Epitaxia por haz molecular
Proceso de crecimiento de cristales
Un boceto simple que muestra la disposición de la cámara principal en un sistema de epitaxia de haz molecular.

La epitaxia de haz molecular ( MBE ) es un método de epitaxia para la deposición de películas delgadas de monocristales . La MBE se utiliza ampliamente en la fabricación de dispositivos semiconductores , incluidos los transistores . [1] La MBE se utiliza para fabricar diodos y MOSFET ( transistores de efecto de campo MOS ) a frecuencias de microondas , y para fabricar los láseres utilizados para leer discos ópticos (como CD y DVD ). [2]

Historia

Las ideas originales del proceso MBE fueron establecidas por primera vez por KG Günther. [3] Las películas que depositó no fueron epitaxiales, sino que se depositaron sobre sustratos de vidrio. Con el desarrollo de la tecnología de vacío, el proceso MBE fue demostrado por John Davey y Titus Pankey , quienes lograron hacer crecer películas epitaxiales de GaAs sobre sustratos de GaAs monocristalinos utilizando el método de Günther. El mayor desarrollo posterior de las películas MBE fue posible gracias a las investigaciones de JR Arthur sobre el comportamiento cinético de los mecanismos de crecimiento y la observación in situ de Alfred Y. Cho del proceso MBE utilizando difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) a fines de la década de 1960. [4] [5] [6]

Método

La epitaxia por haz molecular se lleva a cabo en alto vacío o ultra alto vacío (10 −8 –10 −12  Torr ). El aspecto más importante de un proceso MBE es la velocidad de deposición (normalmente inferior a 3.000 nm por hora) que permite que las películas crezcan epitaxialmente (en capas sobre el cristal existente). Estas velocidades de deposición requieren un vacío proporcionalmente mejor para lograr los mismos niveles de impurezas que otras técnicas de deposición. La ausencia de gases portadores, así como el entorno de ultra alto vacío, dan como resultado la mayor pureza alcanzable de las películas cultivadas.

Islas de plata de un átomo de espesor depositadas sobre la superficie (111) del paladio por evaporación térmica. El sustrato, a pesar de haber recibido un pulido de espejo y un recocido al vacío, aparece como una serie de terrazas. La calibración de la cobertura se logró mediante el seguimiento del tiempo necesario para completar una monocapa completa utilizando microscopía de efecto túnel (STM) y a partir de la aparición de estados de pozo cuántico característicos del espesor de la película de plata en la espectroscopia de fotoemisión (ARPES). El tamaño de la imagen es de 250 nm por 250 nm. [7]

En MBE de fuente sólida, elementos como el galio y el arsénico , en forma ultrapura, se calientan en celdas de efusión cuasi-Knudsen separadas o evaporadores de haz de electrones hasta que comienzan a sublimar lentamente . Los elementos gaseosos luego se condensan en la oblea, donde pueden reaccionar entre sí. En el ejemplo del galio y el arsénico, se forma arseniuro de galio monocristalino . Cuando se utilizan fuentes de evaporación como el cobre o el oro, los elementos gaseosos que inciden en la superficie pueden adsorberse (después de una ventana de tiempo en la que los átomos que inciden saltarán alrededor de la superficie) o reflejarse. Los átomos en la superficie también pueden desorberse. Controlar la temperatura de la fuente controlará la velocidad del material que incide en la superficie del sustrato y la temperatura del sustrato afectará la velocidad de salto o desorción. El término "haz" significa que los átomos evaporados no interactúan entre sí ni con los gases de la cámara de vacío hasta que llegan a la oblea, debido a los largos caminos libres medios de los átomos.

Durante el funcionamiento, se suele utilizar la difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) para controlar el crecimiento de las capas de cristal. Una computadora controla los obturadores en frente de cada horno , lo que permite un control preciso del espesor de cada capa, hasta una sola capa de átomos. De esta manera se pueden fabricar estructuras intrincadas de capas de diferentes materiales. Este control ha permitido el desarrollo de estructuras en las que los electrones pueden estar confinados en el espacio, lo que da lugar a pozos cuánticos o incluso puntos cuánticos . Estas capas son ahora una parte fundamental de muchos dispositivos semiconductores modernos, incluidos los láseres semiconductores y los diodos emisores de luz .

