【外延论文】在 LPCVD 系统中利用固态镓实现等离子体无损伤的 β-Ga₂O₃ 原位刻蚀

        由美国马萨诸塞大学洛厄尔分校的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Plasma damage-free in situ etching of β-Ga₂O₃ using solid-source gallium in the LPCVD system（在 LPCVD 系统中利用固态镓实现等离子体无损伤的 β-Ga₂O₃ 原位刻蚀）的文章。

摘要

        本研究提出了一种基于固态金属镓（Ga）的原位刻蚀技术，在低压化学气相沉积（LPCVD）系统中实现对 β-Ga₂O₃ 的清洁、各向异性、无等离子体损伤的刻蚀。研究系统地考察了在 (-201) β-Ga₂O₃ 薄膜和经图形化的 (010) β-Ga₂O₃ 衬底上的刻蚀行为，刻蚀条件包括温度（1000–1100 °C）、Ar 载气流量（80–400 sccm）以及 Ga 源与衬底间距（1–5 cm）。结果显示，该工艺呈现蒸汽传输受限与表面反应受限的双重特征，在 1050 °C、源-衬间距 2 cm 的条件下，(010) 衬底上的最大刻蚀速率可达 ~2.25 µm/h。随着源到衬底距离增大，由于可用 Ga 蒸汽减少，刻蚀速率急剧下降；而升高温度则增强了 Ga 的反应性和亚氧化物的形成，从而加快表面反应动力学，促进刻蚀速率提升。通过采用径向沟槽图形的面内各向异性研究发现，(100) 晶向具有最稳定的刻蚀前沿，其特征为光滑、垂直的侧壁以及最小的横向刻蚀，这与其最低表面自由能相一致。相比之下，具有较高表面能的晶向（如 (101)）表现出显著的横向刻蚀与微观台阶化。随着沟槽取向逐渐偏离 (100)，横向刻蚀加剧。在 (100) 与 (⁠-102) 之间观察到晶面演化：其中由交替的 (100) 和 (-102) 段组成的阶梯状侧壁逐渐过渡为单个倾斜刻面，该刻面根据沟槽取向沿 (100) 或 (-102) 稳定下来。（100）取向的鳍片表现出最小的底部曲率，而（201）取向的结构表现出增加的蚀刻不足和沟槽圆化。 总的来说，这些发现确立了基于 LPCVD 的原位蚀刻作为一种可扩展、无损伤和方向选择性的技术，用于制造下一代功率器件中的高纵横比 β-Ga₂O₃ 3D 结构。

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0277909