不同温度下砷化镓表面摩擦诱导选择性刻蚀特性研究_高健 (1)

GaAsO4等, 这些氧化物会溶于硫酸, 实现了表面材料 去除[16]. Tang等对砷化镓表面划痕的微区拉曼光谱的 分析表明, 机械刻划后砷化镓表面拉曼图谱的纵声子 模LO峰相对于原始表面明显向正方向偏移7 cm-1, 这 说明划痕区域存在残余压应力, 且划痕区域材料的晶 体结构变得密集[1]; 砷化镓表面纳米划痕产生的稠密 化变形阻碍了刻蚀剂分子的进入, 从而降低了该区域 的刻蚀速率, 而划痕周围的原始砷化镓表面刻蚀速率 较快, 产生了速率差, 从而导致划痕区域上的纳米凸 结构的产生.
第4期
高健, 等: 不同温度下砷化镓表面摩擦诱导选择性刻蚀特性研究
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Fig. 2 AFM images of nanoscratches on GaAs surface after 30 min etching at elevated temperatures 图2 刻蚀时间为30 min时, 砷化镓表面纳米划痕在不同温度下刻蚀后的AFM形貌图
在刻蚀过程中, H2O2会先将砷化镓表面氧化, 生 成多种镓和砷的氧化物, 如As2O3、Ga2O3和
Fig. 3 The height of the protrusive nanostructures plotted as the function of etching temperature and etching time 图3 不同温度下刻蚀所得 纳米凸结构的高度随时间的变化曲线
供了重要依据.
关键词: 摩擦诱导选择性刻蚀; 温度; 砷化镓; AFM
中图分类号: TH117.1, TB321
文献标志码: A
文章编号: 1004-0595(2016)04-0475-06
Friction-Induced Selective Etching of GaAs Surface at Elevated Temperatures
轮廓曲线图, 由此轮廓曲线可以看出, 随着温度增加, 纳米凸结构高度呈现出先增加后降低的趋势. 当刻蚀 温度由0 ℃升至40 ℃时, 凸结构高度由86 nm增至 145 nm; 而温度继续由40 ℃升至60 ℃时, 凸结构高度 则降低到113 nm.
图3示出了纳米凸结构的高度-温度-时间的变化 情况, 可见不同温度下凸结构高度随时间变化规律并 不一致. 当刻蚀温度在0~50 ℃时, 凸结构高度均随时 间的增加而变高; 刻蚀温度为60 ℃时, 凸结构的高度 随时间的增加先变高后降低. 当刻蚀温度为0 ℃时, 刻 蚀时间从5 min到60 min, 凸结构高度由35 nm增至 104 nm. 而当刻蚀温度为60 ℃时, 刻蚀时间由5 min增 至15 min时, 凸结构高度由116 nm增至139 nm; 刻蚀 时间继续由15 min增至60 min时, 凸结构高度则降至 60 nm.
Abstract: A series of nanostructures can be produced on gallium arsenide (GaAs) surface by friction-induced selective etching method. The nanofabrication method can be realized without any templates such as the photomasks. It is a promising method with the advantages of high processing efficiency and low cost. This paper aims to further study the performance of this friction-induced selective etching and optimize the processing parameters through investigating the influences of etching temperature on the etching process of GaAs surface. The variation of the nanostructure height and surface roughness on GaAs surface created by the post-etching was comparatively studied under elevated etching temperatures in a H2SO4-H2O2 solution. The mechanism for the temperature-dependent etching was interpreted. Finally, the optimized etching condition was addressed taking into account surface roughness and nanostructure height. The present study provides the guidance for selecting the parameters for processing by friction-induced selective etching on GaAs surface. Key words: friction-induced selective etching; temperature; gallium arsenide; AFM
Received 14 August 2015, revised 3 March 2016, accepted 20 April 2016, available online 28 July 2016. *Corresponding author. E-mail: bingjun@swjtu.edu.cn, Tel: +86-28-87634304 The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51305365), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20130184120008) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2682015CX037). 国家自然科学基金(51305365)、高等学校博士学科点专项科研基金(20130184120008)和中央高校基本科研业务费专项资金 (2682015CX037)资助.
本文作者旨在对不同温度下砷化镓表面选择性 刻蚀特性进行研究, 拟考察刻蚀温度对所加工的纳米 凸结构高度和表面粗糙度的影响, 探讨温度影响的机 理, 并寻求砷化镓表面摩擦诱导选择性刻蚀的最佳 条件.
1 试验部分
本文中利用H2SO4-H2O2混合溶液(体积比 H2SO4∶H2O2∶H2O=1∶0.5∶100)对带有纳米划痕砷 化镓表面进行选择性刻蚀. 所用的样品为掺硅的n型 GaAs(100), 购自天津晶明电子材料有限责任公司. 为 确保试验前样品表面洁净, 将GaAs依次放入丙酮、酒 精中分别超声清洗3 min, 再用二次去离子水冲洗. 采 用原子力显微镜(AFM; E-sweep, Hitachi, Japan)测得 GaAs样品表面均方根粗糙度(RMS)为0.10 nm, 测试区 域为2 μm × 2 μm.
