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【国内论文】浙江大学杨德仁院士领导的研究团队---KOH 溶液刻蚀在 (100) β-Ga₂O₃ 缺陷表征中的应用研究
日期：2025-03-25阅读：102
由浙江大学的研究团队在学术期刊 Materials Science in Semiconductor Processing 发布了一篇名为An effective KOH solution etching method in defect characterization of (100) β-Ga2O3（KOH 溶液刻蚀在 (100) β-Ga2O3 缺陷表征中的应用研究）的文章。
项目支持
该项研究得到浙江省“尖兵”“领雁”计划（2023C01193）、国家自然科学基金（52202150、22205203、62204218）、中央高校科学研究基金（226-2022-00200、226-2022-00250）的资助、 博士后创新人才支持计划（BX20220264）、国家青年拔尖人才支持计划、杭州市领军型创新创业团队引进培育计划（TD2022012）。
背景
β-Ga2O3 由于其超宽禁带、高击穿电场等特性，在高功率电子和光电子器件中具有重要应用。然而，材料的缺陷（如位错、应变和空洞）会影响其性能，因此有效的缺陷检测技术至关重要。传统上，磷酸（H3PO4）刻蚀常用于 β-Ga2O3 (100) 面的缺陷表征，但其对不同类型缺陷的分辨能力有限。因此，该团队研究了 KOH 溶液刻蚀法，以提高缺陷选择性和检测精度。
摘要
化学蚀刻为揭示半导体材料中的缺陷提供了一种简单且高效的方法，凸显了蚀刻剂选择的重要性。虽然磷酸（H3PO4）常用于 β-Ga2O3（100）表面的缺陷选择性蚀刻，但其无法有效区分不同类型的缺陷，因此需要使用替代蚀刻剂，如碱性溶液。该项研究中，研究团队使用 30%（质量分数） KOH 溶液对 β-Ga2O3（100）表面进行缺陷选择性蚀刻的动力学，确定了活化能（Ea）为 0.671 eV，并确定了最佳的缺陷选择性蚀刻条件为 110°C 下蚀刻 1.5 h。通过光学显微镜（OM）观察到了三种类型的蚀刻坑，随后通过透射电子显微镜（TEM）结合聚焦离子束（FIB）将其分别鉴定为与位错、应变和空洞相关的蚀刻坑。与磷酸相比，KOH 蚀刻能够直接通过 OM 区分 β-Ga2O3（100）表面上的这些类型缺陷，为缺陷揭示提供了一种更有效且更准确的方法。这项研究提出了一种新颖且高效的在（100）晶面上揭示缺陷的方法，突显了其在 β-Ga2O3 缺陷表征方面的潜力。
实验细节
(1) 材料与刻蚀方法
· 未掺杂 β-Ga2O3(100) 单晶，尺寸10×10×0.5 mm3，双面化学机械抛光（CMP）。
· KOH 溶液刻蚀：30wt% KOH，温度90–130°C，时间1.5h。
· H3PO4 刻蚀对比：85 wt% H3PO4，150°C，5h。
· 组合刻蚀实验：先用KOH刻蚀0.5h，之后利用H3PO4刻蚀3h，最后再用KOH刻蚀1.5h。
(2) 结构与缺陷表征
· 光学显微镜（OM）：观察缺陷刻蚀坑的形貌和分布。
· 扫描电子显微镜（SEM）：高分辨成像分析刻蚀坑的几何特征。
· 透射电子显微镜（TEM）+聚焦离子束（FIB）：制备刻蚀坑的截面样品，分析缺陷类型。
· 拉曼光谱（Raman）+XRD：验证应变分布和晶体质量变化。
创新点
· 首次系统研究 KOH 溶液刻蚀对 β-Ga2O3 (100) 面缺陷的选择性，并优化了最佳刻蚀参数（110°C, 1.5 h）。
· 区分三种不同类型的缺陷（位错、应变、空洞），提高了缺陷检测精度，弥补 H3PO4 方法的不足。
· 结合 TEM + FIB 技术，揭示不同刻蚀坑的微观结构，为 β-Ga2O3 晶体缺陷的分析提供了新工具。
结论
该研究证明 30 wt% KOH 溶液在 110°C 刻蚀 1.5 h 可作为高效、选择性强的 β-Ga2O3 (100) 面缺陷检测方法。相比传统 H3PO4 刻蚀，KOH 方法能够更直观、准确地识别缺陷类型，尤其适用于快速工业检测和晶体质量评估。研究结果为 β-Ga2O3 的器件制备和质量控制提供了新思路。
图 1. 在 30 wt% KOH 溶液中于 (a) 90 °C (b)100 °C (c)110 °C (d)120 °C (e)130 °C 下蚀刻的 (100) 取向表面的光学显微镜图像。蚀刻时间均为 1.5 h。
图 2. 在 30 wt% KOH 溶液中蚀刻的 (100) 取向表面在 90-130 °C范围内的额定蚀刻速率 Arrhenius 图。
DOI：
doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109470
