[发明专利]基于摩擦诱导选择性刻蚀的砷化镓表面微纳米加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦诱导选择性刻蚀的砷化镓表面微纳米加工方法。

背景技术

砷化镓（GaAs）是最为重要的化合物半导体材料之一。砷化镓（GaAs）因其禁带宽度及高的电子迁移率，是制造微纳米器件的重要材料。砷化镓表面所形成的异质量子点具有光电转换效率高、量子限制效应强、量子干涉效应明显等特征，在新能源、光电探测、高性能激光器和量子计算等领域展示出强劲的应用前景。例如，砷化镓衬底量子点太阳能电池的转换效率理论上可达50%以上，远高于硅太阳能电池的理论转换效率（30%）。市场分析显示，在砷化镓量子点发光、通信等技术的驱动下，2014年全球砷化镓高科技手持装置的数量可达17亿，由此带来37亿美元的税收，并且这一数据仍将持续攀升。然而，目前砷化镓表面量子点的生长仍是无序的，其分布均匀性难以控制，这成为限制量子点性能提升的巨大障碍。通过砷化镓表面的微纳米结构的加工，实现砷化镓表面量子点的高质量定位生长，成为国内外研究人员关注的焦点问题。

目前的砷化镓表面的微纳米结构的加工，囿于加工成本、加工效率等因素限制，其效果均不理想。根据不同的原理，目前应用于砷化镓表面的微纳米加工方法主要有：

光刻技术：一般在砷化镓表面覆盖聚合物（有机玻璃）作为掩膜，再涂光刻胶，通过光化学反应和化学、物理刻蚀方法，将模板上的图形传导至砷化镓表面。随着分辨率和加工精度的不断提高，该方法成本也越来越高，其技术局限性也在进一步凸显，如：难以消除掩膜版的缺陷、难以提高砷化镓晶片和掩膜板的表面平整度以及两者之间的平行度、光源、光刻胶昂贵等问题。总之，随着纳米加工技术的发展，光刻技术已逐渐发展到其“应用极限”。

高能束微加工技术：利用聚焦离子/电子束可在砷化镓表面加工出高分辨率的光栅、多级面台阶等结构。然而该方法加工流程同样包括镀膜、模板覆盖、曝光、刻蚀、去模等步骤，加工效率较低。由于离子束能量较大，除了刻蚀目标区域的材料外，对基体材料也造成一定的损伤，并且其加工设备昂贵。

基于扫描探针技术的阳极氧化：通过扫描探针与样品之间的隧道电流作用和电化学反应使样品表面接触区域发生局部氧化，形成纳米级氧化物结构的加工方法。在加工过程中，探针作为阴极，样品作为阳极，可使试件表面数个原子层出现氧化。该方法的加工精度受探针的尖锐度、探针和试件间偏压的大小、环境湿度以及扫描速度等因素影响，加工条件相当苛刻。

发明内容

本发明的目的是提供一种摩擦诱导选择性刻蚀的砷化镓表面微纳米加工方法，该方法能在砷化镓表面加工出各种形状的凸起结构，且其操作简单、成本低、效率高、灵活性强。

本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种基于摩擦诱导选择性刻蚀的砷化镓表面微纳米加工方法，其具体操作方法是：

A、将金刚石探针安装在扫描探针显微镜或多点接触微纳米加工设备上，将清洗过的砷化镓固定在样品台上，启动设备，给探针施加不小于理论临界载荷F_c的载荷F，并使探针按照设定的扫描轨迹在砷化镓表面进行扫描；所述的理论临界载荷F_c，按以下方法确定:

A1、由公式算出金刚石探针和砷化镓的等效弹性模量E，式中v₁、v₂分别为金刚石探针和砷化镓的泊松比,E₁、E₂分别为金刚石探针和砷化镓的弹性模量；

A2、由公式算出砷化镓发生屈服的临界应力所对应的理论临界载荷F_c，式中σ_c为砷化镓发生屈服的临界应力，R是金刚石探针的等效曲率半径；

B、将H₂SO₄、H₂O₂和H₂O按H₂SO₄:H₂O₂:H₂O=1:0.5:100的体积比配制混合溶液，再将扫描后的砷化镓置于所述的混合溶液中刻蚀5-120分钟，即可。

本发明的过程和机理是：