Crecimiento epitaxial EPITAXIA: es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una relación definida con respecto al substrato cristalino inferior. Utilidad del crecimiento epitaxial: fabricación de capas semiconductoras de calidad. Para muchas aplicaciones la oblea es únicamente un soporte mecánico. Sobre ella se crecen una o más capas de un material que preserva la estructura del monocristal y de conductividad apropiada (epitaxia). La epitaxia es un modo de controlar de manera precisa el perfil de dopaje para optimizar dispositivos y circuitos y el grosor de la capa epitaxial puede variar desde 0.1 μm hasta 100 μm según la aplicación. De menor espesor para aplicaciones de alta velocidad. De mayor espesor para aplicaciones de potencia. Se caracteriza por realizarse a temperatura inferior a la de fusión del material. El crecimiento epitaxial, puede dividirse en dos categorías muy amplias: _ Homoepitaxia: la capa que se crece es químicamente similar al substrato: _ Es la epitaxia más simple e involucra la extensión de la red del substrato en una red de material idéntico (autoepitaxia u homoepitaxia), _ Si sobre Si. _ GaAs sobre GaAs. _ AlGaAs sobre GaAs: hay una desadaptación de la constante de red del 0.13 % (homoepitaxia). _ Heteroepitaxia: la capa que se crece difiere en términos químicos, estructura cristalina, simetría o parámetros de red con respecto al substrato. _ Materiales III-V ternarios o cuaternarios sobre GaAs (AlGaAs sobre GaAs, GaN sobre SiC) _ GaAs sobre Si: existe un 4.5 % de desadaptación en la constante de red Silicon on Insulator (SOI) _ Silicon on Shaphire (SOS)
Interés de las técnicas epitaxiales: _ El crecimiento epitaxial, es una técnología estandard en la fabricaicón de dispositivos de Silicio. _ Permite la fabricación de dispositivos eléctrónicos y fotónicos extraordinariamente avanzados. _ Tecnología de crecimiento de heteroestructuras láser _ Tecnologías de semiconductores para diseño de circuitos integrados _ Crecimiento de dispositivos y estructuras semiconductoras _ Fotodetectores _ Fotodiodos _ Transistores de alta frecuencia Permite la fabricación de materiales cristales sobre película delgada. _ El control extremo del espesor en los métodos epitaxiales actuales permite el estudio de fenómenos químicos y físicos. _ Útiles a la búsqueda de nuevos materiales semiconductores: nivel de investigación. Clasificación de las técnicas de crecimiento epitaxial _ Todas ellas basadas en el transporte físico del material semiconductor hacia la oblea calentada (en fase líquida, en fase de vapor, etc.) _ Técnica VPE: epitaxia en fase de vapor _ Su forma más genérica es la CVD (chemical vapor deposition) que no sólo sirve para realizar el crecimiento del monocristal sino también para depositar otro tipo de películas (aislantes y conductoras). _ LPE (liquid phase epitaxy): epitaxia desde la fase líquida. _ MBE (molecular beam epitaxy): epitaxia de haces moleculares La calidad de la capa epitaxial, depende de la difusividad de la superficie y de una serie de factores experimentales (limpieza de la superficie, velocidad de deposición, Tª, etc). Históricamente: es la epitaxia más antigua y la más simple
_ Fue utilizada por primera vez por H. Nelson (1963) para el crecimiento de uniones p-n de GaAs. _ Se utiliza principalmente para crecer materiales compuestos (ternarios y cuaternarios) muy uniformes, delgados y de elevada calidad. _ Involucra el crecimiento de capas epitaxiales sobre substratos cristalinos por precipitación directa desde la fase líquida. _ Cristalización de las fases a partir de una solución. Se basa en la SOLUBILIDAD de un soluto en un disolvente a una Tª dada. _ El substrato (la oblea donde se quiere crecer la capa) de pone en contacto con una solución: _ Con un solvente previamente escogido saturada del material semiconductor _ A una Temperatura apropiada _ En condiciones próximas al equilibro entre la disolución y el substrato, se puede crecer el semiconductor sobre el substrato de manera lenta y uniforme. _ Las velocidades de crecimiento típicas son de 0.1-1 μm/minuto. _ El crecimiento se controla mediante un enfriamiento de la mezcla. _ Puede producirse un dopaje mediante la adición de dopantes. Montaje experimental _ Un contenedor de gráfico dentro de un tubo de cuarzo que se introduce en un horno. _ El horno permite calentar la solución hasta la temperatura deseada: T0. _ Se hace circular H2 (hidrógeno purificado), para eliminar las películas de óxido del material solvente (óxido de Galio) _ Dos regiones para depositar el substrato y la mezcla _ Al alcanzar T0 el horno se inclina y la fase líquida cubre al substrato _ Después se reduce la Tª y como consecuencia, crece la capa epitaxial sobre la superficie del substrato. _ El proceso termina cuando el horno regresa a la posición inicial, y la fase líquida se retira de la superficie del sustrato. Características de las capas crecidas
