Fabrikasi dan Karakterisasi Black GaAs Nanoarrays melalui ICP Etching
Abstrak
Struktur nano GaAs telah menarik lebih banyak perhatian karena sifatnya yang sangat baik seperti meningkatkan penyerapan foton. Proses fabrikasi pada substrat GaAs jarang dilaporkan, dan sebagian besar proses preparasinya rumit. Di sini, kami melaporkan proses fabrikasi GaAs hitam menggunakan proses etsa plasma sederhana yang digabungkan secara induktif, tanpa proses litografi tambahan. Sampel fabrikasi memiliki nilai reflektansi rendah, mendekati nol. Selain itu, GaAs hitam juga menunjukkan sifat hidrofobik, dengan sudut kontak air 125°. Proses etsa GaAs hitam semacam ini dapat ditambahkan ke alur kerja fabrikasi fotodetektor dan perangkat sel surya untuk lebih meningkatkan karakteristiknya.
Pengantar
Karena sifat optiknya yang unik, struktur penangkap cahaya memainkan peran yang semakin penting dalam perangkat fotovoltaik [1]. Saat ini, para peneliti telah mengembangkan semua jenis struktur nano sebagai struktur penangkap cahaya untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam fotovoltaik, sementara sebagian besar dilakukan pada substrat Si [2,3,4,5,6]. Struktur nano semikonduktor senyawa III-V telah terbukti menjadi bahan yang menjanjikan untuk berbagai aplikasi optoelektronik dan terkait energi seperti dioda pemancar cahaya (LED) [7, 8], fotovoltaik (PV) [9,10,11,12 ] dan transistor efek medan (FET) [13,14,15,16]. GaAs adalah kandidat yang menjanjikan sebagai celah pita langsung dan sifat penyerapannya [17, 18]. Ketika cahaya datang memasuki struktur nano, foton akan mengalami beberapa refleksi dan membiaskan di dalam struktur dan terjebak dalam array, yang merupakan efek perangkap dari struktur nano. Dan karena sifat penyerapan bahan GaAs, berarti energi foton yang diserap oleh GaAs lebih banyak [19, 20]. Namun, dibandingkan dengan struktur nanoarray Si, penelitian tentang struktur nanoarray GaAs relatif dilaporkan.
Untuk proses preparasi nanoarray GaAs, peneliti dari University of Illinois [21] mempresentasikan array nanopilar GaAs dengan proses soft lithography dan metal-assisted chemical etching (MacEtch) pada tahun 2011. Struktur nano yang dibuat memiliki lebar seragam yang dapat digunakan dalam perangkat optoelektronik dan detektor optik. Para peneliti dari Chinese Academy of Science [19] menganalisis sifat resistensi anti-refleksi nanoarray GaAs melalui simulasi teoretis dengan perangkat lunak finite-difference time-domain (FDTD), memberikan referensi teoretis terperinci untuk sifat optik struktur nano. Pada tahun 2012, Lee dkk. [22] menyiapkan struktur nanoarray sub-mikron pada substrat GaAs menggunakan lapisan penghalang litografi kristal koloid, yang telah banyak digunakan dalam sel surya. Pada tahun 2016, Song dkk. [23] membuat struktur subwavelength GaAs dengan etsa kimia yang dibantu Au. Struktur GaAs yang dibuat secara dramatis mengurangi reflektansi total menjadi 4,5% dalam rentang panjang gelombang 200—850 nm hingga sudut datang 50°. Pada tahun 2018, Paola Lova dkk. [24] mendemonstrasikan etsa kimia berbantuan logam anisotropik dari wafer GaAs yang mengeksploitasi tingkat etsa yang lebih rendah dari bidang monoatomik Ga 111˃ dan 311˃. Mereka juga mengusulkan mekanisme reaksi kualitatif untuk etsa anisotropik GaAs dan menunjukkan bahwa reflektansi permukaan kasar GaAs hitam berkurang hingga ~ 50 kali dibandingkan dengan wafer yang dipoles. Pada tahun 2020, Paola Lova dkk. [25] membuktikan bahwa GaAs yang tergores (GaAs hitam) menunjukkan sifat penjebak cahaya yang memuaskan dan sampel yang tergores menarik lebih banyak daur ulang foton. Artikel-artikel yang disebutkan di atas semuanya membuktikan bahwa struktur susunan nanometer GaAs memiliki sifat fotolistrik yang sangat baik. Namun sebagian besar dibuat melalui etsa berbantuan logam, yang memerlukan proses kimia yang rumit dan pembuangan limbah cair seperti HF juga merepotkan. Selain itu, Au digunakan sebagai logam tambahan, dan biayanya relatif tinggi.
