domingo, 21 de marzo de 2010

Tecnologías epitaxiales de crecimiento de cristale

Tecnologías

epitaxiales de

crecimiento de

cristales

semiconductores

V. A., Mishournyi,

I.C. Hernández del Castillo,

A.Yu. Gorbatchev y

A. Lastras Martínez

Introducción

El término epitaxia (del griego epi, sobre, taxis, orden)

apareció por primera vez hace aproximadamente 50 años.

Este término se refiere a un proceso de crecimiento

orientado de una película sobre un substrato, que puede

ser del mismo material que la película (homoepitaxia) o

bien de un material diferente (heteroepitaxia). A los

procesos de cristalización de películas sobre la superficie

de un substrato se les llama, en forma genérica, métodos

de crecimiento epitaxial de cristales.

En la tecnología actual de crecimiento de heteroestructuras

láser las técnicas de crecimiento epitaxial son

utilizadas de manera extensiva. Estas técnicas ocupan

un lugar muy importante en la tecnología de semiconductores

relacionada con el diseño de circuitos integrados,

así como de dispositivos semiconductores entre los que

se cuentan fotodetectores, fotodiodos y transistores de

alta frecuencia. Dependiendo de la forma de transportar

el material a crecer desde la fuente hasta el substrato,

todos los procesos epitaxiales se dividen en tres tipos: (a)

epitaxia por fase líquida, (b) epitaxia por fase gaseosa,

(c) epitaxia por haces moleculares.

Hoy en día todos estos procesos son utilizados en el

crecimiento de los más diversos dispositivos y estructuras

semiconductoras. Por otro lado, también son útiles en la

búsqueda de nuevos materiales semiconductores. Debido

a que cada uno de estos procesos tiene una serie de

particularidades muy específicas, su análisis detallado se realiza en este artículo.

Epitaxia por fase líquida (LPE)

En el método epitaxial por fase líquida la cristalización

de las capas crecidas tiene lugar a partir de una solución

saturada con un material semiconductor, en la que se

utiliza un solvente previamente escogido. Para el crecimiento

de capas epitaxiales semiconductoras de los

grupos III-V y las soluciones sólidas que se obtienen es

muy cómodo utilizar en calidad de solvente el Ga y el In.

Estos elementos tienen temperaturas de fusión bajas, y

además entran en la composición de las películas crecidas,

por lo que la necesidad de introducir dopantes se reduce

al mínimo. Tanto el Ga como el In tienen presión de

vapor muy baja en el intervalo de temperatura que generalmente

es utilizado en el proceso de crecimiento por

el método de fase líquida. Además, estos dos elementos

se pueden obtener muy puros y a las temperaturas usuales

de crecimiento ni el Ga ni el In interaccionan con el grafito,

material del cual están hechos generalmente los contenedores

de las fases líquidas.

Para llevar a cabo el proceso de epitaxia es necesario

conocer el correspondiente diagrama de fase que

determina la relación entre las composiciones de las fases

líquida y sólida a diferentes temperaturas. Para los

compuestos binarios III-V es característico el hecho de

que a la composición de la fase sólida siempre le

corresponde un 50% de átomos provenientes de cada

grupo que forman el compuesto. Una fase sólida de

composición constante a diferentes temperaturas puede

encontrarse en estado de equilibrio con una fase líquida

que represente una solución de un elemento del grupo V

disuelto en un metal fundido del grupo III. Cuando esto

sucede, la solubilidad del elemento del grupo V cambia

con la temperatura; además, a las temperaturas relativamente

bajas que se utilizan en los crecimientos por

fase líquida, las soluciones se encuentran bien homogenizadas,

es decir, que la concentración del elemento

del grupo V en la fase líquida es sólo de algunas unidades

porcentuales.

El método epitaxial por fase líquida fue utilizado por

primera vez por H. Nelson para el crecimiento de uniones

p-n en base al GaAs (1963). Analicemos primeramente

el proceso de crecimiento epitaxial por fase líquida tal y

como lo describió Nelson. Para el crecimiento de una capa de GaAs es necesario en primer lugar preparar una solución saturada de As en Ga. La manera más sencilla de preparar tal solución es la de poner en contacto a una determinada temperatura Ga fundido y un cristal de GaAs.

