GaAs 나노 구조는 광자 흡수를 증가시키는 것과 같은 우수한 특성으로 인해 점점 더 주목을 받고 있습니다. GaAs 기판에 대한 제조 공정은 거의 보고되지 않았으며 대부분의 준비 공정이 복잡합니다. 여기에서 우리는 추가 리소그래피 공정 없이 간단한 유도 결합 플라즈마 에칭 공정을 사용하는 흑색 GaAs 제조 공정을 보고합니다. 제작된 샘플은 0에 가까운 낮은 반사율 값을 가지고 있습니다. 게다가, 흑색 GaAs는 또한 125°의 물 접촉각으로 소수성을 나타내었다. 이러한 종류의 흑색 GaAs 에칭 공정은 광검출기 및 태양 전지 장치의 제조 워크플로에 추가되어 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
독특한 광학적 특성으로 인해 광포집 구조는 광전지 장치에서 점점 더 중요한 역할을 합니다[1]. 현재 연구자들은 광전지에서 광흡수를 증가시키기 위한 광포집(light-trapping) 구조로 모든 종류의 나노구조를 개발했으며, 대부분은 Si 기판에서 수행되었다[2,3,4,5,6]. III-V 화합물 반도체 나노구조는 발광 다이오드(LED)[7, 8], 광전지(PV)[9,10,11,12]와 같은 다양한 광전자 및 에너지 관련 응용 분야에서 유망한 재료인 것으로 나타났습니다. ] 및 전계 효과 트랜지스터(FET) [13,14,15,16]. GaAs는 직접적인 밴드갭과 흡수 특성으로 유망한 후보이다[17, 18]. 입사광이 나노구조에 들어가면 광자는 다중 반사를 겪고 구조 내부에서 굴절되어 어레이에 포획되는데, 이것이 나노구조의 포획 효과입니다. 그리고 GaAs 물질의 흡수 특성 때문에 GaAs가 더 많은 광자 에너지를 흡수한다는 것을 의미합니다[19, 20]. 그러나 Si 나노어레이 구조에 비해 GaAs 나노어레이 구조에 대한 연구는 상대적으로 보고되고 있다.
GaAs 나노어레이의 준비 과정을 위해 일리노이 대학의 연구원[21]은 2011년에 소프트 리소그래피 및 금속 보조 화학 에칭(MacEtch) 공정을 사용한 GaAs 나노기둥 어레이를 발표했습니다. 광전자 장치 및 광학 검출기에 사용됩니다. Chinese Academy of Science[19]의 연구원들은 FDTD(finite-difference time-domain) 소프트웨어를 사용한 이론적 시뮬레이션을 통해 GaAs 나노어레이 반사 방지 저항의 특성을 분석하여 나노구조의 광학 특성에 대한 자세한 이론적 참고 자료를 제공했습니다. 2012년 Lee et al. [22] 태양전지에 널리 사용되는 콜로이드 결정 리소그래피 장벽층을 사용하여 GaAs 기판 위에 서브 마이크론 나노어레이 구조를 준비했습니다. 2016년에 Song et al. [23]은 Au 보조 화학 에칭에 의해 GaAs 서브 파장 구조를 제작했습니다. 제작된 GaAs 구조는 최대 50°의 입사각까지 200~850nm의 파장 범위에서 총 반사율을 4.5%로 크게 줄였습니다. 2018년에 Paola Lova et al. [24]는 단일 원자 Ga ˂111˃ 및 ˂311˃ 평면의 낮은 에칭 속도를 이용하는 GaAs 웨이퍼의 이방성 금속 보조 화학 에칭을 시연했습니다. 그들은 또한 GaAs의 등방성 에칭을 위한 정성적 반응 메커니즘을 제안했으며 검은색 GaAs의 거칠어진 표면의 반사율이 연마된 웨이퍼에 비해 최대 50배까지 감소한다는 것을 보여주었습니다. 2020년에 Paola Lova et al. [25]는 에칭된 GaAs(검은색 GaAs)가 만족스러운 광 트래핑 특성을 나타내고 에칭된 샘플이 더 많은 광자 재활용을 유인한다는 것을 증명했습니다. 위에서 언급한 모든 기사들은 GaAs 나노미터 어레이 구조가 우수한 광전 특성을 가지고 있음을 입증했습니다. 그러나 대부분 금속을 이용한 식각으로 제조되기 때문에 복잡한 화학 공정이 필요하고 HF와 같은 폐액의 처리도 번거롭다. 또한, Au는 보조 금속으로 사용되며 비용이 상대적으로 높습니다.
