Il s'agit d'une image au microscope électronique à balayage de "nanopillars" gravés dans l'arséniure de gallium via une gravure chimique assistée par métal. Crédit :Xiuling Li
La création de structures semi-conductrices pour les dispositifs optoélectroniques haut de gamme est désormais plus simple, grâce aux chercheurs de l'Université de l'Illinois.
L'équipe a développé une méthode pour graver chimiquement des réseaux à motifs dans l'arséniure de gallium semi-conducteur, utilisé dans les cellules solaires, laser, diodes électroluminescentes (LED), transistors à effet de champ (FET), condensateurs et capteurs. Dirigé par le professeur de génie électrique et informatique Xiuling Li, les chercheurs décrivent leur technique dans la revue Nano lettres.
Les propriétés physiques d'un semi-conducteur peuvent varier en fonction de sa structure, les plaquettes semi-conductrices sont donc gravées dans des structures qui ajustent leurs propriétés électriques et optiques et leur connectivité avant d'être assemblées en puces.
Les semi-conducteurs sont couramment gravés avec deux techniques :la gravure « humide » utilise une solution chimique pour éroder le semi-conducteur dans toutes les directions, tandis que la gravure "à sec" utilise un faisceau d'ions dirigé pour bombarder la surface, en découpant un motif dirigé. De tels motifs sont nécessaires pour les nanostructures à rapport d'aspect élevé, ou des formes minuscules qui ont un rapport hauteur/largeur élevé. Les structures à rapport d'aspect élevé sont essentielles à de nombreuses applications de dispositifs optoélectroniques haut de gamme.
Alors que le silicium est le matériau le plus omniprésent dans les dispositifs à semi-conducteurs, les matériaux du groupe III-V (prononcé trois-cinq) sont plus efficaces dans les applications optoélectroniques, comme les cellules solaires ou les lasers.
La gravure chimique assistée par métal utilise deux étapes. D'abord, une fine couche d'or est modelée sur une plaquette semi-conductrice avec une lithographie douce (à gauche). L'or catalyse une réaction chimique qui grave le semi-conducteur de haut en bas, créer des structures tridimensionnelles pour des applications optoélectroniques (à droite). Crédit :Xiuling Li
Malheureusement, ces matériaux peuvent être difficiles à graver à sec, car les explosions d'ions à haute énergie endommagent la surface du semi-conducteur. Les semi-conducteurs III-V sont particulièrement sensibles aux dommages.
Pour résoudre ce problème, Li et son groupe se sont tournés vers la gravure chimique assistée par métal (MacEtch), une approche de gravure humide qu'ils avaient précédemment développée pour le silicium. Contrairement aux autres méthodes humides, MacEtch fonctionne dans un sens, de haut en bas. Elle est plus rapide et moins chère que de nombreuses techniques de gravure sèche, selon Li. Son groupe a revisité la technique MacEtch, optimisation de la solution chimique et des conditions de réaction pour l'arséniure de gallium (GaAs) semi-conducteur III-V.
Le processus comporte deux étapes. D'abord, un mince film de métal est modelé sur la surface de GaAs. Puis, le semi-conducteur avec le motif métallique est immergé dans la solution chimique MacEtch. Le métal catalyse la réaction de sorte que seules les zones en contact avec le métal sont gravées, et des structures à rapport d'aspect élevé sont formées lorsque le métal s'enfonce dans la plaquette. Une fois la gravure terminée, le métal peut être nettoyé de la surface sans l'endommager.
"C'est un gros problème de pouvoir graver du GaAs de cette façon, " a déclaré Li. " La réalisation de réseaux de nanostructures III-V à rapport d'aspect élevé par gravure humide peut potentiellement transformer la fabrication de lasers à semi-conducteurs où le réseau de surface est actuellement fabriqué par gravure sèche, ce qui est coûteux et cause des dommages de surface.
Pour créer des motifs de film métallique sur la surface de GaAs, L'équipe de Li a utilisé une technique de modelage mise au point par John Rogers, la chaire Lee J. Flory-Founder et un professeur de science et ingénierie des matériaux à l'U. of I. Leurs équipes de recherche ont uni leurs forces pour optimiser la méthode, appelée lithographie douce, pour la compatibilité chimique tout en protégeant la surface du GaAs. La lithographie douce est appliquée à l'ensemble de la plaquette semi-conductrice, contrairement aux petits segments, créer des motifs sur de grandes surfaces – sans équipement optique coûteux.
"La combinaison de la lithographie douce et de MacEtch constitue la combinaison parfaite pour produire de grandes surfaces, nanostructures III-V à rapport d'aspect élevé à faible coût, " dit Li, qui est affilié au Laboratoire de Micro et Nanotechnologies, le Laboratoire de recherche sur les matériaux Frederick Seitz et le Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'U. of I.
Prochain, les chercheurs espèrent optimiser davantage les conditions de gravure de GaAs et établir des paramètres pour MacEtch d'autres semi-conducteurs III-V. Puis, ils espèrent démontrer la fabrication d'appareils, y compris les lasers à réflecteur de Bragg distribués et les cristaux photoniques.
"MacEtch est une méthode universelle tant que la bonne condition pour la gravure déférente avec et sans métal peut être trouvée, " dit Li.