Jadi di sini kami mendemonstrasikan proses fabrikasi GaAs hitam menggunakan proses etsa plasma induktif digabungkan (ICP) sederhana, dan tidak ada proses litografi tambahan, dll. Sampel fabrikasi memiliki nilai reflektansi rendah, mendekati nol. Selain itu, GaAs hitam juga menampilkan sifat hidrofobik, dengan sudut kontak air (CA) sebesar 125°. Secara keseluruhan, proses etsa GaAs hitam semacam ini dapat ditambahkan ke alur kerja fabrikasi fotodetektor dan perangkat sel surya untuk lebih meningkatkan karakteristiknya.
Metode
Proses Fabrikasi Black GaAs Nanoarrays
Semua sampel dipotong menjadi potongan-potongan GaA massal berukuran 1,5 cm × 2 cm, dan sampel dibersihkan sebelumnya dengan pelarut konvensional dan dibilas dalam air deionisasi (DI). Kemudian, percobaan dilakukan di ruang reaksi etsa Oxford System100, dan gas yang digunakan dalam penelitian ini adalah BCl3 , Kl2 , Ar, N2 dan O2 . Prosedur pembersihan oksigen selama 5 menit dilakukan di antara setiap proses untuk menghilangkan polimer apa pun dari dinding samping reaktor, meminimalkan kontaminasi, dan mempertahankan pengulangan proses. Sampel dimasukkan ke dalam reaktor dengan memasangnya pada SiO2 wafer pembawa, dan karena sampel digores pada suhu kamar, minyak silikon tidak diperlukan sebelum proses etsa [26]. Sebagai bagian dari optimalisasi parameter etsa, waktu etsa yang berbeda untuk mengukur hasil proses digunakan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.
Gambar SEM substrat GaAs dalam waktu etsa yang berbeda
Karakterisasi
Analisis morfologi ditandai dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM, FEI NanoSEM650, Hillsboro, OR, USA). Kinerja hidrofobik produk diukur dengan penguji sudut kontak air JC2000D (Zhongchen digital technic apparatus co., ltd, Shanghai, China). Reflektifitas sampel diukur dengan spektrofotometer Agilent Cary7000.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan gambar SEM substrat GaAs pada waktu etsa yang berbeda. Dari gambar terlihat bahwa kedalaman etsa meningkat dengan bertambahnya waktu etsa, tetapi morfologi sampel tidak banyak berubah. Setelah etsa, permukaan sampel GaAs menjadi flokulan, tingginya relatif seragam tetapi tersebar di sekitarnya. Ketika aliran oksigen tetap dan waktu etsa adalah 3 menit, ketinggian sampel yang tergores adalah sekitar 0,97-1,15 μm. Dengan bertambahnya waktu etsa, ketinggian struktur yang terbentuk juga akan meningkat. Tingginya adalah 1,48–1,56 μm dan 1,65–1,86 μm sesuai dengan waktu etsa 4 mnt, 5 mnt. Karena permukaan sampel yang tergores berbeda dan tersebar, sulit untuk mendapatkan nilai yang akurat untuk pitch dan periode. Struktur flokulan semacam ini sangat meningkatkan luas permukaan spesifik perangkat dan dapat diterapkan di bidang superkapasitor dan sensor.
Mekanisme etsa GaAs hitam mirip dengan silikon hitam. Dalam kondisi vakum tertentu, gas etsa dihasilkan menjadi plasma dengan pelepasan cahaya, yang menghasilkan sejumlah besar gugus bebas molekul. Partikel bermuatan membombardir permukaan sampel di bawah aksi medan listrik frekuensi tinggi, sementara pada saat yang sama mereka bereaksi dengan beberapa partikel di permukaan GaAs, menghasilkan beberapa gas yang mudah menguap. Etsa permukaan GaAs diimplementasikan di bawah peran ganda pemboman fisik dan reaksi kimia [27]. Seluruh proses etsa dapat direpresentasikan dengan mengikuti Gambar 2. Pertama, etsa acak dari oksida asli (ion dan oksigen) membuat permukaan menjadi kasar karena pembentukan topeng mikro [26, 28]. Kemudian etsa lateral struktur mikro pada permukaan substrat dihambat dengan mengontrol komposisi gas etsa dan menggunakan pasivasi beberapa produk selama etsa [26], dan diperoleh struktur nano pada permukaan substrat yaitu permukaan akhir GaAs hitam, sebagai ditunjukkan pada Gambar. 2d. Semua dilakukan secara otomatis dalam satu proses ICP tanpa topeng [27, 28].