_ Las capas crecidas mediante este método se caracterizan por tener un tiempo de vida media de minoritarios elevados (pocas impurezas profundas): se utiliza mucho en la realización de dispositivos optoelectrónicos: láseres de heteroestructuras de capas múltiples de GaAs y AlGaAs _ El control del crecimiento de la capa desde la fase líquida puede realizar mediante un enfriamiento controlado de la disolución o mezcla. Así, las velocidades de crecimiento LPE son extremadamente bajas _ La introducción de impurezas se reduce fuertemente. _ Se puede realizar un dopaje mediante un añadido de impurezas a la disolución. _ Es un método utilizado principalmente para el crecimiento de materiales SC compuestos III-V en los cuáles el Ga o In son el elemento tipo III, dado que estos metales forman soluciones a temperaturas bajas. _ Ventajas LPE _ Es un proceso simple que requiere un equipo modesto. Se puede realizar en condiciones normales de laboratorio. _ Menos costosa y mayor velocidad de crecimiento que la MBE _ Baja concentración de defectos _ Excelente control de la estequiometria _ Desventajas LPE _ Las condiciones de solubilidad restringen en gran manera al número de materiales a los cuales es aplicable esta técnica. _ El control de la morfología (orientación cristalina) es muy difícil _ La calidad superficial es pobre Vapour phase epitaxial (VPE) Es un proceso en el que una capa sólida delgada se sintetiza partiendo de una fase gaseosa mediante una reacción química. El propósito de la epitaxia es crecer una capa de Silicio de grosor uniforme y en la cuál se puedan controlar las propiedades eléctricas y proporcionar. Características del proceso: Diferentes especies químicas que van a formar la capa epitaxial (Si, Ga, As, también pueden transportar dopantes) se transportan en forma de
vapor (fase gaseosa) a través de compuestos químicos gaseosos (normalmente por H2) a la Tª de reacción, hacia la oblea En la oblea se depositan en la superficie del material para formar la capa epitaxial mediante la correspondiente reacción química Estos compuestos se depositan ordenadamente siguiendo la cristalografía del substrato o de la oblea Así mismo el proceso puede llevarse a cabo a presión atmosférica, evitando la necesidad de realizar un sistema de vacío y reduciendo la complejidad y este proceso se puede aplicar a silicio o arseniuro de galio (GaAs). Proceso El proceso ocurre en reactores que tienen disposición horizontal, vertical o barril, los cuales tienen una cámara de reacción típicamente de cuarzo. Dentro de la cámara hay un crisol en forma de barquilla que sirve de apoyo de los substratos (grafito recubierto de carburo de silicio). Se calienta hasta 900-1250 ºC (no se alcance el punto de fusión del Si). Tiene entradas y salidas de gases de modo que puedan fluir en su interior. Estos gases contienen compuestos de silicio volátiles y algunos compuestos dopantes. Todos los productos son gaseosos y las reacciones tienen lugar aproximadamente a 1200ºC. Esta alta temperatura es necesaria para que los átomos de dopantes adquieran la energía suficiente para moverse y formar los enlaces covalentes. Proceso de crecimiento Se utiliza un gas para depositar el material : silano (SiH4), tetracloruro de Si (SiCl4),triclorosilano (SiHCl3). Se utiliza un segundo gas para el dopaje) la fuentes: fosfina (PH3), diborano (B2H6), arsina(sbh3 ). Durante la deposición epitaxial, los átomos dopantes se descomponen y forman parte de la capa. La epitaxia proporciona una manera de controlar precisamente el perfil de dopaje para optimizar dispositivos y circuitos. Pasos generales del proceso Transporte de especies gaseosas hacia la superficie de crecimiento.
