台阶仪在半导体的应用|精确测量刻蚀深度和表面图案化

摩擦纳米发电机作为一种环境机械能收集技术，在材料选择、结构设计及表面工程等方面持续优化。表面改性通过调控粗糙度与表面电荷，已成为提升摩擦电输出的重要手段。目前，激光辐照、等离子体刻蚀等方法已在聚合物材料中取得成效，但在金属-半导体体系，尤其是半导体表面图案化方面的研究仍较有限。

GaN作为第三代宽禁带半导体，具备优异的化学稳定性与高电子迁移率，适用于摩擦电层。感应耦合等离子体刻蚀技术具有高精度、参数可控等优势，适用于GaN表面微纳结构的制备。本文基于前期对D-GaN HEMT摩擦特性与能带结构的研究，采用ICP刻蚀技术对其表面进行图案化处理，以探究表面形貌与电荷分布对输出性能的影响。

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台阶仪原理

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台阶仪是一种用于测量物体表面形貌的精密仪器，广泛应用于科学研究、工业生产和质量控制等领域。其工作原理主要基于接触式测量，探针以纳米级接触压力划过试样表面时，微观形貌的梯度变化引发探针产生纵向位移响应。这一过程中，集成于探针组件的高灵敏度传感系统（包含压电传感模块与光电转换单元）实时捕获位移信号，通过多级信号放大与数字滤波处理，最终构建出亚微米级分辨率的三维形貌图谱。

本文采用的是Flexfilm探针式台阶仪，这种探针式表面轮廓仪通过触针沿着样品表面起伏上下运动。传感器捕捉到的信号经过放大、滤波等处理后，生成与触针位移成正比的信号，从而实现对表面形貌的精确测量。本文用于测量样品氮化物半导体材料表面的刻蚀深度。

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图案化D-GaN HEMT的制备与表征

表面图案化D-GaN HEMT的制造工艺流程图（a）超声波清洗（b）旋涂（c）干燥（d）激光直写（e）显影（f）电感耦合等离子体刻蚀（g）去光刻胶（h）刻蚀D-GaN HEMT模型

光刻图案设计

使用MOCVD生长的2英寸D-GaN HEMT晶圆，经超声清洗后旋涂光刻胶，采用激光直写光刻技术定义相切圆阵列图案，显影后形成掩模。

ICP刻蚀工艺

以BCl₃/Ar为刻蚀气体，在优化的ICP功率、射频功率与温度条件下进行刻蚀，形成表面菱形凸起结构，随后去除光刻胶，完成表面图案化。

器件组装与测试

（a）刻蚀切圆的半径（b）“TENG”微图形设计示意图

以铜箔为上摩擦层，图案化D-GaN HEMT为下摩擦层，制备欧姆接触电极。通过线性电机控制滑动摩擦，实时监测开路电压与短路电流。结合XPS、AFM、KPFM、台阶仪等多尺度表征手段，系统分析表面化学、形貌、电势及刻蚀均匀性。

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实验结果与分析

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工作原理分析

（a）电感耦合等离子体刻蚀工艺的机理示意图（b）刻蚀D-GaN HEMT的AFM三维图像（c）Cu/刻蚀 D-GaN HEMT TENG 测试示意图

刻蚀过程中等离子体轰击导致表面氮空位增加，相当于n型掺杂，提升载流子浓度。表面粗糙化增大了有效接触面积，配合异质结构中的二维电子气输运，共同促进界面电荷转移，增强摩擦伏特效应。

刻蚀深度的影响

台阶仪测试的五个采样区域和扫描路径图

通过调控刻蚀时间实现深度渐变（约1 nm/s）。实验表明输出性能随深度先增后减，在约29 nm处达到最优（ISC=36 μA，UOC=28 V）。过深刻蚀将增加串联电阻并限制接触面积进一步扩展，导致输出饱和甚至下降。

图案密度的影响

（a）5个测试采样区域不同刻蚀时间的刻蚀深度（b-f）在区域iii中使用ICP刻蚀不同时间下表面图案化D-GaN HEMT的表面轮廓图像

设计不同半径（90 μm–5 μm）的相切圆图案以调节密度。随着图案密度提高，表面粗糙度增加，短路电流显著上升（最高达50 μA），开路电压基本保持稳定。高密度图案提供了更多电子传输通道，降低接触电阻。

输出功率与应用验证

在最优图案参数下（半径5 μm，刻蚀40 s），器件在匹配负载3 MΩ时实现最大功率密度4.05 W/m²，为未图案化器件的2.8倍。电容充放电实验表明其可驱动LED与UVC光源，具备应用于自供电传感与紫外消毒的潜力。长期稳定性测试显示，经过一年及2200次循环后，输出性能未发生明显衰减，表面结构保持完整。

本文通过ICP刻蚀技术在D-GaN HEMT表面构建可控微结构，系统研究了刻蚀深度与图案密度对摩擦电输出的影响。表面图案化显著提升了短路电流与功率密度，最优条件下功率密度达4.05 W/m²，且器件表现出良好的电学稳定性与实用性。该研究为半导体表面工程在摩擦纳米发电机性能优化中的应用提供了有效途径，拓展了其在低功耗电子、环境监测与智能传感等领域的应用前景。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

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原文参考：《基于氮化物半导体摩擦纳米发电机的设计与特性研究》

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