砷化镓晶片上的电化学腐蚀

本文讲了我们华林科纳研究了半导体衬底的光电效应，接触电位引起的腐蚀可以加速，光照度可以增加Pt/GaAs边界之间的接触电位，从而增强GaAs/溶液界面和Pt/溶液界面的极化，从而加速砷化镓的阳极溶解，基于这一原理，证明了光增强的电化学机制可以提高ECNL的效率。

已经证明，当系统浸没在含有电子受体(如KMnO4)的电解质中时，接触电位可以诱导n-GaAs的阳极溶解(图1a)，并且我们开发了一种用于形成3D-MNSs模板形成的ECNL技术，了解到n-GaAs是一种具有优异光电性能的半导体，如图1b所示，当n-GaAs被照亮时，由于两种材料的功函数不同，电子将从价带退出到导带，然后移动到Pt侧，当两种材料在Pt/n-GaAs边界上具有相同的费米能级时，系统将达到平衡，即建立热力学平衡。通过测量在40mM高锰酸钾和1.84M硫酸的电解质溶液中的界面电位，实验证明了上述理论分析。如图1d所示，当Pt金属化模板电极与砷化镓晶片分离时，与Hg/Gg2SO4参考电极相比，Pt/GaAs界面和GaAs/溶液界面的电位分别为0.84V和0.65V。

如图2a和2b所示，GaAs电极上的表观阳极电流密度在无光照时约为6.7uA cm，有光照时增加到77.9 uA cm以上，铂电极上的电流密度变化不太明显，但仍比GaAs电极上获得的电流密度高得多(图2c和d)。

反应系统的速率决定步骤是砷化镓的腐蚀，无论系统是否被照亮。需要注意的是，光电效应使砷化镓的腐蚀速率提高了大约三个数量级，这表明了ECNL工艺的加速，从而提高了其制造效率，对比ECNL实验是在有照明和无照明的情况下进行的。由ECNL在GaAs晶片上制造的凹面微透镜阵列，工作时间为20分钟，不使用和使用460mW的照明功率。从图所示的曲线可以看出，有照明时的移动速率加快了1.5倍以上，去除量与腐蚀时间，去除率在开始时迅速增加，然后缓慢下降。15分钟内不同照明功率下的微透镜轮廓和去除量，当照明功率大于150 mW时，去除率(或体积)有所提高，这个阈值实际上是n-GaAs晶片中电荷分离、复合和转移之间的平衡，也是ECNL中涉及的界面电荷转移过程，当功率高于阈值时，去除率随照明功率线性增加。

我们证明了在电解质环境中，由Pt和砷化镓边界之间的接触电位引起的砷化镓的光电效应加速腐蚀，在氙气光源的照明下，由于电子功函数的不同，电子将从价带被激发到导带，然后移动到铂侧，因此，Pt/溶液界面和砷化镓/溶液界面的极化都被增强，界面电荷转移被动力学加速，动力学研究表明，速率决定步骤确实是砷化镓的腐蚀，然而在实际的ECNL过程中，阴离子的质量平衡和产物的去除将会造成问题。砷化镓的加速腐蚀速率将提高ECNL的效率，这种独特的电化学现象使得ECNL作为直接在半导体晶片上制造功能性3D-MnS的微加工技术更具竞争力，并且在半导体工业中具有潜在的应用前景。