En los sistemas en los que es necesario enfriar el sustrato, el entorno de vacío ultraalto dentro de la cámara de crecimiento se mantiene mediante un sistema de criobombas y criopaneles, enfriados mediante nitrógeno líquido o gas nitrógeno frío a una temperatura cercana a los 77  kelvin (−196  grados Celsius ). Las superficies frías actúan como un sumidero para las impurezas en el vacío, por lo que los niveles de vacío deben ser varios órdenes de magnitud mejores para depositar películas en estas condiciones. En otros sistemas, las obleas en las que se cultivan los cristales pueden montarse en un plato giratorio, que puede calentarse a varios cientos de grados Celsius durante el funcionamiento.

La epitaxia de haz molecular (MBE) también se utiliza para la deposición de algunos tipos de semiconductores orgánicos . En este caso, se evaporan moléculas, en lugar de átomos, y se depositan sobre la oblea. Otras variaciones incluyen la MBE con fuente de gas , que se asemeja a la deposición química en fase de vapor .

Sistema de epitaxia de haz molecular Veeco Gen II en el FZU – Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias . El sistema está diseñado para el crecimiento de semiconductores monocristalinos, heteroestructuras semiconductoras, materiales para espintrónica y otros sistemas de materiales compuestos que contienen Al , Ga , As , P , Mn , Cu , Si y C.

Los sistemas MBE también pueden modificarse según las necesidades. Por ejemplo, se pueden incorporar fuentes de oxígeno para depositar materiales de óxido para aplicaciones electrónicas, magnéticas y ópticas avanzadas. En este caso, se utiliza un haz molecular de un oxidante para lograr el estado de oxidación deseado de un óxido multicomponente.

Nanoestructuras cuánticas

Uno de los logros de la epitaxia de haces moleculares son las nanoestructuras que permiten la formación de heterointerfaces atómicamente planas y abruptas. Más recientemente, la construcción de nanocables y estructuras cuánticas construidas dentro de ellos puede permitir el procesamiento de información y la posible integración con aplicaciones en chip para la comunicación y la computación cuántica. [8] Estos láseres de nanocables heteroestructurados solo se pueden construir utilizando técnicas avanzadas de MBE, lo que permite la integración monolítica en silicio [9] y el procesamiento de señales en picosegundos. [10]

Inestabilidad de Asaro-Tiller-Grinfeld

La inestabilidad de Asaro-Tiller-Grinfeld (ATG), también conocida como inestabilidad de Grinfeld, es una inestabilidad elástica que se encuentra a menudo durante la epitaxia de haz molecular. Si hay un desajuste entre los tamaños de red de la película en crecimiento y el cristal de soporte, se acumulará energía elástica en la película en crecimiento. En cierta altura crítica, la energía libre de la película se puede reducir si la película se rompe en islas aisladas, donde la tensión se puede relajar lateralmente. La altura crítica depende del módulo de Young , el tamaño del desajuste y la tensión superficial.

Se han investigado algunas aplicaciones de esta inestabilidad, como el autoensamblaje de puntos cuánticos. Algunas comunidades utilizan el nombre de crecimiento de Stranski-Krastanov para el ATG.

