Ésta es una imagen de microscopio electrónico de barrido de "nanopilares" grabados en arseniuro de galio mediante grabado químico asistido por metal. Crédito:Xiuling Li
Crear estructuras de semiconductores para dispositivos optoelectrónicos de alta gama ahora es más fácil, gracias a los investigadores de la Universidad de Illinois.
El equipo desarrolló un método para grabar químicamente matrices con patrones en el semiconductor arseniuro de galio, utilizado en células solares, láseres diodos emisores de luz (LED), transistores de efecto de campo (FET), condensadores y sensores. Dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica e informática Xiuling Li, los investigadores describen su técnica en la revista Nano Letras.
Las propiedades físicas de un semiconductor pueden variar según su estructura, por lo que las obleas semiconductoras se graban en estructuras que sintonizan sus propiedades eléctricas y ópticas y su conectividad antes de ensamblarlas en chips.
Los semiconductores se graban comúnmente con dos técnicas:el grabado "húmedo" utiliza una solución química para erosionar el semiconductor en todas las direcciones, mientras que el grabado "seco" utiliza un haz de iones dirigido para bombardear la superficie, tallando un patrón dirigido. Estos patrones son necesarios para nanoestructuras de alta relación de aspecto, o formas diminutas que tienen una gran proporción de alto a ancho. Las estructuras de alta relación de aspecto son esenciales para muchas aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos de alta gama.
Si bien el silicio es el material más ubicuo en los dispositivos semiconductores, Los materiales en el grupo III-V (pronunciado tres-cinco) son más eficientes en aplicaciones optoelectrónicas, como células solares o láseres.
El grabado químico asistido por metal utiliza dos pasos. Primero, una fina capa de oro está estampada en la parte superior de una oblea semiconductora con litografía suave (izquierda). El oro cataliza una reacción química que graba el semiconductor de arriba hacia abajo, creando estructuras tridimensionales para aplicaciones optoelectrónicas (derecha). Crédito:Xiuling Li
Desafortunadamente, estos materiales pueden ser difíciles de grabar en seco, a medida que las explosiones de iones de alta energía dañan la superficie del semiconductor. Los semiconductores III-V son especialmente susceptibles a daños.
Para abordar este problema, Li y su grupo recurrieron al grabado químico asistido por metales (MacEtch), un método de grabado en húmedo que habían desarrollado previamente para el silicio. A diferencia de otros métodos húmedos, MacEtch trabaja en una dirección, de arriba para abajo. Es más rápido y menos costoso que muchas técnicas de grabado en seco, según Li. Su grupo revisó la técnica MacEtch, Optimización de la solución química y las condiciones de reacción del semiconductor III-V arseniuro de galio (GaAs).
El proceso tiene dos pasos. Primero, una fina película de metal está estampada en la superficie de GaAs. Luego, el semiconductor con patrón metálico se sumerge en la solución química MacEtch. El metal cataliza la reacción de modo que solo se graben las áreas que tocan el metal, y se forman estructuras de alta relación de aspecto a medida que el metal se hunde en la oblea. Cuando termine el grabado, el metal se puede limpiar de la superficie sin dañarlo.
"Es muy importante poder grabar GaAs de esta manera, "Li dijo." La realización de matrices de nanoestructura III-V de alta relación de aspecto mediante grabado en húmedo puede transformar potencialmente la fabricación de láseres semiconductores donde la rejilla de superficie se fabrica actualmente mediante grabado en seco, lo cual es caro y causa daños en la superficie ".
Para crear patrones de película metálica en la superficie de GaAs, El equipo de Li utilizó una técnica de creación de patrones iniciada por John Rogers, la cátedra Lee J. Flory-Founder y profesora de ciencia e ingeniería de materiales en la U. de I. Sus equipos de investigación unieron fuerzas para optimizar el método, llamada litografía blanda, para la compatibilidad química mientras protege la superficie de GaAs. La litografía suave se aplica a toda la oblea semiconductora, a diferencia de pequeños segmentos, creando patrones en grandes áreas, sin costosos equipos ópticos.
"La combinación de litografía suave y MacEtch hace la combinación perfecta para producir grandes superficies, nanoestructuras III-V de alta relación de aspecto a bajo costo, "dijo Li, afiliado al Laboratorio de Micro y Nanotecnología, el Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz y el Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la U. de I.
Próximo, los investigadores esperan optimizar aún más las condiciones para el grabado de GaAs y establecer parámetros para MacEtch de otros semiconductores III-V. Luego, esperan demostrar la fabricación de dispositivos, incluyendo láseres reflectores de Bragg distribuidos y cristales fotónicos.
"MacEtch es un método universal siempre que se pueda encontrar la condición adecuada para el grabado deferente con y sin metal, "Dijo Li.