El cristal de GaAs puede ser tomado en una cantidad

mayor que la que se necesita, ya que a la solución sólo

pasará la cantidad de átomos de As que corresponda a

la solubilidad de éste en el Ga a una temperatura dada.

A propósito, es importante señalar que el número de átomos disueltos de As corresponde exactamente el número de moléculas de GaAs que pasan a formar parte de la fase líquida. Posteriormente se pone en contacto esta solución con el substrato. Nelson dispuso el substrato y la solución en diferentes partes del contenedor de grafito como se muestra en la figura 1. Este contenedor de grafito se introduce en un reactor de cuarzo a través del cual se hace circular hidrógeno purificado. La utilización del hidrógeno permite eliminar las películas de óxido que casi siempre están presentes en la superficie del material  que se utiliza como solvente (en nuestro caso el Ga), así como sobre la superficie del substrato y del material utilizado para saturar la fase líquida. La existencia de

estas películas de óxido no permite que haya un buen contacto entre el substrato y la solución, o como se dice,

no se moja el substrato por la fase líquida.

El reactor se localiza dentro de un horno, con ayuda del cual se calienta la solución hasta la temperatura

Los sistemas modernos de fase

líquida utilizan este tipo de botes; su presentación puede variar

según lo que se desee crecer.

deseada. Al alcanzar la temperatura necesaria, el horno

se inclina y la fase líquida cubre el substrato. Después, la

temperatura comienza a bajarse y, como consecuencia

de esto, crece una capa epitaxial sobre la superficie del

substrato. El proceso de crecimiento termina o se

interrumpe en el momento en que el horno regresa a su

posición inicial y la fase líquida se retira de la superficie

del substrato. El diseño anteriormente descrito servía para

realizar crecimientos epitaxiales de un sola capa. Para la

obtención de estructuras más complicadas que contengan

varias capas con diferentes composiciones, en la

actualidad se utiliza un montaje de LPE (Liquid Phase

Epitaxy, por sus siglas en inglés) que contiene un bote de

grafito de tipo "panal". El diseño más sencillo de este

bote se ilustra en la figura 2, el cual se compone de dos

partes: el tronco y el deslizador. El tronco generalmente

no se mueve y en sus cavidades se alojan las fases líquidas

de diferentes composiciones. El deslizador tiene una

cavidad en la cual se deposita el substrato, éste se desliza

en relación con el tronco y de esta manera el substrato se

pone en contacto con cada una de las fases líquidas

contenidas en las cavidades del tronco. Si al mismo

tiempo se baja la temperatura del horno, entonces sobre

la superficie del substrato se van a cristalizar capas

epitaxiales; la composición de estas capas depende de la

temperatura y de las composiciones de las fases líquidas.

Naturalmente que para crecer estas películas epitaxiales

de diferentes materiales es necesario conocer sus

diagramas de fase, según sea el caso, ya sean soluciones

sólidas ternarias o cuaternarias.

En la actualidad, estos diagramas han sido estudiados

con detalle tanto experimental como teóricamente para

casi todos los sistemas de materiales que representan algún

interés práctico. Conociendo los datos de los diagramas

de fase que establecen la relación de composiciones entre

las fases líquida y sólida a diferentes temperaturas, se

pueden regular las propiedades físicas de las capas crecidas

y de las estructuras de capas múltiples en general. El

espesor de algunas de las capas se puede regular variando

el intervalo de la temperatura en el que se realiza el proceso

de cristalización o bien variando el volumen de la fase

líquida.

Cabe señalar que la epitaxia por fase líquida, desde

el punto de vista técnico, es bastante sencillo y por esto

es posible realizar el montaje experimental en condiciones

normales de laboratorio. Precisamente, la técnica de

crecimiento por fase líquida revolucionó las posibilidades

de la época para mejorar los parámetros de dispositivos

ya existentes y crear otros nuevos en base a heteroestructuras

de capas múltiples, como es el caso de los

heteroláseres.