摩擦诱导纳米加工技术提供了砷化镓表面纳米 加工的新途径[13–14]. Tang等[1]利用H2SO4-H2O2溶液对 砷化镓表面纳米划痕的选择性刻蚀, 实现了砷化镓表 面的纳米织构的加工. 摩擦诱导选择性刻蚀有望提供 一种砷化镓表面量子点成核位置的可控加工的方法, 该方法无需掩膜, 加工效率高、成本低, 具有较好的 应用前景. 然而, 摩擦诱导选择性刻蚀是基于化学反 应, 不同的刻蚀温度对摩擦诱导选择性刻蚀影响较大, 因此, 仍需要研究刻蚀温度对摩擦诱导选择性刻蚀的 影响, 以寻求更加合适的刻蚀条件.
2 结果与讨论
2.1 刻蚀温度对砷化镓表面的纳米凸结构高度的 影响 首先考察了温度对砷化镓表面选择性刻蚀所得
的纳米凸结构高度的影响. 图2是刻蚀时间为30 min 时, 不同刻蚀温度下砷化镓表面AFM形貌及其对应的
Fig. 1 The flow chart of the friction-induced selective etching on GaAs surface 图1 砷化镓表面摩擦诱导选择性刻蚀加工流程图
图1是不同温度下砷化镓表面选择性刻蚀的加工 流程. 首先, 在自制的多点接触微纳米加工设备上[15], 使用金刚石针尖(曲率半径R=5 μm)在10 mN载荷 (Fn)下, 在砷化镓表面加工划痕. 本试验中所获得纳米 划痕深度约为12 nm. 然后将表面带有划痕的砷化镓 样品置于预先配好的H2SO4-H2O2溶液中进行刻蚀, 利 用温控磁力搅拌器控制温度, 用秒表计时. 刻蚀温度 控制为0、25、40、50和60 ℃, 每个温度下的刻蚀时 间取为5、15、30和60 min. 刻蚀结束后, 在真空中用 AFM对所刻蚀出的纳米凸结构和砷化镓表面进行形 貌扫描, 所用Si3N4针尖(MLCT, Veeco Instruments Inc, Plainview, NY, USA)的悬臂梁弹性系数为k=0.1 N/m.
摘 要: 利用摩擦诱导选择性刻蚀的方法, 可在砷化镓表面加工一系列的纳米结构; 该纳米加工方法无需掩膜, 且加
工效率高、成本低, 具有应用前景. 为了进一步研究砷化镓表面摩擦诱导选择性刻蚀的特性, 优化加工参数, 本文作 者在不同温度下利用H2SO4-H2O2溶液对砷化镓表面进行选择性刻蚀, 考察了刻蚀后所形成的凸起高度及砷化镓表 面粗糙度随刻蚀时间和刻蚀温度的变化规律, 阐释了温度对砷化镓表面刻蚀的影响机制; 最后从加工高度和表面粗 糙度着眼, 探讨了砷化镓表面摩擦诱导选择性刻蚀的最佳条件. 本研究为砷化镓表面选择性刻蚀加工的条件优化提
第 36 卷 第 4 期 2016 年 7 月
DOI: 10.16078/j.tribology.2016.04.011
Байду номын сангаас
摩擦学学报
Tribology
Vol 36 No 4 July, 2016
不同温度下砷化镓表面摩擦诱导选择性 刻蚀特性研究
高 健, 余丙军*, 金晨宁, 肖 晨, 钱林茂
(西南交通大学 机械工程学院摩擦学研究所, 四川 成都 610031)
GAO Jian, YU Bingjun*, JIN Chenning, XIAO Chen, QIAN Linmao
(Tribology Research Institute, National Traction Power Laboratory, Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 610031, China)
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摩擦学学报
第 36 卷
砷化镓(GaAs)是最为重要的化合物半导体材料 之一, 它具有较高的导电迁移率、大的禁带宽度、低 阻位错和半绝缘特性[1–2]. 这些特性赋予砷化镓优良的 光电性能, 使其成为量子器件的优良衬底[3–4].
高性能量子器件的实现取决于对材料表面量子 点成核位置(一般为具有特定形状分布的微纳米级衬 底图案)的可控加工[5–6]. 近年来, 国内外研究了许多加 工砷化镓衬底图案的方法, 主要涉及光刻、纳米压 印、聚焦离子束技术等[7–11]. 例如, Martin等[7]用聚焦离 子束在砷化镓表面加工了微孔阵列; Hyon等[8]用机械 直写技术, 在砷化镓表面加工出微米级凹结构. 然而, 现有方法往往采用高能束或机械力进行加工, 都会不 同程度的对砷化镓衬底带来的损伤, 进而降低器件 性能[12].