Cooperative roles of chemical reactions and mechanical friction in chemical mechanical polishing of gallium nitride assisted by OH radicals: tight-binding quantum chemical molecular dynamics simulations

文献情報

出版日 2021-01-06
DOI 10.1039/D0CP05826B
インパクトファクター 3.676
著者

Kentaro Kawaguchi, Yusuke Ootani, Yuji Higuchi, Nobuki Ozawa


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要旨

Chemical mechanical polishing (CMP) is a key manufacturing process for applying gallium nitride (GaN), especially the Ga-face GaN, to semiconductor devices such as laser diodes. However, the CMP efficiency for GaN is very low due to its high hardness and chemical stability. Experimentally, OH radicals appear able to improve the CMP efficiency of GaN polished by a SiO2 abrasive grain, whereas the mechanisms of the OH-radical-assisted CMP process remain unclear because experimental elucidation of the complex chemical reactions occurring among GaN substrate, abrasive grain, and OH radicals is difficult. In this work, we used our previously developed tight-binding quantum chemical molecular dynamics simulator to study the OH-radical-assisted CMP process of the widely employed Ga-face GaN substrate polished by an amorphous SiO2 abrasive grain in an effort to understand how OH radicals assist the CMP process and then aid the development of next-generation CMP techniques. Our simulations revealed that the OH-radical-assisted CMP process of GaN occurs via the following three basic reaction steps: (i) first, all hydrogen terminations on the GaN surface are replaced by OH terminations through continuous reactions with OH radicals; (ii) after the substrate is fully terminated by OH, the hydrogen atoms of these OH terminations are removed by reacting with newly added OH radicals, which forms H2O molecules and leaves energetic oxygen atoms with dangling bonds on the surface; and (iii) finally, these energetic oxygen atoms intrude inside the substrate with concomitant dissociation of Ga–N bonds and the generation of N2 and gallium hydroxide molecules, which accumulatively lead to the removal of N and Ga atoms from the substrate.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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