[发明专利]基于光化学辅助选择性刻蚀的砷化镓表面纳米加工方法

说明书

本发明公开了一种基于光化学辅助选择性刻蚀的砷化镓表面纳米加工方法，包括以下步骤：S1、采用机械刻划或压痕设备在洁净的砷化镓表面进行划痕或压痕加工；S2、采用混合刻蚀剂对砷化镓表面进行紫外光化学辅助刻蚀，刻蚀完成后对砷化镓表面进行清洗，获得高质量的砷化镓表面纳米结构。该加工方法能够实现砷化镓表面任意二维结构的加工，无需模板，操作简单，成本低；进一步的，本方法的加工过程在常温常压下进行，不产生污染气体，并且加工后的刻蚀剂易处理；此外，本方法能够快速在砷化镓表面加工出高质量的图案和光学结构，与传统刻蚀相比，加工速度快、质量高。

技术领域

本发明属于砷化镓技术领域，具体涉及一种基于光化学辅助选择性刻蚀的砷化镓表面纳米加工方法。

背景技术

由于砷化镓优异的光电特性(如直接带隙和高电子迁移率等)，已经被广泛应用于光电子器件领域，如太阳能电池、肖特基二极管和光电探测器等。通常情况下，器件的工作区域在表面，因此在砷化镓表面发展高精度、高效率和低成本的纳米加工方法具有重要意义。

目前，砷化镓表面典型的微纳加工方法包括光刻、纳米压印、离子/电子束刻蚀和基于扫描探针的光刻(SPL)等。SPL由于其成本低、操作简单和灵活性强等特点，已成为一种极具吸引力的纳米加工方法。近年来，结合扫描探针刮擦和湿法刻蚀，摩擦诱导选择性刻蚀技术已经被运用于砷化镓、单晶硅和玻璃等材料的表面微纳米加工。对于砷化镓材料，刮擦过程产生的残余压应力和晶格致密化被认为是抵抗选择性刻蚀的主要因素。然而，仍然需要进一步的提高刻蚀速率和降低表面粗糙度来实现砷化镓表面的高质量加工，并且还需要进一步阐明选择性刻蚀机理。因此，基于砷化镓的摩擦诱导选择性刻蚀需要进一步探索和优化。

值得注意的是，砷化镓的湿法刻蚀速率可以通过紫外(UV)光辅助大大提高，这主要归因于其内部的光电效应。其具体的原理为：当在湿法刻蚀过程中施加大于砷化镓禁带宽度的能量的光照时，刻蚀速率在光电子-空穴对的催化作用下会被明显提升。此外，光化学刻蚀具有加工时间短和刻蚀表面均匀等优点，因此可以有效避免传统化学刻蚀引起的高表面粗糙度。

尽管光化学刻蚀具有刻蚀速率快和刻蚀均匀等优点，但其是否能提升无模板选择性刻蚀的相对刻蚀速率来实现快速纳米加工，目前尚不明确。本发明拟采用光化学辅助选择性刻蚀方法，用于砷化镓表面的快速无模板纳米加工。通过控制划痕或者压痕的载荷、刻蚀时间等参数，快速实现表面任意二维图案以及高质量光学结构加工。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于光化学辅助选择性刻蚀原理的砷化镓表面快速无模板的纳米加工方法，该方法可改善砷化镓表面刻蚀质量和提高刻蚀效率。本发明适用于砷化镓表面的任意二维纳米级结构和部分光学结构的加工。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于光化学辅助选择性刻蚀的砷化镓表面纳米加工方法，包括以下步骤：

S1、采用机械刻划或压痕设备在洁净的砷化镓表面进行划痕或压痕加工；

S2、采用混合刻蚀剂对砷化镓表面进行紫外光化学辅助刻蚀，刻蚀完成后对砷化镓表面进行清洗，获得砷化镓表面纳米结构。

上述技术方案中，所述紫外光化学辅助刻蚀是指在紫外环境下进行刻蚀，在本发明中所采用的是美国Novascan公司的PSDP UV-8T型紫外光化学辅助系统，其低压汞灯能够发射波长为184.9nm和253.7nm的紫外线。值得说明的是，紫外光化学辅助系统并无特殊限制，也可采用本领域常用的其他紫外光化学辅助系统。

上述技术方案中，所述步骤S1中，利用扫描探针显微镜的金刚石针尖进行划痕加工，或采用纳米压痕仪玻氏(Berkovich)压头进行压痕加工。用于划痕制作的金刚石针尖的尖端曲率半径为20nm-5μm，优选为100nm-2μm，纳米压痕仪压痕加工优选Berkovich金刚石压头。