三维微纳米材料以其多功能高度集成、小体积、低成本的优势以及优良的机械、光学、电子性能,在超大规模集成电路、微纳光学、微/纳机电系统等领域都有着重要的应用。电化学微纳米加工技术因其加工效率高、成本低廉、适用范围广的优势,在众多的半导体微纳米加工技术中脱颖而出。我们课题组将印章、模具压印成型的加工方法与金属辅助化学刻蚀的刻蚀原理相结合,提出直接在半导体上加工三维微纳米结构的电化学纳米压印技术。另一方面,处于光电效应下的半导体会生成大量光生电子空穴对,可用于加速电化学纳米压印以及半导体的直接刻蚀加工。本文的工作主要分为两部分:(1)光电效应加速电化学纳米压印技术加工n-GaAs。电化学纳米压印的实质为接触电势诱导的金属/半导体/溶液三相界面处的电化学腐蚀,其加工分辨率可达到数十纳米量级。以Pt/n-GaAs/MnO4-体系为例,Pt与n-GaAs接触时,二者功函数的差异导致了n-GaAs的电子流向Pt,在接触界面形成接触电势。由于Pt的高催化活性,Mn04-在其表面的反应会迅速达到热动力学平衡,MnO4-能够轻易地从Pt上攫取电子发生还原反应(快速反应)。电子源源不断地从n-GaAs转移至Pt并被MnO4-捕获,Pt/n-GaAs/溶液三相界面处累积的空穴使n-GaAs发生阳极溶解(决速步骤),进而形成与Pt模板形貌互补的三维结构。在压印过程中,将特定波长的光照射在n-GaAs背面,便能激发n-GaAs的光电效应,大幅增加电子空穴对的数量。由于导带中的光生电子迅速被溶液中的MnO4-捕获,Pt/n-GaAs/溶液三相界面处将会迅速累积大量空穴,进而增大n-GaAs的阳极极化程度,加速了 n-GaAs的阳极溶解速率,进而加速整体压印的速率。在暗态、光照条件下测定界面接触电势、Tafel曲线、线性扫描伏安曲线,证实了光电效应加速电化学纳米压印的可行性。在加工实例中,相同压印时间下的暗态、光照体系最大刻蚀速率分别为2.27μm3/s、4.56μm3/s,提升比例为101.3%,可见光电效应对电化学纳米压印的速率有较大的提升。(2)电化学光刻蚀加工n-GaAs初探。电化学纳米压印的本质是半导体的电化学刻蚀,溶液中的氧化剂需以金属/半导体接触形成的电子隧穿通道,以实现对半导体特定区域的刻蚀。相比之下,电化学光刻蚀的本质是半导体的光化学腐蚀,无需以金属作为电子传输的桥梁,直接通过半导体/溶液界面处的电子转移,对半导体进行刻蚀。以n-GaAs/Fe3+体系为例,以特定波长的光照射n-GaAs表面微纳米量级的区域,其价带中的电子会吸收光子能量发生能级跃迁,在导带与价带上形成光生电子与光生空穴。Fe3+在n-GaAs/溶液界面处捕获光生电子并发生还原反应生成Fe2+,而光生空穴则使n-GaAs发生阳极溶解,刻蚀过程仅发生在光照区域,进而实现三维微纳米结构的加工。由于Fe3+在暗态条件下刻蚀n-GaAs速率十分缓慢,因此其在电化学光刻蚀加工n-GaAs中能体现较好的各向异性和加工分辨率。将使用氙灯与超连续白光作为光源,使用n-GaAs/FeCl3/HCl体系进行电化学光刻蚀,探究n-GaAs在FeCl3/HCl体系中的光刻蚀反应动力学,为后续的电化学光刻蚀加工提供理论指导。在初步的实验中,得到了完整均一的微米线型、圆型以及衍射圆环结构,并对刻蚀工艺进行了初步的探索。利用光电效应加速电化学纳米压印对于半导体的加工,以较低的成本大幅缩短了加工时间,提升了整体的效率,促进了电化学纳米压印在半导体微纳米加工领域的发展。电化学光刻蚀技术,能以掩模或带有精密微纳米结构的光斑在溶液中直接刻蚀半导体,简化了繁琐的工艺过程,降低了加工成本,在半导体微纳米加工领域具有广阔发展前景。