Véase también

Notas

  1. ^ McCray, WP (2007). "MBE merece un lugar en los libros de historia". Nature Nanotechnology . 2 (5): 259–261. Bibcode :2007NatNa...2..259M. doi :10.1038/nnano.2007.121. PMID  18654274. S2CID  205442147.
  2. ^ "Alfred Y. Cho". Salón Nacional de la Fama de los Inventores . Consultado el 17 de agosto de 2019 .
  3. ^ Günther, KG (1 de diciembre de 1958). "Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen". Zeitschrift für Naturforschung A. 13 (12): 1081–1089. Código bibliográfico : 1958ZNatA..13.1081G. doi : 10.1515/zna-1958-1210 . ISSN  1865-7109. S2CID  97543040.
  4. ^ Davey, John E.; Pankey, Titus (1968). "Películas epitaxiales de GaAs depositadas por evaporación al vacío". J. Appl. Phys . 39 (4): 1941–1948. Bibcode :1968JAP....39.1941D. doi :10.1063/1.1656467.
  5. ^ Cho, AY; Arthur, JR Jr. (1975). "Epitaxia de haz molecular". Prog. Química de estado sólido . 10 : 157-192. doi :10.1016/0079-6786(75)90005-9.
  6. ^ Gwo-Ching Wang; Toh-Ming Lu (2013). Modo de transmisión RHEED y cifras polares . doi :10.1007/978-1-4614-9287-0. ISBN 978-1-4614-9286-3.
  7. ^ Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (16 de diciembre de 2005). "Estudio experimental y ab initio de las propiedades estructurales y electrónicas de películas de Ag de espesor subnanómetro sobre Pd(111)". Physical Review B . 72 (23): 235418. Bibcode :2005PhRvB..72w5418T. doi :10.1103/PhysRevB.72.235418.
  8. ^ Mata, María de la; Zhou, Xiang; Furtmayr, Florian; Teubert, Jörg; Gradečak, Silvija; Eickhoff, Martín; Fontcuberta y Morral, Anna ; Arbiol, Jordi (2013). "Una revisión de estructuras cuánticas 0D, 1D y 2D cultivadas con MBE en un nanocables". Revista de Química de Materiales C. 1 (28): 4300. Código bibliográfico : 2013JMCC....1.4300D. doi :10.1039/C3TC30556B.
  9. ^ Mayer, B.; Janker, L.; Loitsch, B.; Treu, J.; Kostenbader, T.; Lichtmannecker, S.; Reichert, T.; Morkötter, S.; Kaniber, M.; Abstreiter, G.; Gies, C.; Koblmüller, G.; Finley, JJ (2016). "Láseres de nanocables de alto β integrados monolíticamente sobre silicio". Nano Letters . 16 (1): 152–156. Código Bibliográfico :2016NanoL..16..152M. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03404. PMID  26618638.
  10. ^ Mayer, B., et al. "Bloqueo de fase mutua a largo plazo de pares de pulsos de picosegundos generados por un láser de nanocables semiconductores". Nature Communications 8 (2017): 15521.

Referencias

  • Jaeger, Richard C. (2002). "Deposición de películas". Introducción a la fabricación microelectrónica (2.ª ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-44494-0.
  • McCray, WP (2007). "MBE merece un lugar en los libros de historia". Nature Nanotechnology . 2 (5): 259–261. Bibcode :2007NatNa...2..259M. doi :10.1038/nnano.2007.121. PMID  18654274. S2CID  205442147.
  • Shchukin, Vitaliy A.; Dieter Bimberg (1999). "Ordenamiento espontáneo de nanoestructuras en superficies cristalinas". Reseñas de Física Moderna . 71 (4): 1125–1171. Bibcode :1999RvMP...71.1125S. doi :10.1103/RevModPhys.71.1125.
  • Stangl, J.; V. Holý; G. Bauer (2004). "Propiedades estructurales de nanoestructuras semiconductoras autoorganizadas" (PDF) . Reseñas de Física Moderna . 76 (3): 725–783. Bibcode :2004RvMP...76..725S. doi :10.1103/RevModPhys.76.725.

Lectura adicional

  • Frigeri, P.; Seravalli, L.; Trevisi, G.; Franchi, S. (2011). "3.12: Epitaxia de haz molecular: descripción general". En Pallab Bhattacharya; Roberto Fornari; Hiroshi Kamimura (eds.). Ciencia y tecnología integrales de semiconductores . vol. 3. Ámsterdam: Elsevier. págs. 480–522. doi :10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7. ISBN 978-0-444-53153-7.
  • Nanocables de silicio y germanio mediante epitaxia de haz molecular
  • Grupo MBE de la Universidad de Texas (Introducción al crecimiento de MBE)
  • Física de películas delgadas: epitaxia de haces moleculares (apuntes de clase)
  • CrystalXE: Un software especializado en epitaxia
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