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第三代半导体材料氮化镓(gallium nitrogen,GaN)已被广泛应用于电子和光电子等诸多领域。然而GaN的化学性质极端惰性,这使得传统的湿法刻蚀方法无法应用于GaN基器件加工。目前,GaN基器件的制备主要依靠物理干法刻蚀技术,但表面不可避免地含有损伤,影响器件的最终性能。近年来,研究发现光电化学(PEC)方法可高效无损地刻蚀GaN,但如何获得高质表面,特别是超平滑的表面,仍有许多理论和技术问题尚待解决。因此,从原理上弄清GaN光电化学界面反应及过程,对发展实用的PEC刻蚀加工方法有着重要的理论指导意义。过去的研究主要关注于碱性溶液GaN的PEC刻蚀。但结果证明在刻蚀最基本的沟槽结构时,很难消除OH-离子扩散所产生的边界效应,即:从溶液中扩散至沟槽两边的OH-离子量高于扩散至沟槽中间的量,使得沟槽具有弯曲的剖面。为解决此问题,本论文拟发展酸性水基液的PEC方法。通过系统调查H+离子浓度(pH)、刻蚀电极电位和溶液流动等关键因素对n型GaN晶体(0001)面PEC刻蚀过程的影响及规律,为发展PEC加工技术提供理论依据。论文第三章首先研究了在酸性溶液中,GaN的平带电位与光阳极电流的起始电位的关系。实验发现平带电位与光阳极电流的起始电位之差(△E)随pH减小而减小。此结果证明△E产生于GaN界面光电化学反应动力学,H+离子浓度越高,光生空穴(h+)越易发生界面传导,进而引发反应。随后,采用以金属钛栅为掩模的图案化的GaN电极,利用钛纳米栅层为阻挡层,系统调查了刻蚀电位和pH对刻蚀速度、刻面平整度、形貌和粗糙度(Ra)的影响及规律。实验发现:(1)采用2mM H2SO4溶液(pH=2.3)在较宽的电位范围内(+0.4～+1.0 V vs SCE)均可获得平整的无边界效应的刻面,Ra约为4.17 nm(5×5μm2),在+0.4 V 下刻蚀速度为 11.25 nm/min高于+1.0 V 下的 5.50 nm/min;(2)在2 mM H2SO4溶液中,另采用流动溶液来改善电极表面物料平衡,在+1.0 V下刻蚀速度增至17.87 nm/min,但Ra也增至20.71 nm,刻蚀面呈有序的单晶台阶形貌,说明在酸性条件下刻蚀可按step-edge方式进行;(3)在0.1 M H2SO4溶液中,在+1.0 V下的刻蚀速度增至35.14 nm/min,Ra 增至 15.41 nm。这些结果揭示高电位、静止的溶液和低H+离子浓度有利于刻出超平滑的表面,但刻蚀速度较慢。原因是这些条件有利于GaN表面在刻蚀时形成均匀的氧化膜,使得刻蚀由最初的固(GaN)/溶液界面反应变成固(GaN)/固(氧化物膜层)/溶液界面反应,GaN刻蚀由氧物种在氧化物膜层的扩散行为所控制,与金属腐蚀的过程相似。实验还发现当pH<5.6溶液中含有适量的磷酸时可促进氧化物膜层的形成,降低刻面Ra。最后,采用荧光检测方法,证明了刻蚀过程中产生了 OH·自由基。论文第四章初步探索了工业上采用的“无电极PEC刻蚀加工体系”来加工沟槽结构。此体系与太阳能电池体系类似,采用沉积在GaN表面的Pt栅纳米层掩模作为阴极,通过氧化剂在金属铂的消耗光生电子来动态地控制图案化GaN表面的PEC刻蚀。实验发展了 一种新的氧化剂过硫酸氢钾复合盐(K2SO4·KHSO4·2KHSO5),并与目前工业常用的K2S2O8氧化剂进行了对比。实验采用溶液静止和流动两种条件,结果发现:(1)采用 2 mM H2SO4+5 mM K2SO4·KHSO4·2KHSO5 时.GaN 的 PEC 刻蚀速率是采用 2 mM H2SO4+5 mM K2S2O8 的 3 至 5 倍(10.33～25.16 nm/min),但刻面Ra达到37.88～88.44 nm;原因在于KHSO5具有更高的氧化电位可氧化金属Pt,这有利于快速消耗光生电子,促进了光生空穴氧化GaN;(2)在 2 mM H2SO4 中加入 20 mM 或 40 mM K2SO4·KHSO4·2KHSO5时,刻蚀为16.52、24.56 nm/min,且刻面无边界效应,Ra减小至12.77和15.33 nm;(3)在 0.1 M H2SO4加入 20 或 40 mM K2SO4·KHSO4·2KHSO5后,刻蚀进一步增至27.67和56.50 nm/min,Ra为31.63和54.74 nm,说明pH减少加快了刻蚀但不利于Ra;(4)在 2mM H2SO4+20 mM K2SO4·KHSO4·2KHSO5 溶液中加入空穴扑捉剂(糠醇和正丙醇),刻蚀速度从16.52nm/min降至6.03和10.27 nm/min,而Ra仅微降至12.17和10.20 nm。这些初步的结果揭示进一步发展“无电极PEC酸性刻蚀加工体系”可制得无边界效应的高质沟槽结构。关键是采用高浓度的(>20 mM)K2SO4·KHSO4·2KHSO5作为氧化剂,无需采用流动溶液方法以及任何有机添加剂,但必须控制刻液pH>2.4使刻蚀时形成高质的氧化膜层。