그래서 여기에서 간단한 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭 프로세스를 사용하고 추가 리소그래피 프로세스 등을 사용하지 않는 블랙 GaAs 제조 프로세스를 보여줍니다. 제조된 샘플은 0에 가까운 낮은 반사율 값을 갖습니다. 또한 검은색 GaAs는 125°의 물 접촉각(CA)으로 소수성을 나타냅니다. 전체적으로 이러한 종류의 흑색 GaAs 에칭 공정은 광검출기 및 태양 전지 장치의 제조 워크플로에 추가되어 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
모든 샘플을 1.5cm × 2cm의 벌크 GaAs 조각으로 자르고, 샘플을 기존의 용매로 사전 세척하고 탈이온수(DI water)로 헹구었습니다. 그런 다음 Oxford System100 식각 반응 챔버에서 실험을 수행했으며 본 연구에 사용된 가스는 BCl3 , Cl2 , 아르곤, N2 및 O2 . 반응기 측벽에서 폴리머를 제거하고 오염을 최소화하며 공정 반복성을 보존하기 위해 각 실행 사이에 5분 길이의 산소 세척 절차를 수행했습니다. 샘플을 SiO2에 장착하여 반응기에 로드했습니다. 캐리어 웨이퍼와 샘플이 상온에서 식각되기 때문에 식각 공정 전에 실리콘 그리스가 필요하지 않았다[26]. 식각 매개변수의 최적화의 일환으로 그림 1과 같이 공정 결과를 측정하기 위해 서로 다른 식각 시간을 사용했습니다.
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에칭 시간이 다른 GaAs 기판의 SEM 이미지
형태 분석은 주사 전자 현미경(SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA)에 의해 특성화되었습니다. 제품의 소수성 성능은 JC2000D 물 접촉각 시험기(Zhongchen digital technic equipment co., ltd, Shanghai, China)로 측정하였다. 샘플의 반사율은 Agilent Cary7000 분광광도계로 측정했습니다.
그림 1은 에칭 시간이 다른 GaAs 기판의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림에서 에칭 시간이 증가함에 따라 에칭 깊이가 증가하는 것을 알 수 있지만 샘플의 형태는 크게 변하지 않습니다. 에칭 후, GaAs 샘플의 표면은 응집되고 높이가 비교적 균일하지만 주변에 흩어져 있습니다. 산소 흐름이 고정되고 에칭 시간이 3분일 때 에칭된 샘플의 높이는 약 0.97~1.15μm입니다. 에칭 시간이 증가함에 따라 형성된 구조물의 높이도 증가합니다. 높이는 1.48–1.56 μm 및 1.65–1.86 μm이며 4분, 5분의 에칭 시간에 해당합니다. 식각된 시료의 표면은 흩어지고 흩어져 있기 때문에 정확한 음정과 주기 값을 얻기가 어렵습니다. 이러한 응집 구조는 소자의 비표면적을 크게 증가시키며 슈퍼커패시터 및 센서 분야에 적용될 수 있다.