Tampilan skema pembentukan struktur nano GaAs hitam dalam plasma. a Bersihkan GaAs; b etsa acak dari oksida asli; c membentuk topeng mikro; d membentuk struktur nano GaAs hitam
Kami juga menguji reflektifitas struktur yang disiapkan dengan spektrofotometer Cary 7000 Agilent dan menemukan bahwa struktur flokulan sampel GaAs memiliki reflektifitas yang sangat rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Dalam rentang panjang gelombang 590–800 nm, reflektifitasnya adalah 3 min < 5 mnt < 4 mnt. Dalam rentang panjang gelombang 400–590 nm, reflektifitasnya adalah 5 mnt < 4 mnt < 3 mnt. Sementara itu, kita dapat melihat bahwa reflektifitas sampel pada waktu etsa yang berbeda sangat rendah, dengan perbedaan kurang dari 1%. Mempertimbangkan waktu dan biaya dalam proses yang sebenarnya, kami memilih 3 menit sebagai waktu etsa tetap dalam eksperimen berikutnya. Kami mengaitkan penurunan reflektifitas dengan struktur kasar yang terbentuk pada permukaan GaAs. Sampel membentuk struktur cluster setelah etsa, dan permukaan yang kasar akan membatasi pantulan cahaya dan mengurangi hamburan cahaya, sehingga mengurangi reflektifitas cahaya. Untuk memverifikasi kesimpulan kami, gambar AFM dilakukan pada permukaan sampel yang tergores dan sampel yang tidak tergores, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Hasil menunjukkan bahwa kekasaran permukaan sampel yang tergores jauh lebih besar daripada sampel yang tidak tergores.
Pantulan substrat GaAs pada waktu etsa yang berbeda
Gambar AFM dari a sampel GaAs yang tidak tergores; b GaAs hitam
Kemudian kami menyelidiki pengaruh laju aliran gas etsa pada morfologi permukaan dan reflektifitas sampel ketika waktu etsa ditetapkan pada 3 menit, dan aliran oksigen dikontrol. Di sini peran oksigen adalah untuk membentuk oksida selama proses etsa, dan karena suhu penguapan yang berbeda selama proses etsa, oksigen bereaksi dengan atom basa untuk membentuk topeng mikro, sehingga mempengaruhi hasil etsa. Di sini, rasio aliran oksigen ditetapkan sebagai 2:3:4, dan gambar SEM setelah etsa ditunjukkan pada Gambar. 5. Dapat dilihat dari gambar bahwa ketika rasio aliran oksigen adalah 3, permukaan GaAs yang tergores menunjukkan a bentuk kolom yang rapi, dan tingginya 117–135 nm. Ketika rasio aliran oksigen meningkat menjadi 4, permukaan GaAs menjadi cerah, dan permukaan sampel menjadi halus dan tanpa pola apa pun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5c. Pasalnya, dengan bertambahnya oksigen, proporsi Cl2 menurun, menyebabkan penurunan tingkat etsa. Ion Ga dalam GaAs bereaksi dengan oksigen membentuk Ga2 O3 sebagai mikro-topeng dalam proses etsa berikut. Namun, mikro-mask yang berlebihan akan mengurangi rasio selektif etsa, yang mengakibatkan kegagalan untuk membentuk struktur GaAs hitam. Itu sebabnya kita melihat ketika aliran oksigen meningkat menjadi 4 atau lebih, permukaan sampel tidak lagi tampak hitam, tetapi halus dan rata. Spektrofotometer Cary 7000 digunakan untuk menguji reflektifitas tiga sampel dengan morfometri yang berbeda, dan kami menemukan bahwa reflektifitas meningkat secara bertahap dengan peningkatan aliran oksigen. Gambar 6 menampilkan pantulan substrat GaAs di bawah laju aliran oksigen yang berbeda. Kita dapat melihat bahwa ketika rasio aliran oksigen adalah 2, reflektifitas memiliki reflektifitas terendah, hampir nol dalam rentang penyerapan GaAs. Hasilnya lebih baik daripada struktur nano lain yang dilaporkan dalam literatur, seperti nanowire, nanorod [29, 30]. Ini karena permukaan flokulan GaAs hitam sangat meningkatkan jalur propagasi foton dan mengurangi pantulan cahaya, sedangkan sampel tergores dengan permukaan halus menunjukkan reflektifitas tinggi. Sampel GaAs terstruktur juga menunjukkan hidrofobisitas dengan sudut kontak 125°, seperti yang ditunjukkan pada gambar SEM yang diperbesar pada Gbr. 5d, memperluas jangkauan aplikasi GaAs hitam.
a –c Gambar SEM substrat GaAs di bawah laju aliran oksigen yang berbeda; d gambar SEM penampang substrat GaAs di bawah laju aliran oksigen 2
Reflektansi substrat GaAs di bawah laju aliran oksigen yang berbeda
Kesimpulan
Singkatnya, kami mendemonstrasikan proses etsa ICP bebas litografi untuk penataan permukaan GaAs dengan refleksi mendekati nol (GaAs hitam). Sampel terstruktur menampilkan sifat antireflektif yang unggul, menghasilkan nilai reflektansi serendah 0,093. Struktur mikro diperoleh hanya dengan proses etsa ICP satu langkah dan dapat disiapkan dalam skala besar. Selain itu, sampel GaAs hitam menunjukkan sifat hidrofobik karena sudut kontaknya adalah 125°. Struktur semacam ini diharapkan dapat menyerap foton secara efisien dan mengurangi kehilangan foton yang terkait dengan emisi cahaya selama rekombinasi muatan. Proses persiapan terkait juga memberikan lebih banyak kemungkinan untuk persiapan dan pengembangan perangkat GaAs.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.
