Au-Capped GaAs Nanopillar Arrays Fabrikasi oleh Metal-Assisted Chemical Etching

Hasil dan Diskusi

Dalam etsa kimia yang dibantu logam, sangat penting untuk mengontrol secara tepat dimensi katalis logam untuk mendapatkan desain yang diinginkan pada permukaan substrat. Karena morfologi struktur yang dihasilkan tergantung pada pola geometris awal dan dimensi katalis logam, katalis logam berpola diperlukan untuk membuat struktur nano yang dipesan pada permukaan semikonduktor. Dalam penelitian ini, topeng alumina dengan susunan bukaan yang teratur digunakan untuk mengontrol ukuran dan susunan katalis logam. Untuk proses pengendapan logam kering, ketebalan topeng sangat penting karena deposisi logam melalui topeng tebal dengan lubang sempit secara fisik sulit. Dalam kasus alumina berpori, ketebalan masker dapat disesuaikan dengan reproduktifitas tinggi dengan mengubah waktu anodisasi. Di sini, topeng alumina berpori dengan ketebalan sekitar 300 nm disiapkan pada substrat GaAs. Masker alumina dipasang dengan permukaan menghadap ke atas. Diameter atas dan bawah bukaan di masker alumina masing-masing kira-kira 80 dan 70 nm. Diameter bukaan atas yang sedikit lebih besar dibandingkan dengan bukaan bawah disebabkan oleh etsa kimia selama persiapan masker alumina.

Gambar 2 menunjukkan susunan Au nanodot yang teratur dengan baik pada substrat GaAs. Larik nanodot sesuai dengan konfigurasi susunan pori yang dipesan sendiri dalam topeng alumina anodik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Meskipun pengendalian pengendapan Au harus lebih ditingkatkan, pengendapan logam melalui topeng alumina yang ditunjukkan di sini cocok untuk produksi skala besar pola titik logam mulia yang dipesan pada substrat semikonduktor dalam hal kesederhanaan dan efisiensi proses fabrikasi. Perhatikan bahwa setiap Au nanodot memiliki diameter yang hampir sama, sekitar 70 nm; diameter ini ditentukan oleh ukuran pori bagian bawah topeng alumina, sedangkan ketinggian Au nanodots terutama ditentukan oleh waktu deposisi. Dalam penelitian ini, ketinggian setiap Au nanodot disesuaikan menjadi ~30 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b.

a Permukaan dan b gambar SEM penampang dari susunan Au nanodot yang terbentuk pada substrat GaAs melalui topeng alumina berpori anodik

Setelah terbentuknya susunan titik Au pada substrat GaAs, spesimen direndam dalam larutan HF dan KMnO₄ untuk etsa kimia dengan bantuan logam. Dalam etsa kimia berbantuan logam konvensional, etsa berlangsung secara lokal pada antarmuka antara katalis dan substrat di bawahnya, menghasilkan pembentukan pori-pori atau parit dalam arah tegak lurus terhadap substrat, dan katalis logam tenggelam ke dalam semikonduktor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1c. Penggunaan etsa yang terdiri dari konsentrasi asam tinggi dan konsentrasi oksidan rendah dianggap dapat meningkatkan konsumsi lubang positif yang dihasilkan dengan lancar (h ⁺ ) pada antarmuka logam/semikonduktor. Dalam penelitian ini, oksidasi GaAs pada antarmuka Au/GaAs diharapkan berlangsung secara langsung oleh h ⁺ yang dihasilkan. .

Gambar 3 menunjukkan gambar SEM khas dari permukaan GaAs yang tergores menggunakan katalis Au berpola. Etsa kimia dilakukan dalam larutan yang mengandung 0,001 mol dm ⁻³ KMnO₄ dan 20 mol dm ⁻³ HF pada suhu yang relatif tinggi yaitu 45 °C. Dalam penelitian ini, konsentrasi KMnO₄ rendah (0,001 mol dm ⁻³ ) untuk menekan etsa lateral. Menurut laporan sebelumnya oleh DeJarld et al. dan Cheung et al., laju etsa lateral meningkat dengan meningkatnya zat pengoksidasi (KMnO₄ ) konsentrasi [19, 21].

