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GaAs芯片的表面工艺异常问题

02/18 09:50
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一、砷化镓表面存在氧化层

GaAs属于闪锌矿结构,具有立方晶系Fm3m空间群,晶胞参数为5.646 ?。Ga原子位于晶胞的顶点,As原子位于晶胞的面心和体内,形成四面体结构。

GaAs表面在空气中容易发生氧化反应,生成氧化物如Ga2O3、As2O3和As2O5。这些氧化物进一步与GaAs反应生成更稳定的氧化物。

氧化动力学:As原子比Ga原子更活泼,因此As2O3和As2O5的生成速度较快,而Ga2O3的生成速度较慢。

湿法刻蚀过程中,GaAs表面会形成一层薄的氧化物层,通常为氧化镓(Ga2O3)。这种氧化物层可以通过酸或碱溶液进一步溶解。

湿法刻蚀钝化可去除GaAs材料表面由悬挂键产生的表面氧化层,减弱由表面能带弯曲引起的光生载流子分离效果,同时提高光生载流子的辐射复合效率,进而提高GaAs材料的发光强度。HCl溶液对GaAs衬底表面进行了氯化,Cl-与Ga+或Ga—OH反应在表面生成了稳定的Ga—Cl阻碍层,阻碍了酸溶液与GaAs衬底表面氧化物的化学反应。

二、在砷化镓表面用PECVD镀SiO2容易脱落异常

GaAs上制备SiO2存在SiO2/GaAs界面粘附性较差的问题。特别是,GaAs与SiO2在粘接过程中产生界面分离现象。

看一下这两种材料的区别:GaAs的晶格常数为5.653 ?(立方晶系),而SiO?为无定形结构,其局部晶格排列与GaAs存在显著失配。根据Materials Project计算,SiO?(mp-6930)的特定晶面与GaAs的晶面失配度高达322.6%(例如〈1 0 1〉方向),导致界面应力积累

GaAs表面容易形成As2O3和Ga2O3等氧化物,这些氧化物会阻碍SiO2薄膜的粘附。特别是Ga2O3在晶界处形成,进一步降低了界面的粘附性。使用Ar、N2和NH3作为预处理气体可以显著改善SiO2薄膜与GaAs衬底之间的界面粘附性。特别是氮气预处理,可以在GaAs表面形成薄的氮化镓GaN)过渡层,有效减少氧化砷(As2O3)的不利影响,从而提高界面粘附性。

清洗衬底时使用的酸性或碱性溶液可以去除表面杂质,但无法完全去除自然氧化的砷氧化物。因此,清洗后的衬底表面仍存在氧化砷,这会影响界面粘附性。在SiO2和GaAs之间插入一层Si3N4作为缓冲层,可以有效改善界面粘附性。

三、GaAS表面形成GaN可以提高和SiO2膜的粘附性,但是GaN会影响GaAs的欧姆接触。

带隙差异:GaN的禁带宽度(3.4 eV)远大于GaAs(1.42 eV),导致界面处形成显著的能带偏移,这种不连续性可能在界面处形成势垒,影响载流子的注入效率,从而改变器件的阈值电压或导通电压。具体可能和GaN的膜厚度有关,厚度不大的暂未发现对GaAs芯片的电压影响。至少0.1V的范围内,感受不大变化。

四、GaN膜在GaAs表面,通过稀盐酸能腐蚀掉吗?

GaAs在做电极之前常用稀盐酸去除氧化膜,但是GaN膜很难腐蚀掉。

GaN在室温下对稀盐酸高度稳定,因其化学键(离子-共价混合键)和晶体结构(纤锌矿)具有强抗腐蚀性。实验表明,GaN仅在热碱(如NaOH)或强氧化性酸(如H?PO?:H?SO?混合液)中发生可控腐蚀 。

综合以上,为提高GaAs和SiO2膜的附着力,在二者之间生成一层GaN膜,确实提高了膜的粘附力,但是也会给欧姆接触界面,引入一层GaN膜,想单独去掉GaN膜有点困难,具体影响需要根据具体工艺确认。

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