금속 보조 화학 에칭으로 제작된 Au-Capped GaAs 나노기둥 어레이

결과 및 토론

금속 보조 화학 에칭에서 기판 표면에 원하는 디자인을 얻기 위해 금속 촉매의 치수를 정밀하게 제어하는 ​​것이 필수적입니다. 결과 구조의 형태는 금속 촉매의 초기 기하학적 패턴과 치수에 의존하기 때문에 패턴화된 금속 촉매는 반도체 표면에 정렬된 나노구조를 제조하는 데 필요합니다. 이 연구에서는 정렬된 개구부 배열이 있는 알루미나 마스크를 사용하여 금속 촉매의 크기와 배열을 제어했습니다. 건식 금속 증착 공정의 경우, 좁은 구경의 두꺼운 마스크를 통한 금속 증착이 물리적으로 어렵기 때문에 마스크의 두께가 중요합니다. 다공성 알루미나의 경우 양극 산화 시간을 변경하여 마스크의 두께를 높은 재현성으로 조정할 수 있습니다. 여기서, GaAs 기판 상에 대략 300nm 두께의 관통 구멍 다공성 알루미나 마스크를 준비하였다. 알루미나 마스크는 표면이 위를 향하도록 설정되었습니다. 알루미나 마스크에 있는 개구부의 상단 및 하단 직경은 각각 약 80 및 70nm였습니다. 하부 개구부에 비해 상부 개구부의 직경이 약간 더 큰 것은 알루미나 마스크를 준비하는 동안 화학적 에칭에 기인한 것입니다.

그림 2는 GaAs 기판에 정렬된 일반적인 Au 나노도트 어레이를 보여줍니다. nanodot 어레이는 그림 2a와 같이 양극 알루미나 마스크의 자체 정렬 기공 어레이의 구성에 해당합니다. Au 증착의 제어성은 더욱 향상되어야 하지만, 여기서 설명하는 알루미나 마스크를 통한 금속 증착은 제조 공정의 단순성과 효율성 측면에서 반도체 기판에 정렬된 귀금속 도트 패턴의 대규모 생산에 적합합니다. 각 Au 나노점은 약 70nm의 거의 동일한 직경을 가졌습니다. 이 직경은 알루미나 마스크 바닥 부분의 기공 크기에 의해 결정되는 반면 Au 나노도트의 높이는 주로 증착 시간에 의해 결정됩니다. 이 연구에서 각 Au 나노닷의 높이는 그림 2b와 같이 ~30nm로 조정되었습니다.

아 표면 및 b 양극 다공성 알루미나 마스크를 통해 GaAs 기판에 형성된 Au 나노도트 어레이의 단면 SEM 이미지

GaAs 기판에 Au 도트 어레이를 형성한 후 시편을 HF 및 KMnO₄ 용액에 담그었습니다. 금속 보조 화학 에칭용. 기존의 금속 보조 화학 식각에서는 촉매와 하부 기판 사이의 계면에서 국소적으로 식각이 진행되어 기판에 수직인 방향으로 기공 또는 트렌치가 형성되고 금속 촉매는 그림과 같이 반도체 속으로 가라앉는다. 그림 1c. 생성된 정공(h ⁺ )의 원활한 소비를 촉진하기 위해 높은 산 농도와 낮은 산화제 농도로 구성된 에칭액의 사용을 고려합니다. ) 금속/반도체 인터페이스에서. 이 연구에서 Au/GaAs 계면에서 GaAs의 산화는 생성된 h ⁺ 에 의해 직접 진행될 것으로 예상됩니다. .

그림 3은 패턴화된 Au 촉매를 사용하여 에칭된 GaAs 표면의 일반적인 SEM 이미지를 보여줍니다. 화학적 에칭은 0.001mol dm ^-3 을 포함하는 용액에서 수행되었습니다. KMnO₄ 및 20mol dm ⁻³ 45°C의 비교적 높은 온도에서 HF 이 연구에서 KMnO₄의 농도는 낮음(0.001mol dm ⁻³ ) ) 측면 에칭을 억제합니다. DeJarld et al.의 이전 보고서에 따르면 및 Cheung et al., 측면 에칭 속도는 산화제 증가에 따라 증가했습니다(KMnO₄ ) 농도 [19, 21].

