Att skapa halvledarstrukturer för avancerade optoelektroniska enheter har precis blivit enklare, tack vare University of Illinois forskare.

Teamet utvecklade en metod för att kemiskt etsa mönstrade arrayer i halvledaren galliumarsenid, används i solceller, lasrar, ljusemitterande dioder (LED), fälteffekttransistorer (FET), kondensatorer och sensorer. Leds av el- och datateknikprofessor Xiuling Li, forskarna beskriver sin teknik i tidskriften Nanobokstäver.

En halvledares fysikaliska egenskaper kan variera beroende på dess struktur, så etsade halvledarskivor i strukturer som justerar deras elektriska och optiska egenskaper och anslutning innan de monteras till chips.

Halvledare etsas vanligtvis med två tekniker:"Våt" etsning använder en kemisk lösning för att erodera halvledaren i alla riktningar, medan "torr" etsning använder en riktad stråle av joner för att bombardera ytan, skapa ett riktat mönster. Sådana mönster krävs för högformat-nanostrukturer, eller små former som har ett stort förhållande mellan höjd och bredd. Strukturer med högt bildförhållande är avgörande för många avancerade optoelektroniska anordningar.

Medan kisel är det mest allmänt förekommande materialet i halvledarenheter, material i III-V (uttalas tre-fem)-gruppen är mer effektiva i optoelektroniska tillämpningar, som solceller eller lasrar.

Tyvärr, dessa material kan vara svåra att torka etsa, eftersom högenergijonsprängningar skadar halvledarytan. III-V-halvledare är särskilt känsliga för skador.

För att lösa detta problem, Li och hennes grupp vände sig till metallassisterad kemisk etsning (MacEtch), en våtetsningsmetod som de tidigare utvecklat för kisel. Till skillnad från andra våta metoder, MacEtch fungerar i en riktning, uppifrån och ner. Det är snabbare och billigare än många torretsningstekniker, enligt Li. Hennes grupp återbesökte MacEtch-tekniken, optimering av den kemiska lösningen och reaktionsförhållandena för III-V-halvledaren galliumarsenid (GaAs).

Processen har två steg. Först, en tunn film av metall är mönstrad på GaAs-ytan. Sedan, halvledaren med metallmönstret är nedsänkt i MacEtch kemiska lösning. Metallen katalyserar reaktionen så att endast de områden som rör metall etsas bort, och strukturer med hög bildformat bildas när metallen sjunker in i skivan. När etsningen är klar, metallen kan rengöras från ytan utan att skada den.

"Det är en stor sak att kunna etsa GaAs på detta sätt, ", sa Li. "Förverkligandet av III-V nanostrukturer med hög aspektförhållande genom våtetsning kan potentiellt förändra tillverkningen av halvledarlasrar där ytgitter för närvarande tillverkas genom torretsning, vilket är dyrt och orsakar ytskador."

För att skapa metallfilmmönster på GaAs-ytan, Lis team använde en mönsterteknik som banat väg för av John Rogers, Lee J. Flory-grundare ordförande och professor i materialvetenskap och teknik vid U. I. Deras forskargrupper gick samman för att optimera metoden, kallas mjuk litografi, för kemisk kompatibilitet samtidigt som GaAs-ytan skyddas. Mjuk litografi appliceras på hela halvledarskivan, i motsats till små segment, skapa mönster över stora ytor – utan dyr optisk utrustning.

"Kombinationen av mjuk litografi och MacEtch gör den perfekta kombinationen för att producera stora ytor, III-V nanostrukturer med högt bildförhållande på ett billigt sätt, sa Li, som är knuten till Micro and Nanotechnology Laboratory, Frederick Seitz Materials Research Laboratory och Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid U. of I.

Nästa, forskarna hoppas kunna optimera förhållandena för GaAs-etsning ytterligare och fastställa parametrar för MacEtch för andra III-V-halvledare. Sedan, de hoppas kunna demonstrera tillverkning av enheter, inklusive distribuerade Bragg-reflektorlasrar och fotoniska kristaller.

"MacEtch är en universell metod så länge som rätt villkor för vördnadsmässig etsning med och utan metall kan hittas, " sa Li.