Изготовление и характеристика черных наноразмеров GaAs с помощью ICP-травления

Введение

Благодаря своим уникальным оптическим свойствам, структура захвата света играет все более важную роль в фотоэлектрических устройствах [1]. В настоящее время исследователи разработали все виды наноструктур в качестве улавливающих свет структур для увеличения поглощения света в фотовольтаике, в то время как большинство из них было выполнено на подложке Si [2,3,4,5,6]. Полупроводниковые наноструктуры соединений AIIIBV оказались перспективными материалами для различных оптоэлектронных и энергетических приложений, таких как светоизлучающие диоды (LED) [7, 8], фотогальваника (PV) [9,10,11,12 ] и полевые транзисторы (FET) [13,14,15,16]. GaAs является многообещающим кандидатом в качестве его прямой запрещенной зоны и свойства поглощения [17,18]. Когда падающий свет попадает в наноструктуру, фотоны будут многократно отражаться, преломляться внутри структуры и захватываться массивом, что является эффектом захвата наноструктуры. А из-за характеристик поглощения материалов GaAs это означает, что GaAs поглощает больше энергии фотонов [19, 20]. Однако, по сравнению со структурой наночастиц Si, исследования структуры наноразмеров GaAs относительно опубликованы.

Для процесса приготовления наноразмеров GaAs исследователи из Университета Иллинойса [21] представили массив наностолбиков GaAs с мягкой литографией и процессом химического травления с использованием металла (MacEtch) в 2011 году. Изготовленные наноструктуры имеют одинаковую ширину, которая может быть используется в оптоэлектронных устройствах и оптических детекторах. Исследователи из Китайской академии наук [19] проанализировали свойства антиотражающего сопротивления наноразмеров GaAs посредством теоретического моделирования с помощью программного обеспечения конечных разностей во временной области (FDTD), предоставив подробный теоретический справочник по оптическим свойствам наноструктур. В 2012 году Ли и др. [22] приготовили субмикронные наноразмерные структуры на подложке из GaAs с использованием барьерного слоя для литографии коллоидных кристаллов, который широко использовался в солнечных элементах. В 2016 году Сонг и др. [23] изготовили субволновые структуры GaAs методом химического травления с добавлением золота. Изготовленные структуры GaAs резко снизили полное отражение до 4,5% в диапазоне длин волн от 200 до 850 нм до угла падения 50 °. В 2018 году Паола Лова и соавт. В работе [24] было продемонстрировано анизотропное химическое травление пластин GaAs с использованием металлов с использованием более низкой скорости травления одноатомных плоскостей Ga 111˃ и 311˃. Они также предложили качественный механизм реакции анизотропного травления GaAs и показали, что коэффициент отражения шероховатой поверхности черного GaAs снижается до ~ 50 раз по сравнению с полированными пластинами. В 2020 году Паола Лова и соавт. [25] доказали, что протравленный GaAs (черный GaAs) обладает удовлетворительными светозахватывающими свойствами, а протравленный образец привлекает большее количество рециклинга фотонов. Все упомянутые статьи доказали, что нанометровая матричная структура GaAs обладает превосходными фотоэлектрическими свойствами. Но большинство из них изготавливаются путем травления с помощью металла, которое требует сложного химического процесса, и удаление жидких отходов, таких как HF, также проблематично. Кроме того, Au используется как вспомогательный металл, а его стоимость относительно высока.

Итак, здесь мы демонстрируем процесс изготовления черного GaAs с использованием простого процесса травления с индуктивно связанной плазмой (ICP), без дополнительной литографии и т. Д. Изготовленный образец имеет низкое значение коэффициента отражения, близкое к нулю. Кроме того, черный GaAs также проявляет гидрофобные свойства с углом контакта с водой (CA) 125 °. В целом, этот вид травления черным GaAs может быть добавлен к производственному процессу изготовления фотодетекторов и устройств солнечных элементов для дальнейшего улучшения их характеристик.

