Fabricación y caracterización de nanoarrays de GaAs negros mediante grabado ICP

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra imágenes SEM del sustrato de GaAs bajo diferentes tiempos de grabado. En la imagen podemos ver que la profundidad de grabado aumenta con el incremento del tiempo de grabado, pero la morfología de la muestra no cambia mucho. Después del grabado, las superficies de las muestras de GaAs se vuelven floculantes, relativamente uniformes en altura pero dispersas. Cuando el flujo de oxígeno es fijo y el tiempo de grabado es de 3 min, la altura de la muestra grabada es de aproximadamente 0,97 a 1,15 μm. A medida que aumenta el tiempo de grabado, también aumentará la altura de la estructura formada. La altura es de 1,48 a 1,56 μm y de 1,65 a 1,86 μm, lo que corresponde al tiempo de grabado de 4 min, 5 min. Como la superficie de la muestra grabada es divergente y está dispersa, es difícil obtener un valor preciso para el tono y el período. Este tipo de estructura floculante aumenta en gran medida el área de superficie específica del dispositivo y se puede aplicar en los campos de supercondensadores y sensores.

El mecanismo de grabado del GaAs negro es similar al del silicio negro. En determinadas condiciones de vacío, el gas de grabado se genera en plasma mediante descarga luminiscente, lo que produce una gran cantidad de grupos moleculares libres. Las partículas cargadas bombardean la superficie de la muestra bajo la acción de un campo eléctrico de alta frecuencia, mientras que al mismo tiempo reaccionan con algunas partículas en la superficie de GaAs, generando algo de gas volátil. El grabado de la superficie de GaAs se implementa bajo el doble papel de bombardeo físico y reacción química [27]. Todo el proceso de grabado se puede representar siguiendo la Fig. 2. En primer lugar, el grabado aleatorio del óxido nativo (iones y oxígeno) da aspereza a la superficie debido a la formación de una micro-máscara [26, 28]. Luego, el grabado lateral de microestructuras en la superficie del sustrato se inhibe controlando la composición del gas de grabado y utilizando la pasivación de algunos productos durante el grabado [26], y se obtienen las nanoestructuras en la superficie del sustrato, es decir, la superficie final de GaAs negro, como mostrado en la Fig. 2d. Todo se realiza automáticamente en un único proceso ICP sin máscara [27, 28].

Vista esquemática de la formación de nanoestructuras de GaAs negro en plasma. un Limpiar GaAs; b grabado aleatorio del óxido nativo; c formando micro-mascarilla; d formando nanoestructuras negras de GaAs

También probamos la reflectividad de la estructura preparada con el espectrofotómetro Cary 7000 de Agilent y descubrimos que la estructura floculante de la muestra de GaAs tenía una reflectividad muy baja, como se muestra en la Fig. 3. En el rango de longitud de onda de 590 a 800 nm, la reflectividad es 3 min <5 min <4 min. En el rango de longitud de onda de 400–590 nm, la reflectividad es 5 min <4 min <3 min. Mientras tanto, podemos ver que la reflectividad de las muestras bajo diferentes tiempos de grabado es muy baja, con una diferencia de menos del 1%. Teniendo en cuenta el tiempo y el costo del proceso real, elegimos 3 minutos como tiempo de grabado fijo en los experimentos posteriores. Atribuimos la disminución de la reflectividad a la estructura rugosa formada en la superficie de GaAs. La muestra formó una estructura de grupo después del grabado, y la superficie rugosa limitará la reflexión de la luz y reducirá la dispersión de la luz, reduciendo así la reflectividad de la luz. Para verificar nuestra conclusión, se realizaron imágenes AFM en la superficie de la muestra grabada y la muestra sin grabar, como se muestra en la Fig. 4. Los resultados muestran que la rugosidad de la superficie de la muestra grabada es mucho mayor que la de la muestra sin grabar.

Reflectancia del sustrato de GaAs bajo diferentes tiempos de grabado

Imágenes AFM de a muestra de GaAs sin grabar; b GaAs negros

Luego investigamos el efecto de la tasa de flujo de gas de grabado en la morfología de la superficie y la reflectividad de la muestra cuando el tiempo de grabado se fija en 3 minutos y se controla el flujo de oxígeno. Aquí, el papel del oxígeno es formar óxidos durante el proceso de grabado, y debido a la diferente temperatura de volatilización durante el proceso de grabado, el oxígeno reacciona con los átomos de base para formar una micro-máscara, lo que afecta el resultado del grabado. Aquí, la relación de flujo de oxígeno se establece en 2:3:4, y las imágenes SEM después del grabado se muestran en la Fig. 5. Se puede ver en la figura que cuando la relación de flujo de oxígeno es 3, la superficie de GaAs grabada presenta un ordenada forma columnar, y la altura es de 117-135 nm. Cuando la relación de flujo de oxígeno aumenta a 4, la superficie de GaAs se vuelve brillante y la superficie de la muestra se encuentra lisa y sin ningún patrón, como se muestra en la Fig. 5c. La razón es que con el incremento de oxígeno, la proporción de Cl ₂ disminuye, lo que lleva a una disminución de la tasa de grabado. El ion Ga en GaAs reacciona con el oxígeno formando Ga ₂ O ₃ como la micro-máscara en el siguiente proceso de grabado. Sin embargo, una micro-máscara excesiva reducirá la proporción selectiva de grabado, lo que provocará que no se forme la estructura negra de GaAs. Es por eso que vemos que cuando el flujo de oxígeno aumenta a 4 o más, la superficie de la muestra ya no aparece negra, sino que se presenta lisa y plana. Se utilizó el espectrofotómetro Cary 7000 para probar la reflectividad de las tres muestras con diferente morfometría, y encontramos que la reflectividad aumentaba gradualmente con el aumento del flujo de oxígeno. La Figura 6 muestra la reflectancia del sustrato de GaAs bajo diferentes velocidades de flujo de oxígeno. Podemos ver que cuando la relación de flujo de oxígeno es 2, la reflectividad tiene la reflectividad más baja, casi cero dentro del rango de absorción de GaAs. El resultado es mejor que otras nanoestructuras reportadas en la literatura, como nanoalambres, nanovarillas [29, 30]. Esto se debe a que la superficie floculante de GaAs negro aumentó en gran medida la ruta de propagación de los fotones y redujo la reflexión de la luz, mientras que la muestra grabada con superficie lisa presentó una alta reflectividad. La muestra de GaAs estructurado también presentó hidrofobicidad con un ángulo de contacto de 125 °, como se muestra en las imágenes SEM ampliadas de la Fig. 5d, ampliando el rango de aplicación de GaAs negro.

un - c Imágenes SEM del sustrato de GaAs bajo diferentes velocidades de flujo de oxígeno; d la imagen SEM de sección transversal del sustrato de GaAs bajo el caudal de oxígeno de 2

Reflectancia del sustrato de GaAs bajo diferentes velocidades de flujo de oxígeno