Gambar SEM permukaan atas substrat GaAs setelah etsa kimia berbantuan Au dalam larutan yang mengandung 0,001 mol dm ⁻³ KMnO₄ dan 20 mol dm ⁻³ HF selama 600 dtk pada 45 °C

Katalis Au, yang terdeteksi sebagai titik terang melingkar, diamati di dalam pori-pori di banyak area substrat GaAs, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Diameter pori-pori yang diamati pada Gambar. 3 bertepatan dengan ukuran nanodot Au yang diendapkan yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Hasil ini menunjukkan bahwa etsa kimia berbantuan logam konvensional, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 1c, hanya terjadi pada antarmuka Au/GaAs dan berlangsung secara anisotropik tegak lurus terhadap substrat, yaitu dalam arah <100>.

Dalam etsa kimia berbantuan logam, komposisi etsa dan suhu etsa mempengaruhi dinamika difusi pembawa, oksidasi, dan penghilangan produk [19]. Untuk membuka aplikasi baru substrat GaAs yang tergores, kami mencoba membuat susunan nanopilar GaAs dengan mengubah kondisi etsa kimia berbantuan logam. Gambar 4 menunjukkan gambar SEM penampang khas dari permukaan GaAs tergores yang diperoleh menggunakan katalis Au berpola. Dengan meningkatkan konsentrasi KMnO₄ , morfologi struktur yang dihasilkan dapat diubah. Dalam semua kasus, nanopilar GaAs yang disusun secara heksagonal di seluruh area spesimen diperoleh. Ujung pilar sedikit meruncing akibat etsa lateral. Periodisitas array nanopilar GaAs adalah sekitar 100 nm, sesuai dengan array titik Au yang digunakan sebagai katalis dan pori-pori alumina berpori yang digunakan sebagai topeng awal. Sepengetahuan kami, dimensi (misalnya, periodisitas) struktur yang diperoleh pada GaAs melalui etsa kimia berbantuan logam dalam penelitian ini lebih kecil daripada yang dilaporkan untuk struktur GaAs lainnya [19,20,21,22].

Gambar SEM dari susunan nanopilar GaAs yang dibuat dengan etsa kimia berbantuan Au dalam larutan yang mengandung 0,01 mol dm ⁻³ KMnO₄ dan 5, 10, atau 20 mol dm ⁻³ HF selama 5 dtk pada a 20 dan b 45 °C

Ketika etsa dilakukan pada suhu yang relatif rendah 20 °C, katalis Au diamati di ujung setiap pilar, seperti yang ditunjukkan oleh panah. Gambar 4a menunjukkan bahwa laju etsa meningkat dengan meningkatnya konsentrasi HF pada konsentrasi oksidan yang sama. Pada konsentrasi HF tinggi 20 mol dm ⁻³ , ketinggian pilar sisa GaAs adalah yang tertinggi.

Berlawanan dengan harapan bahwa oksidasi GaAs pada antarmuka Au/GaAs berlangsung dengan h ⁺ yang dihasilkan , tidak ada pelarutan kimia di daerah kontak antara katalis Au dan substrat GaAs yang mendasari diamati dalam kasus Gambar. 4. Pola etsa dianggap tergantung pada suhu etsa. Pada suhu rendah (mis., 20 °C), laju h ⁺ konsumsi pada antarmuka Au/GaAs dianggap lebih rendah dari tingkat h ⁺ injeksi; jadi, h ⁺ menyebar ke area sekitar GaAs berlapis Au. Akhirnya, nanopillar GaAs terbentuk di bawah area kontak antara katalis Au dan substrat GaAs yang mendasarinya karena etsa selektif lokasi terjadi pada permukaan GaAs yang terbuka. Dengan kata lain, nanodot Au juga bertindak sebagai topeng pelindung untuk mencegah pembubaran substrat GaAs. Fenomena etsa ini seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1d disebut etsa kimia berbantuan logam terbalik [19, 22]. Pada tahun 2010, kami juga mendemonstrasikan pembentukan susunan microbump InP menggunakan etsa kimia berbantuan logam terbalik di bawah iradiasi UV [15]. Berbeda dengan etsa kimia berbantuan logam konvensional, etsa kimia berbantuan logam terbalik terjadi pada permukaan semikonduktor senyawa III–V yang terpapar di sekitar area berlapis logam dengan difusi h ⁺ dari katalis logam dan etsa kimia selektif lokasi berikutnya. Perilaku etsa yang unik seperti itu belum pernah diamati pada bahan silikon.