Методы

Процесс изготовления наночастиц черного GaAs

Все образцы были разрезаны на куски объемного GaAs размером 1,5 см × 2 см, и образцы были предварительно очищены обычным растворителем и промыты в деионизированной (ДИ) воде. Затем эксперименты проводились в реакционной камере травления Oxford System100, и в этом исследовании использовались газы BCl ₃ . , Cl ₂ , Ar, N ₂ и O ₂ . Между каждым запуском выполнялась 5-минутная процедура очистки кислородом, чтобы удалить любой полимер с боковых стенок реактора, минимизировать загрязнение и сохранить повторяемость процесса. Образцы загружали в реактор, устанавливая их на SiO ₂ подложка-носитель, и поскольку образец травился при комнатной температуре, силиконовая смазка перед процессом травления не требовалась [26]. В рамках оптимизации параметров травления использовалось различное время травления для измерения результатов процесса, как показано на рис. 1.

СЭМ-изображения подложки GaAs при разном времени травления

Характеристика

Морфологический анализ охарактеризован с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA). Гидрофобные характеристики продуктов измеряли с помощью прибора для измерения угла смачивания воды JC2000D (Zhongchen digital technic device co., Ltd, Шанхай, Китай). Отражательная способность образца измерялась спектрофотометром Agilent Cary7000.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 представлены СЭМ-изображения подложки GaAs при разном времени травления. Из рисунка видно, что глубина травления увеличивается с увеличением времени травления, но морфология образца существенно не меняется. После травления поверхности образцов GaAs становятся хлопьевидными, относительно однородными по высоте, но разбросанными вокруг. При фиксированном потоке кислорода и времени травления 3 мин высота протравленного образца составляет около 0,97–1,15 мкм. По мере увеличения времени травления высота сформированной структуры также будет увеличиваться. Высота составляет 1,48–1,56 мкм и 1,65–1,86 мкм, что соответствует времени травления 4 мин, 5 мин. Поскольку протравленная поверхность образца расходится и разбросана, трудно получить точное значение шага и периода. Такая флокулянтная структура значительно увеличивает удельную поверхность устройства и может применяться в области суперконденсаторов и датчиков.

Механизм травления черного GaAs аналогичен механизму травления черного кремния. В определенных условиях вакуума травильный газ генерируется в плазме с помощью тлеющего разряда, который производит большое количество свободных от молекул групп. Заряженные частицы бомбардируют поверхность образца под действием высокочастотного электрического поля, в то же время они реагируют с некоторыми частицами на поверхности GaAs, образуя некоторое количество летучего газа. Травление поверхности GaAs осуществляется под двойной ролью физической бомбардировки и химической реакции [27]. Весь процесс травления можно представить на следующем рис. 2. Во-первых, случайное травление естественного оксида (ионов и кислорода) делает поверхность шероховатой из-за формирования микромаскировки [26, 28]. Затем боковое травление микроструктур на поверхности подложки подавляется за счет управления составом травильного газа и использования пассивации некоторых продуктов во время травления [26], и получаются наноструктуры на поверхности подложки, а именно конечная поверхность черного GaAs, так как показано на рис. 2d. Все это делается автоматически в едином процессе ICP без маски [27, 28].

Схематическое изображение формирования наноструктуры черного GaAs в плазме. а Чистый GaAs; б случайное травление собственного оксида; c формирование микро-маски; г формирование черных наноструктур GaAs

Мы также проверили отражательную способность приготовленной структуры с помощью спектрофотометра Agilent Cary 7000 и обнаружили, что флокулянтная структура образца GaAs имеет очень низкую отражательную способность, как показано на рис. 3. В диапазоне длин волн 590-800 нм коэффициент отражения равен 3. мин <5 мин <4 мин. В диапазоне длин волн 400–590 нм коэффициент отражения составляет 5 мин <4 мин <3 мин. Между тем, мы видим, что коэффициент отражения образцов при разном времени травления очень низкий, с разницей менее 1%. Учитывая время и стоимость фактического процесса, мы выбираем 3 мин в качестве фиксированного времени травления в последующих экспериментах. Мы связываем декремент отражательной способности с шероховатой структурой, сформированной на поверхности GaAs. Образец сформировал кластерную структуру после травления, а шероховатая поверхность ограничит отражение света и уменьшит рассеяние света, тем самым уменьшив отражательную способность. Чтобы проверить наш вывод, были получены изображения АСМ поверхности протравленного образца и нетравленого образца, как показано на рис. 4. Результаты показывают, что шероховатость поверхности протравленного образца намного больше, чем у нетравленого образца. / P>

