Vervaardiging en karakterisering van Black GaAs Nanoarrays via ICP Etching

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont SEM-afbeeldingen van GaAs-substraat onder verschillende etstijden. Op de afbeelding kunnen we zien dat de etsdiepte toeneemt met de toename van de etstijd, maar de morfologie van het monster verandert niet veel. Na het etsen worden de oppervlakken van GaAs-monsters vlokkig, relatief uniform in hoogte maar verspreid. Wanneer de zuurstofstroom vast is en de etstijd 3 min is, is de hoogte van het geëtste monster ongeveer 0,97-1,15 μm. Naarmate de etstijd toeneemt, zal ook de hoogte van de gevormde structuur toenemen. De hoogte is 1,48-1,56 m en 1,65-1,86 m, wat overeenkomt met de etstijd van 4 min, 5 min. Omdat het geëtste monsteroppervlak divergerend en verspreid is, is het moeilijk om een ​​nauwkeurige waarde voor toonhoogte en periode te krijgen. Dit soort vlokkige structuur vergroot het specifieke oppervlak van het apparaat aanzienlijk en kan worden toegepast op het gebied van supercondensatoren en sensoren.

Het etsmechanisme van zwart GaAs is vergelijkbaar met dat van zwart silicium. Onder bepaalde vacuümomstandigheden wordt het etsgas door glimontlading in plasma gegenereerd, wat een groot aantal moleculaire vrije groepen produceert. Geladen deeltjes bombarderen het oppervlak van het monster onder invloed van een hoogfrequent elektrisch veld, terwijl ze tegelijkertijd reageren met sommige deeltjes op het oppervlak van GaAs, waardoor een vluchtig gas ontstaat. Het etsen van het GaAs-oppervlak wordt uitgevoerd onder de dubbele rol van fysiek bombardement en chemische reactie [27]. Het hele etsproces kan worden weergegeven door Fig. 2 te volgen. Ten eerste ruwt willekeurig etsen van het natuurlijke oxide (ionen en zuurstof) het oppervlak op vanwege de vorming van een micromasker [26, 28]. Vervolgens wordt het lateraal etsen van microstructuren op het substraatoppervlak geremd door de samenstelling van het etsgas te regelen en de passivering van sommige producten tijdens het etsen [26] te gebruiken, en worden de nanostructuren op het substraatoppervlak verkregen, namelijk het uiteindelijke zwarte GaAs-oppervlak, zoals getoond in Fig. 2d. Alles gebeurt automatisch in één enkel maskerloos ICP-proces [27, 28].

Schematische weergave van de vorming van zwarte GaAs-nanostructuren in plasma. een Schone GaAs; b willekeurig etsen van het natieve oxide; c micro-masker vormen; d zwarte GaAs-nanostructuren vormen

We hebben ook de reflectiviteit van de voorbereide structuur getest met Agilent's Cary 7000-spectrofotometer en ontdekten dat de vlokkige structuur van het GaAs-monster een zeer lage reflectiviteit had, zoals weergegeven in figuur 3. In het golflengtebereik van 590-800 nm is de reflectiviteit 3 min < 5 min < 4 min. In het golflengtebereik van 400-590 nm is de reflectiviteit 5 min < 4 min < 3 min. Ondertussen kunnen we zien dat de reflectiviteit van de monsters onder verschillende etstijden erg laag is, met een verschil van minder dan 1%. Gezien de tijd en kosten in het eigenlijke proces, kiezen we 3 min als de vaste etstijd in de volgende experimenten. We schrijven de afname van reflectiviteit toe aan de ruwe structuur gevormd op het GaAs-oppervlak. Het monster vormde na het etsen een clusterstructuur en het opgeruwde oppervlak zal de reflectie van licht beperken en de verstrooiing van licht verminderen, waardoor de reflectiviteit van licht wordt verminderd. Om onze conclusie te verifiëren, werden AFM-afbeeldingen uitgevoerd op het oppervlak van het geëtste monster en het niet-geëtste monster, zoals weergegeven in Fig. 4. De resultaten laten zien dat de oppervlakteruwheid van het geëtste monster veel groter is dan die van het niet-geëtste monster.

Reflectie van GaAs-substraat onder verschillende etstijden

AFM-beelden van a ongeëtst GaAs-monster; b zwarte GaAs

Vervolgens onderzoeken we het effect van de stroomsnelheid van het etsgas op de oppervlaktemorfologie en reflectiviteit van het monster wanneer de etstijd is vastgesteld op 3 minuten en de zuurstofstroom werd gecontroleerd. Hier is de rol van zuurstof om oxiden te vormen tijdens het etsproces, en vanwege de verschillende vervluchtigingstemperaturen tijdens het etsproces, reageert zuurstof met basisatomen om een ​​micromasker te vormen, waardoor het etsresultaat wordt beïnvloed. Hier is de zuurstofstroomverhouding ingesteld op 2:3:4, en de SEM-afbeeldingen na het etsen worden getoond in Fig. 5. Uit de figuur is te zien dat wanneer de zuurstofstroomverhouding 3 is, het geëtste GaAs-oppervlak een nette kolomvorm en de hoogte is 117-135 nm. Wanneer de zuurstofstroomverhouding toeneemt tot 4, wordt het GaAs-oppervlak helder en blijkt het monsteroppervlak glad en zonder enig patroon te zijn, zoals weergegeven in figuur 5c. De reden is dat met de toename van zuurstof, het aandeel van Cl₂ neemt af, wat leidt tot een afname van de etssnelheid. Het Ga-ion in GaAs reageert met zuurstof en vormt Ga₂ O₃ als het micromasker in het volgende etsproces. Een overmatig micromasker zal echter de selectieve verhouding van het etsen verminderen, waardoor de zwarte GaAs-structuur niet kan worden gevormd. Dat is de reden waarom we zien dat wanneer de zuurstofstroom toeneemt tot 4 of meer, het oppervlak van het monster niet langer zwart lijkt, maar glad en vlak is. De Cary 7000-spectrofotometer werd gebruikt om de reflectiviteit van de drie monsters met verschillende morfometrie te testen, en we ontdekten dat de reflectiviteit geleidelijk toenam met de toename van de zuurstofstroom. Afbeelding 6 toont de reflectie van GaAs-substraat bij verschillende zuurstofstroomsnelheden. We kunnen zien dat wanneer de zuurstofstroomverhouding 2 is, de reflectiviteit de laagste reflectiviteit heeft, bijna tot nul binnen het GaAs-absorptiebereik. Het resultaat is beter dan andere nanostructuren die in de literatuur worden vermeld, zoals nanodraad, nanostaafje [29, 30]. Dit komt omdat het vlokkige oppervlak van zwart GaAs het voortplantingspad van fotonen aanzienlijk verhoogde en de reflectie van licht verminderde, terwijl het geëtste monster met glad oppervlak een hoge reflectiviteit vertoonde. Het gestructureerde GaAs-monster vertoonde ook hydrofobiciteit met een contacthoek van 125 °, zoals weergegeven in de vergrote SEM-afbeeldingen van Fig. 5d, waardoor het toepassingsbereik van zwarte GaAs werd vergroot.

een –c SEM-beelden van GaAs-substraat onder verschillende zuurstofstroomsnelheden; d het transversale SEM-beeld van GaAs-substraat onder de zuurstofstroomsnelheid van 2

Reflectie van GaAs-substraat onder verschillende zuurstofstroomsnelheden