Procesos superficiales: absorción, difusión en superficie, incorporación en cluster de islas o en kinks. Deabsorción de los reactivos desde la superficie de deposición y transporte de las mismas de nuevo a la fase gaseosa. La dependencia con la temperatura de la velocidad de crecimiento tiene un comportamiento general, que se establece dependiendo de cual de los pasos previamente comentados es el paso determinante. A bajas temperaturas es la cinética de la reacción el paso que limita la velocidad de crecimiento, dando lugar a velocidades de crecimiento que dependen fuertemente de la temperatura. A temperaturas elevadas, el transporte de gases es el que marca la velocidad. Para temperaturas intermedias, depende fuertemente del tipo de gas utilizado y del tipo de la configuración geométrica del reactor. MOLECULAR BEAM EPITAXY (MBE) Su principal aplicación es en la heteroestructura donde se requiere un control preciso sobre impurezas múltiples y de deposición de capaz muy delicadas.
Las celdas de efusión contienen los materiales a ser depositados o crecidos epitaxialmente. La oblea se mantiene a una Tª controlada (400 ºC-900 ºC, temperatura baja). Luego se bombardea por los haces de los materiales que están en las celdas de efusión de manera que las moléculas que la alcanzan puedan crecer sobre la superficie con la orientación cristalográfica del substrato. La oble se matiene girando constantemente para conseguir capas uniformes. La cámara presenta condiciones de vacío extremo (10 10 torr.) y está llena de nitrógeno para impedir la contaminación e interacciones entre compuestos. La velocidad característica de crecimiento es aproximadamente 1nm/sec (es muy baja) lo que permite la variación gradual de la composición del material. Las mayores ventajas de la técnica MBE son: La versatilidad y simplicidad de su principio de operación. El entorno de vacío ultra-alto (UHV) da lugar a que los haces de átomos o moléculas sean direccionados hacia el cristal del substrato donde se forma la capa cristalina. Este entorno de UHV hace posible que puedan aplicarse: _ Técnicas de medida y caracterización in situ (espectroscopía de masas, espectroscopía de electrones Auger (AES), espectroscopia de masa de iones secundarios (SIMS), microscopía de visualización electrónica (SEM), difractómetros, etc.) para estudiar los procesos fundamentales que tienen lugar en el crecimiento del cristal. Monitorización y herramientas de diagnóstico. Realización de un grabado por chorro de iones (limpieza in situ ) previamente a la realización del crecimiento epitaxial, etc. Posibilidad de introducir gran variedad de dopantes y gran control de su perfil de dopado. No hay reacciones químicas complejas. Gran calidad de los substratos obtenidos. Los inconvenientes que presenta esta técnica son: Elevado coste del equipo y su complejidad. Bajas velocidades de crecimiento. Sólo es posible realizar el crecimiento de una única oblea cada vez.
El MBE posee diferentes sistemas de monitorización y caracterización de la capa epitaxial. Uno de los más comunes es el sistema de difracción de reflexión de electrones muy energéticos (RHEED), el cual informa acerca de la limpieza de la superficie del substrato. El proceso en es generar un haz de electrones que se hacen incidir en la muestra en diferentes ángulos con energías típicamente de 5 15 kev. Inicialmente, la superficie es lisa y las condiciones de difracción se satisfacen por lo que aparecen picos elevados en las señales de la difracción. Para crecer una capa completa debemos ir cubriendo una capa en el cuál existe un gran desorden superficial lo cual da lugar a una reducción en el máximo de las intensidades de las difracciones. La amplitud de las oscilaciones decrece con el número de capas crecidas, con lo cual se puede calibrar el grosor del material crecido. La perfección cristalina de la capa epitaxial nunca supera la del substrato y normalmente es inferior. Los defectos comunes que ocurren en capas epitaxiales son:
Dislocación que se presenta en el substrato y que se extiende dentro de la capa epitaxial. (imagen 1) Los precipitados de impurezas en la superficie del substrato que son una clase de defecto superficial y dan lugar al stacking fault. (imagen 2) El precipitado de impurezas por contaminación causado por la continuación del proceso epitaxial. (imagen 3) El crecimiento de montículos, pirámides y otras formas de crecimiento pueden estar relacionadas al proceso de finalización del crecimiento de la oblea. (imagen 4) El stacking fault en una intersección de la superficie del substrato, el cual se extiende hacia la capa epitaxial.