Ny teknik gør det lettere at ætse halvledere

At skabe halvlederstrukturer til avancerede optoelektroniske enheder er lige blevet nemmere, takket være forskere fra University of Illinois.

Holdet udviklede en metode til kemisk at ætse mønstrede arrays i halvlederen galliumarsenid, bruges i solceller, lasere, lysemitterende dioder (LED'er), felteffekttransistorer (FET'er), kondensatorer og sensorer. Ledet af elektro- og computeringeniørprofessor Xiuling Li, forskerne beskriver deres teknik i tidsskriftet Nano bogstaver.

En halvleders fysiske egenskaber kan variere afhængigt af dens struktur, så halvlederwafere ætses ind i strukturer, der tuner deres elektriske og optiske egenskaber og tilslutningsmuligheder, før de samles til chips.

Halvledere er almindeligvis ætset med to teknikker:"Våd" ætsning bruger en kemisk opløsning til at erodere halvlederen i alle retninger, mens "tør" ætsning bruger en rettet stråle af ioner til at bombardere overfladen, udskæring af et rettet mønster. Sådanne mønstre er nødvendige for nanostrukturer med højt billedformat, eller små figurer, der har et stort forhold mellem højde og bredde. Strukturer med højt billedformat er afgørende for mange avancerede optoelektroniske enhedsapplikationer.

Mens silicium er det mest allestedsnærværende materiale i halvlederenheder, materialer i III-V (udtales tre-fem) gruppen er mere effektive i optoelektroniske applikationer, såsom solceller eller lasere.

Desværre, disse materialer kan være svære at tørre ætse, da højenergi-ionsprængningerne beskadiger halvlederens overflade. III-V halvledere er særligt modtagelige for beskadigelse.

For at løse dette problem, Li og hendes gruppe vendte sig til metal-assisteret kemisk ætsning (MacEtch), en vådætsningsmetode, de tidligere havde udviklet til silicium. I modsætning til andre våde metoder, MacEtch arbejder i én retning, fra toppen og ned. Det er hurtigere og billigere end mange tørætsningsteknikker, ifølge Li. Hendes gruppe genbesøgte MacEtch-teknikken, optimering af den kemiske opløsning og reaktionsbetingelser for III-V-halvlederen galliumarsenid (GaAs).

Processen har to trin. Først, en tynd film af metal er mønstret på GaAs-overfladen. Derefter, halvlederen med metalmønsteret er nedsænket i MacEtch kemiske opløsning. Metallet katalyserer reaktionen, så kun de områder, der berører metal, ætses væk, og strukturer med højt billedformat dannes, når metallet synker ned i waferen. Når ætsningen er færdig, metallet kan renses fra overfladen uden at beskadige det.

"Det er en stor sag at kunne ætse GaAs på denne måde, "Li sagde. "Realiseringen af ​​III-V nanostrukturarrays med højt aspektforhold ved vådætsning kan potentielt transformere fremstillingen af ​​halvlederlasere, hvor overfladegitter i øjeblikket fremstilles ved tørætsning, hvilket er dyrt og forårsager overfladeskader."

For at skabe metalfilmmønstre på GaAs-overfladen, Li's team brugte en mønsterteknik udviklet af John Rogers, Lee J. Flory-Founder Chair og en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved U. of I. Deres forskerhold gik sammen om at optimere metoden, kaldet blød litografi, for kemisk kompatibilitet, samtidig med at GaAs-overfladen beskyttes. Blød litografi påføres hele halvlederwaferen, i modsætning til små segmenter, skabe mønstre over store områder – uden dyrt optisk udstyr.

"Kombinationen af ​​blød litografi og MacEtch gør den perfekte kombination til at producere store områder, III-V nanostrukturer med højt billedformat på en billig måde, " sagde Li, der er tilknyttet Micro and Nanotechnology Laboratory, Frederick Seitz Materials Research Laboratory og Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved U. of I.

Næste, forskerne håber på yderligere at optimere betingelserne for GaAs-ætsning og etablere parametre for MacEtch for andre III-V-halvledere. Derefter, de håber at demonstrere enhedsfabrikation, inklusive distribuerede Bragg-reflektorlasere og fotoniske krystaller.

"MacEtch er en universel metode, så længe den rigtige betingelse for ærbødig ætsning med og uden metal kan findes, " sagde Li.