Saat etsa kimia dengan bantuan logam dilakukan pada suhu tinggi 45 °C, h ⁺ yang dihasilkan diharapkan untuk dikonsumsi segera setelah mencapai batas antara Au, GaAs, dan etsa, menghasilkan promosi etsa vertikal. Bahkan dalam kasus ini, bagaimanapun, etsa kimia dengan bantuan logam terbalik terjadi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, laju etsa meningkat dengan meningkatnya konsentrasi HF dengan cara yang sama seperti perilaku etsa pada Gambar 4a. Namun, pada suhu etsa tinggi 45 °C dan konsentrasi HF tinggi 20 mol dm ⁻³ , katalis Au terlepas dari ujung pilar GaAs karena kelebihan h ⁺ dihasilkan oleh suhu yang relatif tinggi, bahkan dalam waktu pengetsaan singkat 5 detik, mendorong pengetsaan lateral GaAs dengan adanya katalis Au. Kontrol bentuk pilar akan ditingkatkan dengan optimalisasi tambahan kondisi etsa (misalnya, komposisi etsa, konsentrasi, dan suhu). Upaya untuk memperjelas efek konsentrasi zat pengoksidasi pada pembentukan h ⁺ dan morfologi GaA yang tergores saat ini sedang berlangsung.

Untuk menguji pengaruh waktu etsa pada geometri struktur GaAs yang tergores, etsa kimia diperpanjang dalam 20 mol dm ⁻³ HF dan 0,01 mol dm ⁻³ KMnO₄ pada suhu yang relatif rendah yaitu 20 °C. Seperti yang ditunjukkan pada gambar penampang pada Gambar. 5a, kedalaman nanopilar GaAs mencapai ~50 nm. Salah satu fitur penting dari susunan nanopilar GaAs yang diperoleh dalam penelitian ini adalah bahwa ujung setiap pilar ditutupi dengan Au, seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 5a. Gambar 6 menunjukkan analisis unsur AES dari spesimen yang sama. Peta AES untuk Ga dan Au dari GaAs yang tergores menunjukkan keberadaan Au di ujung setiap pilar bahkan setelah etsa kimia berbantuan logam selama 10 detik.

Gambar SEM penampang dari susunan nanopilar GaAs yang dibuat dengan etsa kimia berbantuan Au pada 20 °C selama a 10 dan b 60 s dalam larutan yang mengandung 20 mol dm ⁻³ HF dan 0,01 mol dm ⁻³ KMnO₄ . Sisipkan menunjukkan gambar permukaan array nanopillar GaAs yang tertutup Au

a Gambar substrat GaAs setelah etsa kimia berbantuan Au dan peta AES yang sesuai untuk b Ga dan c au. Kondisi etsa sama seperti pada Gambar 5a

Karena tinggi pilar ditentukan terutama oleh waktu etsa, pengetsaan diperpanjang dari 10 detik menjadi 1 menit untuk membentuk susunan pilar yang lebih tinggi pada GaAs. Namun, waktu etsa yang diperpanjang selama 1 menit mengakibatkan penurunan tinggi pilar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Penurunan tinggi pilar dikaitkan dengan etsa lateral dengan adanya katalis Au dan pelepasan berikutnya dari titik Au yang digunakan sebagai katalis.

Meskipun etsa kimia dengan bantuan logam, yang secara tepat mengontrol difusi h ⁺ dari katalis logam, belum sepenuhnya tercapai, fabrikasi nano semikonduktor senyawa III-V menggunakan etsa kimia berbantuan logam menawarkan alternatif yang menjanjikan untuk desain struktur tiga dimensi yang dipesan tanpa menggunakan proses kering. Selain itu, susunan nanopilar Au-capped GaAs yang diperoleh memiliki aplikasi teknologi dan ilmiah potensial dalam perangkat optoelektronik seperti sel surya yang menggunakan struktur nano plasmonik untuk meningkatkan perangkap cahaya [23, 24].