Het creëren van halfgeleiderstructuren voor hoogwaardige opto-elektronische apparaten is nu nog eenvoudiger geworden, dankzij onderzoekers van de Universiteit van Illinois.

Het team ontwikkelde een methode om matrices met patronen chemisch te etsen in het halfgeleider galliumarsenide, gebruikt in zonnecellen, lasers, lichtemitterende diodes (LED's), veldeffecttransistoren (FET's), condensatoren en sensoren. Onder leiding van professor elektrotechniek en computertechniek Xiuling Li, beschrijven de onderzoekers hun techniek in het tijdschrift Nano-brieven.

De fysieke eigenschappen van een halfgeleider kunnen variëren afhankelijk van de structuur, dus halfgeleiderwafels worden geëtst in structuren die hun elektrische en optische eigenschappen en connectiviteit afstemmen voordat ze tot chips worden geassembleerd.

Halfgeleiders worden gewoonlijk geëtst met twee technieken:"Nat" etsen gebruikt een chemische oplossing om de halfgeleider in alle richtingen te eroderen, terwijl "droog" etsen een gerichte ionenstraal gebruikt om het oppervlak te bombarderen, een gericht patroon uitsnijden. Dergelijke patronen zijn vereist voor nanostructuren met een hoge beeldverhouding, of kleine vormen met een grote verhouding tussen hoogte en breedte. Structuren met een hoge beeldverhouding zijn essentieel voor veel hoogwaardige opto-elektronische apparaattoepassingen.

Hoewel silicium het meest alomtegenwoordige materiaal is in halfgeleiderapparaten, materialen in de III-V (uitgesproken als drie-vijf) groep zijn efficiënter in opto-elektronische toepassingen, zoals zonnecellen of lasers.

Helaas, deze materialen kunnen moeilijk droog te etsen zijn, omdat de hoogenergetische ionenexplosies het oppervlak van de halfgeleider beschadigen. III-V-halfgeleiders zijn bijzonder gevoelig voor beschadiging.

Om dit probleem aan te pakken, Li en haar groep wendden zich tot metaalgeassisteerd chemisch etsen (MacEtch), een nat-etsbenadering die ze eerder voor silicium hadden ontwikkeld. In tegenstelling tot andere natte methoden, MacEtch werkt in één richting, van boven naar beneden. Het is sneller en goedkoper dan veel droogetstechnieken, volgens Li. Haar groep herzag de MacEtch-techniek, het optimaliseren van de chemische oplossing en reactieomstandigheden voor de III-V halfgeleider galliumarsenide (GaAs).

Het proces heeft twee stappen. Eerst, een dunne film van metaal wordt gevormd op het GaAs-oppervlak. Vervolgens, de halfgeleider met het metalen patroon wordt ondergedompeld in de chemische MacEtch-oplossing. Het metaal katalyseert de reactie, zodat alleen de gebieden die metaal raken worden weggeëtst. en structuren met een hoge beeldverhouding worden gevormd als het metaal in de wafel zakt. Als het etsen klaar is, het metaal kan van het oppervlak worden gereinigd zonder het te beschadigen.

"Het is een groot probleem om GaAs op deze manier te kunnen etsen, " zei Li. "De realisatie van III-V nanostructuur-arrays met een hoge aspectverhouding door nat etsen kan mogelijk de fabricage van halfgeleiderlasers transformeren waar oppervlakteroosters momenteel worden vervaardigd door droog etsen, dat is duur en veroorzaakt oppervlakteschade."

Om metaalfilmpatronen op het GaAs-oppervlak te creëren, Li's team gebruikte een patroontechniek ontwikkeld door John Rogers, de Lee J. Flory-Founder Chair en een professor in materiaalkunde en engineering aan de U. of I. Hun onderzoeksteams bundelden hun krachten om de methode te optimaliseren, zachte lithografie genoemd, voor chemische compatibiliteit terwijl het GaAs-oppervlak wordt beschermd. Zachte lithografie wordt toegepast op de hele halfgeleiderwafel, in tegenstelling tot kleine segmenten, patronen creëren over grote oppervlakken - zonder dure optische apparatuur.

"De combinatie van zachte lithografie en MacEtch vormt de perfecte combinatie om grote, III-V nanostructuren met hoge beeldverhouding op een goedkope manier, " zei Li, die is aangesloten bij het Micro- en Nanotechnologielaboratorium, het Frederick Seitz Materials Research Laboratory en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I.

Volgende, de onderzoekers hopen de omstandigheden voor GaAs-etsen verder te optimaliseren en parameters vast te stellen voor MacEtch van andere III-V-halfgeleiders. Vervolgens, ze hopen de fabricage van apparaten te demonstreren, inclusief gedistribueerde Bragg-reflectorlasers en fotonische kristallen.

"MacEtch is een universele methode zolang de juiste voorwaarde voor eerbiedig etsen met en zonder metaal kan worden gevonden, ' zei Li.