Scalable nanofabrication techniques for III-V compound semiconductors and dielectrics

Abstract

Realization of the newest photonic and electronic nanostructures and devices requires overcoming the limits of present nanofabrication techniques. This thesis presents scalable techniques to fabricate III-V compound semiconductor and dielectric nanostructures.

The central techniques developed in this work are: (1) a method for fabricating large-area position-controlled GaAs nanowire arrays using azopolymers with laser interference lithography (LIL) followed by dry etching and metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE), (2) a new type of low refractive index nanoporous conformal antireflection (AR) coating for glass called grass-like alumina with broadband omnidirectional transmittanceand is made from de-ionized water treated atomic layer deposited alumina, and (3) the atomic layer etching process for the GaN (0001) crystal plane.

The significance of the large-area position-controlled GaAs nanowire arrays is that such high-surface-area, low-volume GaAs nanowire arrays can be used for example in next generation inexpensive and efficient solar cells.

The grass-like alumina presents a paradigm shift on optical coatings as it is suitable for production of hundreds of optical components coated in parallel conformally even on surfaces where no other technique is available due to extreme topography. The grass-like alumina on glass has a graded refractive index profile and acts as an AR coating enabling broadband and omnidirectional transmittance in the visible spectrum of light. What is remarkable is that a completely new type of behaviour was found from such a well known and widely used material as ALD alumina.

GaN (0001) atomic layer etching (ALE) process was developed, which can remove one molecular layer of GaN at a time and is suitable for fabrication of atomic fidelity nanostructures and normally-off high electron mobility transistors, using conventional photoresists as etch masks. This expertize was further used in analyzing ALE of silicon for nanoscale pattern transfer and high-resolution nanoimprint stamp preparation.

In addition to developing the GaN ALE process for the (0001) crystal plane other III-N technologies were developed. GaN growth on silicon on insulator wafers was demonstrated and the films characterized, and N-polar AlN growth on 4H-SiC was characterized.

Fotoniikan ja elektroniikan uusimpien nanorakenteiden ja laitteiden toteuttaminen vaati nykyisten nanovalmistustekniikoiden rajoitteiden ylittämistä. Tämä väitöskirja käsittelee uusia skaalattavia menetelmiä nanorakenteiden valmistukseen III-V-yhdistepuolijohteista ja eristemateriaaleista.

Työssä kehitetyistä menetelmistä tärkeimmät ovat: (1) menetelmä suuren pinta-alan GaAs-nanolankahilojen valmistamiseen käyttäen laserinterferenssilitografiaa, kuivaetsausta ja metallo-orgaanista kaasufaasiepitaksiaa, (2) menetelmä uuden matalataitekertoimisen nanohuokoisen konformaalisen alumiinioksidinanoruohoheijastuksenestokalvon valmistamiseen lasille ja (3) GaN (0001) -kidetason atomikerrosetsausprosessi.

Suuren pinta-alan nanolankahilojen valmistaminen on haastavaa, koska monet nanovalmistusmenetelmät perustuvat peräkkäiseen valmistukseen, esimerkiksi elektronisuihkulla piirtämiseen. Tässä työssä kehitetty menetelmä perustuu valon inteferenssiin ja suuri pinta-ala voidaan kirjoittaa samalla kertaa. GaAs-nanolankahilat ovat mielenkiintoisia, koska niitä voidaan käyttää esimerkiksi seuraavan sukupolven halpojen ja tehokkaiden aurinkokennojen valmistamiseen.

Alumiinioksidinanoruoho valmistetaan pinnoittamalla haluttu kappale alumiinioksidilla käyttäen atomikerroskasvatusta ja käsittelemällä kyseinen kalvo lämpimällä vedellä. Alumiinioksidinanoruoho on täysin uudenlainen tapa valmistaa optisia pinnoitteita, sillä sitä voidaan käyttää satojen optisten komponenttien pinnoittamiseen samaan aikaan. Alumiinioksidinanoruohoa voidaan käyttää jopa pinnoilla, joita ei voida pinnoittaa muilla menetelmillä johtuen äärimmäisen hankalista pinnanmuodoista. Alumiinioksidinanoruoho toimii lasin päällä heijastuksenestokalvona mahdollistaen laajakaistaisen ja kulmariippumattoman läpäisevyyden valon näkyvällä alueella, johtuen nanoruohon taitekerroingradientista. Tämän ilmiön löytäminen on yllättävää, sillä atomikerroskasvatettu alumiinioksidi on hyvin tunnettu ja laajalti käytetty materiaali.

Atomikerrosetsausprosessi kehitettiin GaN (0001) -kidetasoa varten. Menetelmällä voidaan poistaa yksi molekulaarinen kerros (Ga + N) kerrallaan galliumnitridiä. Menetelmää voidaan käyttää atomintarkkojen nanorakenteiden ja korkealiikkuvuustransistorien valmistamiseen käyttäen tavanomaisia fotoresistejä etsausmaskeina. Menetelmän kehittämisestä saatua kokemusta käytettiin lisäksi piin atomikerrosetsauksella tehdyn nanomittakaavan kuvioiden siirron ja korkean tarkkuuden nanoleimaisimien valmistuksen analysointiin. Myös muuta III-N-teknologiaa kehitettiin. Tutkittiin GaN:n kasvua SOI-kiekkojen (eng., silicon on insulator) päälle ja typpi-polaarisen AlN:n kasvua 4H-SiC:in päälle.