极作为类欧姆接触电极。为提高光的透过率，使用PVD法淀积了较薄的Ni/Au(4nm/6nm)的透明电极作为肖特基电极。器件的截面结构图和俯视图如图1、2所示。

图1 器件截面结构图

图2 器件俯视图

  器件制备的主要工艺流程包含清洗、光刻定义图形、生长Al₂O₃薄膜、制备欧姆接触、制备肖特基透明电极、制备肖特基接触电极，具体工艺步骤如下所示。
  1. GaN外延片清洗
  去离子水(DIW)超声清洗5min；丙酮溶液超生波清洗5min；DIW冲洗；HCL:H₂O=1:1溶液浸泡3min；DIW冲洗；2%HF溶液浸泡10s；DIW冲洗；N₂吹干。

2. 使用光刻板1制作对准标记

3. 光刻板2定义Al₂O₃生长区域
  (1)匀胶：
  AZ5214反转胶：500转/秒×9秒；5000转/秒×30秒。
  AZ5214反转胶，其特性为一次曝光后，曝光区域的光敏成份转变成羧酸，可溶于碱性显影液，作为正胶使用；再经过硬烘焙和泛曝后，高温使得光刻胶中树脂成分发生交联反应，羧酸对交联反应具有促进作用，于是曝光区域交联反应较多，溶解性降低，从而未曝光区域溶于显影液，实现反转特性。
  (2)软烘焙：
  在100℃下软烘焙30秒。
  软烘焙的意义在于蒸发掉光刻胶中的一部分溶剂，一方面是为了排除后续光刻过程中溶剂对光的吸收，另一方面是为了让光刻胶与衬底表面较牢固地黏在一起。
  (3)前曝：
  使用光刻板2进行前曝5秒。
  前曝的目的在于将光刻胶中曝光区域内的光敏成分转变成羧酸，变成可溶区域。
  (4)硬烘焙：
  在120℃下硬烘焙90秒。
  硬烘焙的意义在于进一步蒸发光刻胶中的溶剂，使光刻胶与衬底黏结更牢。
  (5)泛曝：
  移除光刻板泛曝20秒。
  泛曝的目的在于使前曝过程中曝光区域从可溶变为不可溶，实现反转特性。
  (6)显影：
  放入碱性显影液中显影30秒。

  4. ALD技术制备
  Al₂O₃将样品放入ALD设备中，300℃下制备5nm厚度的Al₂O₃非晶薄膜。

  5. 剥离光刻胶
  将样品放入丙酮浸泡1分钟；DIW冲洗；N₂吹干，以移除光刻胶。

  6. 光刻板3定义欧姆接触图形
  匀胶：AZ5214：500转/秒×9秒；5000转/秒×30秒；
  软烘焙：100℃×30秒；
  前曝：光刻板3，曝光5秒；
  硬烘焙：120℃×90秒；
  显影：碱性溶液中显影30秒；

  7. 淀积欧姆接触电极
  PVD生长Ti/Au(50nm/200nm)欧姆接触。

  8. 剥离光刻胶
  丙酮浸泡1分钟，DIW冲洗，N₂吹干。

  9. 快速热退火
  700℃的N₂下快速热退火1分钟。

  10. 光刻板2定义肖特基透明电极图案
  匀胶：AZ5214：500转/秒×9秒；5000转/秒×30秒；
  软烘焙：100℃×30秒；
  前曝：光刻板3，曝光5秒；
  硬烘焙：120℃×90秒；
  显影：碱性溶液中显影30秒；

  11. 淀积肖特基透明电极
  PVD生长Ni/Au(4nm/6nm)肖特基透明电极。
  提高光的透过率。

  12. 剥离光刻胶
  丙酮浸泡1分钟，DIW冲洗，N₂吹干。

  13. 光刻板4定义肖特基接触电图案
  匀胶：AZ5214：500转/秒×9秒；5000转/秒×30秒；
  软烘焙：100℃×30秒；
  前曝：光刻板3，曝光5秒；
  硬烘焙：120℃×90秒；
  显影：碱性溶液中显影30秒；

  14. 剥离光刻胶
  丙酮浸泡1分钟，DIW冲洗，N₂吹干。

  15. 器件完成

  器件制备的主要工艺流程如图3所示。

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