블랙 GaAs의 에칭 메커니즘은 블랙 실리콘의 에칭 메커니즘과 유사합니다. 특정 진공 조건에서 에칭 가스는 글로우 방전에 의해 플라즈마로 생성되어 많은 수의 무분자 그룹을 생성합니다. 하전 입자는 고주파 전기장의 작용으로 시료 표면에 충격을 가하는 동시에 GaAs 표면의 일부 입자와 반응하여 일부 휘발성 가스를 생성합니다. GaAs 표면의 에칭은 물리적 충격과 화학 반응의 이중 역할 하에 수행됩니다[27]. 전체 에칭 공정은 그림 2와 같이 나타낼 수 있다. 첫째, 자연 산화물(이온 및 산소)의 랜덤 에칭은 마이크로 마스크의 형성으로 인해 표면을 거칠게 한다[26, 28]. 그런 다음 식각 가스의 조성을 제어하고 식각 중 일부 제품의 패시베이션을 사용하여 기판 표면의 미세 구조의 측면 식각을 억제하고[26] 기판 표면의 나노 구조, 즉 최종 흑색 GaAs 표면이 다음과 같이 얻어집니다. 그림 2d에 나와 있습니다. 모든 것은 단일 마스크 없는 ICP 프로세스에서 자동으로 수행됩니다[27, 28].
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플라즈마에서 흑색 GaAs 나노구조 형성의 개략도. 아 깨끗한 GaAs; ㄴ 천연 산화물의 랜덤 에칭; ㄷ 마이크로 마스크를 형성하는 단계; d 흑색 GaAs 나노구조 형성
또한 Agilent Cary 7000 분광 광도계를 사용하여 준비된 구조의 반사율을 테스트한 결과 그림 3과 같이 GaAs 샘플의 응집 구조가 반사율이 매우 낮음을 발견했습니다. 590–800nm의 파장 범위에서 반사율은 3입니다. 분 <5 분 <4 분. 400~590nm의 파장 범위에서 반사율은 5분 <4분 <3분입니다. 한편, 다른 에칭 시간에서 샘플의 반사율은 1% 미만의 차이로 매우 낮음을 알 수 있습니다. 실제 공정에서의 시간과 비용을 고려하여 후속 실험에서는 고정 식각 시간으로 3분을 선택합니다. 반사율의 감소는 GaAs 표면에 형성된 거친 구조에 기인합니다. 샘플은 에칭 후 클러스터 구조를 형성했으며 거칠어진 표면은 빛의 반사를 제한하고 빛의 산란을 감소시켜 빛의 반사율을 감소시킵니다. 결론을 확인하기 위해 그림 4와 같이 식각된 시료와 식각되지 않은 시료의 표면에 대해 AFM 이미지를 수행했습니다. 결과는 식각된 시료의 표면 거칠기가 미식각된 시료의 표면 거칠기보다 훨씬 큰 것으로 나타났습니다.
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다른 에칭 시간에서 GaAs 기판의 반사율
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a의 AFM 이미지 에칭되지 않은 GaAs 샘플; ㄴ 검은 GaAs
그런 다음 에칭 시간을 3분으로 고정하고 산소 흐름을 제어할 때 샘플의 표면 형태와 반사율에 대한 에칭 가스 유량의 영향을 조사합니다. 여기서 산소의 역할은 식각 과정에서 산화물을 형성하는 것으로 식각 과정에서 휘발 온도가 다르기 때문에 산소가 베이스 원자와 반응하여 마이크로 마스크를 형성하여 식각 결과에 영향을 미친다. 여기서, 산소 유량비는 2:3:4로 설정하고, 식각 후의 SEM 이미지는 그림 5와 같다. 산소 유량비가 3일 때 식각된 GaAs 표면은 그림 5에서 볼 수 있다. 깔끔한 기둥 모양이며 높이는 117-135nm입니다. 산소 유량비가 4로 증가하면 GaAs 표면이 밝아지고 샘플 표면은 그림 5c와 같이 매끄럽고 패턴이 없음을 알 수 있습니다. 그 이유는 산소가 증가함에 따라 Cl2의 비율이 감소하여 에칭 속도가 감소합니다. GaAs의 Ga 이온은 산소와 반응하여 Ga2를 형성합니다. O3 다음 에칭 공정에서 마이크로 마스크로 사용됩니다. 그러나 과도한 마이크로 마스크는 식각의 선택비를 감소시켜 흑색 GaAs 구조를 형성하지 못하게 된다. 이것이 산소 흐름이 4 이상으로 증가했을 때 샘플의 표면이 더 이상 검게 나타나지 않고 매끄럽고 평평하게 나타나는 이유입니다. Cary 7000 분광 광도계를 사용하여 다른 형태의 세 샘플의 반사율을 테스트했으며, 우리는 산소 흐름이 증가함에 따라 반사율이 점차적으로 증가한다는 것을 발견했습니다. 그림 6은 다양한 산소 유량에서 GaAs 기판의 반사율을 보여줍니다. 산소 유량비가 2일 때 반사율은 GaAs 흡수 범위 내에서 거의 0에 가까운 가장 낮은 반사율을 가짐을 알 수 있습니다. 결과는 나노와이어, 나노로드와 같은 문헌에 보고된 다른 나노구조보다 우수합니다[29, 30]. 이는 흑색 GaAs의 응집성 표면이 광자의 전파 경로를 크게 증가시키고 빛의 반사를 감소시키는 반면 매끄러운 표면을 갖는 에칭된 샘플은 높은 반사율을 나타내기 때문이다. 구조화된 GaAs 샘플은 또한 그림 5d의 확대된 SEM 이미지에서 볼 수 있듯이 접촉각 125°에서 소수성을 나타내어 흑색 GaAs의 적용 범위를 넓혔습니다.
