電化學蝕刻(Electrochemical Etching)與相關陽極氧化的製程是重要的半導體材料技術,也是現今奈米科技中製作奈米結構的一種關鍵技術。實施電化學蝕刻反應關鍵物種是電洞(h+),固態表面鍵結原子的化學鍵可由電洞注入而弱化之使組成原子群被解離成離子狀態,易於受電解液所侵蝕而溶入電解液中,進而使表面形成具有量子物理特性的奈米結構。因此適用這種材料技術的半導體材料多為P型電性的材料。以矽晶為例,當接負極作陰極的白金電極與接正極作陽極之矽晶材料一同置入氫氟酸(HF)電解液中施予電場時,大量電洞流至矽晶表面晶格內使液/固面產生氧化還原反應-在矽晶表面的懸掛鍵也因輸入電洞產生排斥作用而驅走原本附著其上的氫離子。氫離子一離開,周圍帶負電性的氟離子立即接手補上與呈現正電性的懸掛鍵相結合。此時表面矽原子與矽基板原子間鍵結的電子除了受到在晶格中的持續輸入電洞的弱化,也同時吸附氟離子強大陰電性的吸引力干擾,因此Si(表面)-Si(基板)間的鍵結力大幅弱化而斷裂,周圍的氟離子趁機滲透吸附在斷鍵上,如此重覆動作直到這矽表面原子四個價鍵都被四個氟離子包圍結合形成SiF4(s),兩份氫氟分子緊接被吸引進來與這SiF4原子團簇結合,於是脫離基板表面溶在水中,讓表面形成孔洞狀態。另一方面,N型矽的主要載子是電子,飄移速率為電洞三倍,因此經陽極氧化後產生量子侷限的奈米結構後非常適合製作矽光子元件,而且N型多孔矽獨特奈米尺度孔洞輪廓亦是P型矽晶難以製作。但由於N型矽基板缺乏陽極氧化的要素-電洞,這成為製作多孔層的最大障礙。現有的方法是在進行蝕刻時,於矽基板表面或背面施以鹵素燈強光照射以產生電洞來協助蝕刻。但這種經由投射光激發出的電洞密度易受到光源度、距離、介質、波長等影響而有變數,遠不及在暗室中進行陽極氧化來得穩定。
本技術係以疏水性晶圓鍵合技術,將P型矽作為中介電極貼合在N型矽背面,形成
可拆卸式的PN接面後再接上電極,成為N型Si/P型Si/電極三明治結構。P型矽與
N型矽接合形成PN接面,這接面能轉換在N型矽中電洞的角色由「次要載流子流」成「主控電流」,因而大幅提高基板表面陽極氧化效率。在電化學蝕刻製程
完成後,作中介電極的P型矽能輕易和N型矽分開,使處理後的N型矽保持純淨而
無污染之虞。本技術由在N型矽晶材料的應用,成功擴大應用至N型碳化矽料。預期可推廣應用至其他N型半導體材料。