0.001mol dm ^-3 을 포함하는 용액에서 Au 보조 화학 에칭 후 GaAs 기판 상단 표면의 SEM 이미지 KMnO₄ 및 20mol dm ⁻³ 45°C에서 600초 동안 HF

원형의 밝은 점으로 검출된 Au 촉매는 그림 3과 같이 GaAs 기판의 많은 영역에서 기공 내부에서 관찰되었습니다. 그림 3에서 관찰된 기공의 직경은 표시된 Au 나노닷의 증착 크기와 일치했습니다. 이러한 결과는 그림 1c에 개략적으로 표시된 기존의 금속 보조 화학 에칭이 Au/GaAs 계면에서만 발생하고 기판에 수직인 <100> 방향으로 이방성으로 진행되었음을 나타냅니다.

금속 보조 화학 에칭에서 에칭액 조성과 에칭 온도는 캐리어 확산, 산화 및 제품 제거의 역학에 영향을 미칩니다[19]. 에칭된 GaAs 기판의 새로운 응용을 열기 위해 우리는 금속 보조 화학 에칭 조건을 변경하여 GaAs 나노기둥 어레이를 제작하려고 시도했습니다. 그림 4는 패턴화된 Au 촉매를 사용하여 얻은 에칭된 GaAs 표면의 일반적인 단면 SEM 이미지를 보여줍니다. KMnO₄의 농도를 증가시켜 , 결과 구조의 형태가 변경될 수 있습니다. 모든 경우에, 전체 시편 면적에 걸쳐 육각형으로 배열된 GaAs 나노기둥이 얻어졌다. 기둥의 끝은 측면 에칭의 결과로 약간 가늘어졌습니다. GaAs 나노기둥 어레이의 주기는 촉매로 사용된 Au 도트 어레이와 초기 마스크로 사용된 다공성 알루미나 기공의 주기에 해당하는 약 100nm였습니다. 우리가 아는 한, 이 연구에서 금속 보조 화학 에칭을 통해 GaAs에서 얻은 구조의 치수(예:주기성)는 다른 GaAs 구조에 대해 보고된 것보다 작습니다[19,20,21,22].

0.01mol dm ⁻³ 을 포함하는 용액에서 Au 보조 화학 에칭으로 제작된 GaAs 나노기둥 어레이의 SEM 이미지 KMnO₄ 및 5, 10 또는 20mol dm ⁻³ a에서 5초 동안 HF 20 및 b 45°C

상대적으로 낮은 온도인 20°C에서 식각을 진행했을 때 화살표로 표시된 것과 같이 각 기둥의 끝부분에서 Au 촉매가 관찰되었다. 그림 4a는 동일한 산화제 농도에서 HF 농도가 증가함에 따라 에칭 속도가 증가함을 보여줍니다. 20mol dm ⁻³ 의 높은 HF 농도에서 , 잔류 GaAs 기둥 높이가 가장 높았습니다.

Au/GaAs 계면에서 GaAs의 산화가 생성된 h ⁺ 에 의해 진행된다는 예상과 달리 , Au 촉매와 하부 GaAs 기판 사이의 접촉 영역에서 그림 4의 경우 화학적 용해가 관찰되지 않았습니다. 에칭 패턴은 에칭액의 온도에 의존하는 것으로 간주됩니다. 저온(예:20°C)에서 h ⁺ 비율 Au/GaAs 인터페이스에서의 소비는 h ⁺ 속도보다 낮은 것으로 생각됩니다. 주입; 따라서 h ⁺ Au 코팅된 GaAs 주변 영역으로 확산됩니다. 결국, GaAs 나노기둥은 노출된 GaAs 표면에서 사이트 선택적 에칭이 발생했기 때문에 Au 촉매와 밑에 있는 GaAs 기판 사이의 접촉 영역 아래에 형성되었습니다. 즉, Au 나노닷은 GaAs 기판의 용해를 방지하는 보호 마스크 역할도 하였다. 그림 1d에 개략적으로 도시된 이러한 식각 현상을 역 금속 보조 화학 식각이라고 한다[19, 22]. 2010년에 우리는 UV 조사에서 역 금속 보조 화학 에칭을 사용하여 InP 마이크로범프 어레이의 형성을 시연했습니다[15]. 기존의 금속 보조 화학 에칭과 달리 역 금속 보조 화학 에칭은 금속 코팅 영역 주변의 노출된 III–V 화합물 반도체 표면에서 h ⁺ 의 확산에 의해 진행됩니다. 금속 촉매 및 후속 사이트 선택적 화학적 에칭. 이러한 독특한 에칭 거동은 실리콘 재료에서 관찰되지 않았습니다.