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아 –ㄷ 다른 산소 유량에서 GaAs 기판의 SEM 이미지; d 산소 유량 2에서 GaAs 기판의 단면 SEM 이미지
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다른 산소 유량에서 GaAs 기판의 반사율
요약하면, 우리는 거의 제로 반사(검은 GaAs)로 GaAs 표면을 구조화하기 위한 리소그래피가 없는 ICP 에칭 프로세스를 시연했습니다. 구조화된 샘플은 0.093만큼 낮은 반사율 값을 산출하는 우수한 반사방지 특성을 나타냈습니다. 미세 구조는 단 한 단계의 ICP 에칭 공정으로 얻어졌으며 대규모로 준비될 수 있습니다. 또한, 흑색 GaAs 샘플은 접촉각이 125°이므로 소수성을 나타내었다. 이러한 구조는 광자를 효율적으로 흡수하고 전하 재결합 동안의 발광과 관련된 광자 손실을 감소시킬 것으로 기대된다. 관련된 준비 과정은 또한 GaAs 장치의 준비 및 개발을 위한 더 많은 가능성을 제공합니다.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 기사에 포함됩니다.
유도 결합 플라즈마
접촉각
발광 다이오드
태양광
전계 효과 트랜지스터
유한 차분 시간 영역
금속 보조 화학 에칭
탈이온
주사전자현미경
원자력 현미경
나노물질
가공과 가공의 주요 차이점은 무엇입니까? 제작과 가공의 주요 차이점은 본질적으로 다음과 같습니다. 제작:재료를 추가하거나 제거하여 금속, 플라스틱, 직물 또는 기타 원자재 개체를 제작하는 과정입니다. 가공:재료를 절단하고 재료를 제거하여 모양을 만드는 기계를 사용하여 물체를 형성합니다. 제작은 주조, 결합 또는 재료 형성을 통해 발생합니다. 케이싱은 금형 제품을 복제하기 위해 다른 재료로 채우는 금형이 있는 제조 프로세스의 한 유형입니다. 주조에는 모래 주조, 열성형, 사출 성형, 원심 주조 등과 같은 다양한 유형이 있습니
COVID-19는 이제 한동안 우리 마음의 최전선에 있었고 곧 아무데도 갈 것 같지 않습니다. 금속 가공업체는 기존의 틀을 벗어나 생각하고 창의력을 발휘하여 의료 장비 회사, 병원, 제조업체, 소매업체, 심지어 개인이 이 시기에 겪고 있는 추가 요구 사항을 충족할 수 있다면 현재 요구되는 이 영역에서 도움을 줄 수 있는 기회가 있습니다. 이 팬데믹 기간 동안 자동화와 직원 안전에 중점을 두는 두 가지 핵심 영역입니다. 잘 정립된 금속 가공업체는 자동화 인프라를 설계, 생성 및 설치하는 방법을 알고 있습니다. 자동화로 수행할 수
