Questa è un'immagine al microscopio elettronico a scansione di "nanopillari" incisi nell'arseniuro di gallio tramite incisione chimica assistita da metallo. Attestazione:Xiuling Li
Creare strutture a semiconduttore per dispositivi optoelettronici di fascia alta è diventato più semplice, grazie ai ricercatori dell'Università dell'Illinois.
Il team ha sviluppato un metodo per incidere chimicamente array modellati nell'arseniuro di gallio semiconduttore, utilizzato nelle celle solari, laser, diodi emettitori di luce (LED), transistor ad effetto di campo (FET), condensatori e sensori. Guidato dal professore di ingegneria elettrica e informatica Xiuling Li, i ricercatori descrivono la loro tecnica sulla rivista Nano lettere.
Le proprietà fisiche di un semiconduttore possono variare a seconda della sua struttura, quindi i wafer semiconduttori vengono incisi in strutture che ne regolano le proprietà elettriche e ottiche e la connettività prima di essere assemblati in chip.
I semiconduttori sono comunemente incisi con due tecniche:l'incisione "a umido" utilizza una soluzione chimica per erodere il semiconduttore in tutte le direzioni, mentre l'incisione "a secco" utilizza un raggio diretto di ioni per bombardare la superficie, ritagliare uno schema diretto. Tali modelli sono necessari per nanostrutture ad alto rapporto d'aspetto, o forme minuscole che hanno un grande rapporto tra altezza e larghezza. Le strutture ad alto rapporto d'aspetto sono essenziali per molte applicazioni di dispositivi optoelettronici di fascia alta.
Mentre il silicio è il materiale più onnipresente nei dispositivi a semiconduttore, i materiali nel gruppo III-V (pronunciato tre-cinque) sono più efficienti nelle applicazioni optoelettroniche, come celle solari o laser.
L'incisione chimica assistita da metallo utilizza due passaggi. Primo, un sottile strato d'oro è modellato sopra un wafer a semiconduttore con litografia morbida (a sinistra). L'oro catalizza una reazione chimica che incide il semiconduttore dall'alto verso il basso, creazione di strutture tridimensionali per applicazioni optoelettroniche (a destra). Attestazione:Xiuling Li
Sfortunatamente, questi materiali possono essere difficili da incidere a secco, poiché le esplosioni di ioni ad alta energia danneggiano la superficie del semiconduttore. I semiconduttori III-V sono particolarmente suscettibili ai danni.
Per affrontare questo problema, Li e il suo gruppo si sono rivolti all'incisione chimica assistita da metallo (MacEtch), un approccio di incisione a umido che avevano precedentemente sviluppato per il silicio. A differenza di altri metodi bagnati, MacEtch lavora in una direzione, dall'alto verso il basso. È più veloce e meno costoso di molte tecniche di incisione a secco, secondo Li. Il suo gruppo ha rivisitato la tecnica MacEtch, ottimizzazione della soluzione chimica e delle condizioni di reazione per l'arseniuro di gallio (GaAs) semiconduttore III-V.
Il processo ha due passaggi. Primo, una sottile pellicola di metallo è modellata sulla superficie del GaAs. Quindi, il semiconduttore con la struttura metallica è immerso nella soluzione chimica di MacEtch. Il metallo catalizza la reazione in modo che solo le aree a contatto con il metallo vengano asportate, e le strutture ad alto rapporto d'aspetto si formano quando il metallo affonda nel wafer. Quando l'incisione è terminata, il metallo può essere pulito dalla superficie senza danneggiarlo.
"È un grosso problema essere in grado di incidere GaAs in questo modo, Li ha detto. "La realizzazione di array di nanostrutture III-V ad alto rapporto di aspetto mediante incisione a umido può potenzialmente trasformare la fabbricazione di laser a semiconduttore in cui il reticolo superficiale è attualmente fabbricato mediante incisione a secco, che è costoso e provoca danni alla superficie."
Per creare modelli di film metallico sulla superficie GaAs, Il team di Li ha utilizzato una tecnica di modellazione introdotta da John Rogers, la Lee J. Flory-Founder Chair e un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'U. of I. I loro team di ricerca hanno unito le forze per ottimizzare il metodo, chiamata litografia morbida, per la compatibilità chimica proteggendo la superficie del GaAs. La litografia morbida viene applicata all'intero wafer di semiconduttore, al contrario di piccoli segmenti, creazione di modelli su grandi aree, senza costose apparecchiature ottiche.
"La combinazione di litografia morbida e MacEtch rende la combinazione perfetta per produrre grandi aree, nanostrutture III-V ad alto rapporto d'aspetto a basso costo, " disse Li, che è affiliato al Laboratorio di Micro e Nanotecnologie, il Frederick Seitz Materials Research Laboratory e il Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'U. of I.
Prossimo, i ricercatori sperano di ottimizzare ulteriormente le condizioni per l'incisione del GaAs e stabilire parametri per MacEtch di altri semiconduttori III-V. Quindi, sperano di dimostrare la fabbricazione del dispositivo, inclusi laser a riflettore di Bragg distribuiti e cristalli fotonici.
"MacEtch è un metodo universale purché si trovi la giusta condizione per l'incisione deferente con e senza metallo, " disse Li.