금속 보조 화학 에칭이 45°C의 고온에서 수행되면 생성된 h ⁺ Au, GaAs 및 etchant의 경계에 도달하는 즉시 소모되어 수직 에칭이 촉진될 것으로 예상됩니다. 그러나 이 경우에도 역 금속 보조 화학 에칭이 발생했습니다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 도 4a의 에칭 거동과 동일한 방식으로 HF 농도가 증가함에 따라 에칭 속도가 증가하였다. 그러나 45°C의 높은 에칭 온도와 20mol dm ⁻³ 의 높은 HF 농도에서 , 과잉 h ⁺ 때문에 Au 촉매가 GaAs 기둥의 끝에서 분리되었습니다. 상대적으로 높은 온도에 의해 생성된 5초의 짧은 에칭 시간에도 Au 촉매 존재하에서 GaAs의 측면 에칭을 촉진했습니다. 기둥의 형상 제어 가능성은 에칭 조건(예:에칭액 조성, 농도 및 온도)의 추가 최적화를 통해 향상됩니다. 산화제 농도가 h ⁺ 생성에 미치는 영향을 명확히 하려는 시도 에칭된 GaAs의 형태가 현재 진행 중입니다.

에칭된 GaAs 구조의 기하학에 대한 에칭 시간의 영향을 조사하기 위해 화학적 에칭을 20mol dm ⁻³ 연장했습니다. HF 및 0.01mol dm ⁻³ KMnO₄ 20°C의 비교적 낮은 온도에서 그림 5a의 단면 이미지에서 볼 수 있듯이 GaAs 나노기둥의 깊이는 ~50nm에 이르렀습니다. 이 연구에서 얻은 GaAs 나노기둥 어레이의 주목할만한 특징 중 하나는 그림 5a의 삽입 그림과 같이 각 기둥의 끝이 Au로 덮여 있다는 것입니다. 그림 6은 동일한 표본의 AES 원소 분석을 보여줍니다. 에칭된 GaAs의 Ga 및 Au에 대한 AES 맵은 10초 동안 금속 보조 화학 에칭 후에도 각 기둥의 끝에 Au가 존재함을 나타냅니다.

a에 대해 20°C에서 Au 보조 화학 에칭으로 제작된 GaAs 나노기둥 어레이의 단면 SEM 이미지 10 및 b 20mol dm ⁻³ 이 포함된 용액에서 60초 HF 및 0.01mol dm ⁻³ KMnO₄ . 삽입 Au 캡핑된 GaAs 나노기둥 어레이의 표면 이미지를 보여줍니다.

아 Au 보조 화학 에칭 후 GaAs 기판의 이미지 및 b에 대한 해당 AES 맵 가 및 c 오. 에칭 조건은 그림 5a와 동일

기둥 높이는 주로 에칭 시간에 의해 결정되기 때문에 에칭을 10초에서 1분으로 더 연장하여 GaAs에 더 높은 기둥 어레이를 형성했습니다. 그러나 1분의 연장된 에칭 시간으로 인해 그림 5b와 같이 기둥 높이가 감소했습니다. 기둥 높이의 감소는 Au 촉매가 있는 상태에서 측면 에칭과 촉매로 사용된 Au 점의 후속 분리에 기인합니다.

h ⁺ 의 확산을 정밀하게 제어하는 ​​금속 보조 화학 에칭 금속 촉매로부터의 기술은 아직 완전히 완성되지 않았지만 금속 보조 화학 에칭을 사용한 III-V족 화합물 반도체의 나노 제조는 건식 공정을 사용하지 않고 정렬된 3차원 구조 설계를 위한 유망한 대안을 제공합니다. 또한, 획득한 Au 캡핑된 GaAs 나노기둥 어레이는 광포집을 향상시키기 위해 플라즈몬 나노구조를 사용하는 태양 전지와 같은 광전자 장치에서 잠재적인 기술 및 과학적 응용을 가지고 있습니다[23, 24].