Отражение подложки GaAs при разном времени травления

Изображения a , полученные с помощью АСМ нетравленный образец GaAs; б черный GaAs

Затем мы исследуем влияние расхода травильного газа на морфологию поверхности и отражательную способность образца при фиксированном времени травления 3 мин и контроле потока кислорода. Здесь роль кислорода заключается в образовании оксидов во время процесса травления, и из-за разной температуры улетучивания во время процесса травления кислород вступает в реакцию с основными атомами, образуя микромаскировку, что влияет на результат травления. Здесь соотношение потоков кислорода установлено как 2:3:4, а изображения СЭМ после травления показаны на рис. 5. Из рисунка видно, что, когда коэффициент расхода кислорода равен 3, протравленная поверхность GaAs имеет вид аккуратная столбчатая форма, высота 117–135 нм. Когда коэффициент расхода кислорода увеличивается до 4, поверхность GaAs становится яркой, а поверхность образца оказывается гладкой и без какого-либо рисунка, как показано на рис. 5c. Причина в том, что с увеличением количества кислорода доля Cl ₂ уменьшается, что приводит к снижению скорости травления. Ион Ga в GaAs реагирует с кислородом с образованием Ga ₂ . О ₃ в качестве микро-маски в последующем процессе травления. Однако чрезмерная микромаска снизит избирательный коэффициент травления, что приведет к невозможности формирования черной структуры GaAs. Вот почему мы видим, что когда поток кислорода увеличивается до 4 или более, поверхность образца больше не выглядит черной, а становится гладкой и плоской. Спектрофотометр Cary 7000 был использован для проверки отражательной способности трех образцов с разной морфометрией, и мы обнаружили, что отражательная способность постепенно увеличивается с увеличением потока кислорода. На рис. 6 показан коэффициент отражения подложки GaAs при разном расходе кислорода. Мы можем видеть, что, когда коэффициент потока кислорода равен 2, коэффициент отражения имеет наименьшее значение, почти равное нулю в диапазоне поглощения GaAs. Результат лучше, чем у других наноструктур, описанных в литературе, таких как нанопроволока, наностержень [29, 30]. Это связано с тем, что хлопьевидная поверхность черного GaAs значительно увеличила путь распространения фотонов и уменьшила отражение света, в то время как травленый образец с гладкой поверхностью показал высокий коэффициент отражения. Структурированный образец GaAs также продемонстрировал гидрофобность с краевым углом смачивания 125 °, как показано на увеличенных SEM-изображениях на рис. 5d, что расширяет область применения черного GaAs.

а - c СЭМ-изображения подложки GaAs при разном расходе кислорода; г СЭМ-изображение поперечного сечения подложки GaAs при расходе кислорода 2

Отражение подложки GaAs при разном расходе кислорода

Выводы

Таким образом, мы продемонстрировали процесс травления ICP без литографии для структурирования поверхностей GaAs с почти нулевым отражением (черный GaAs). Структурированный образец показал превосходные антиотражающие свойства, давая значения коэффициента отражения всего 0,093. Микроструктуры были получены только с помощью одноэтапного процесса травления ICP и могут быть получены в больших масштабах. Более того, черный образец GaAs проявлял гидрофобные свойства, так как угол смачивания составлял 125 °. Ожидается, что такая структура будет эффективно поглощать фотоны и уменьшать потери фотонов, связанные с излучением света во время рекомбинации заряда. Соответствующий процесс подготовки также предоставляет больше возможностей для изготовления и разработки устройств на основе GaAs.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Сокращения

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

CA:

Угол контакта

светодиоды:

Светодиоды

PV:

Фотогальваника

полевые транзисторы:

Полевые транзисторы

FDTD:

Конечная разность во временной области

MacEtch:

Химическое травление с использованием металла

DI:

Деионизированный

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

AFM:

Атомно-силовая микроскопия