Epitaxia por fase gaseosa

(MOCVD)

A este método también se le conoce con el nombre de

método de reacciones por transportación química. Una

gran cantidad de las más diversas reacciones químicas

son reversibles. Esto es, que si ocurre una reacción entre

las substancias A y B formando un compuesto AB,

entonces también puede tener lugar el proceso inverso, es

decir, la descomposición de este compuesto en sus

componentes originales A y B. Tal reacción reversible se

escribe de la siguiente manera:

A + B A B

La reacción indicada con la flecha de izquierda a

derecha se llama directa. La reacción que va de derecha

a izquierda recibe el nombre de inversa. Si las reacciones

directa e inversa ocurren a una misma velocidad,

entonces en el sistema se alcanza un estado de equilibrio

químico. En este estado la relación de concentraciones

de los componentes que participan en el proceso es

constante. Los parámetros fundamentales que inciden

en el equilibrio químico son la temperatura, la presión y

la concentración. Supongamos que aumentamos la

concentración de las substancias iniciales A y B en el

sistema químico en equilibrio descrito arriba. Entonces,

la velocidad con que se forma el producto AB también

aumenta, por consiguiente el equilibrio ocurre de izquierda

a derecha.

Ahora bien, imaginemos que la descomposición del

producto AB en el sistema por nosotros considerado, es

decir, la reacción inversa, tiene lugar con absorción de

calor; a tal reacción se le llama endotérmica. En este

caso el aumento de la temperatura del sistema desplaza

su equilibrio hacia la formación de las substancias

originales, es decir, de derecha a izquierda. De la misma

manera, el aumento de la presión en el sistema desplaza

el equilibrio hacia las substancias que se forman cuando

se reduce la distancia entre las moléculas de la fase

gaseosa. De aquí se desprende que, cambiando los

parámetros externos de un sistema químicamente en

equilibrio, se puede desplazar el equilibrio de éste ya sea

hacia la formación del producto de la reacción o bien

hacia la formación de las substancias originales. Casi

todas las reacciones químicas se pueden clasificar por su

fase. Si todos sus componentes se encuentran en una

sola fase, entonces estas reacciones se llaman homogéneas.

Si por el contrario los componentes de la reacción

se encuentran en diferentes fases, entonces éstas reciben

el nombre de heterogéneas.

Supongamos que en una reacción heterogénea el

componente A se encuentra en la fase sólida y el B en la

gaseosa, entonces el producto de su interacción será una

substancia gaseosa. Si las velocidades de las reacciones

directa e inversa alcanzan sus máximos valores a diferentes

temperaturas, esto se puede representar de la siguiente

manera:

T1

A + B A B

T2

Si la diferencia entre las temperaturas T1 y T2 no es

muy grande, lo que en la realidad es frecuente, entonces

en el sistema analizado es bastante sencillo obtener un

transporte químico. La ilustración de tal proceso se

muestra en la figura 3. En este dibujo, en la región de la

fuente se encuentra el componente sólido A por el cual

se hace pasar un flujo del componente B. Debido a que

en la región de la fuente se mantiene una temperatura T1

entre A y B ocurre una reacción directa con la formación

de un producto gaseoso AB. Después de desplazarse a la región de condensación donde la temperatura ya es T2,

este producto se disocia para formar sus componentes

originales.

Las reacciones químicas de transporte son procesos

heterogéneos reversibles con la participación de una fase

gaseosa que conduce a la formación de un producto

gaseoso intermedio; con su ayuda se puede realizar el

transporte de una substancia entre dos regiones reactivas.

Naturalmente que la substancia A puede contener

diferentes impurezas. Es frecuente que el producto gaseoso

de la reacción se evapore con más facilidad que los

compuestos de impurezas contenidos en el componente

sólido A. De esta manera, como resultado de la realización

de una reacción química de transporte, en la región de

condensación va a depositarse el componente A más

limpio que como se encontraba en la región de la fuente

B. En otras palabras, con ayuda de tales reacciones

químicas de transporte es factible llevar a cabo limpieza

de materiales.

Si durante el proceso de transporte en una reacción

química se introduce un substrato en la zona de

condensación, entonces el componente transportado A

va a depositarse parcialmente en este substrato. Las

partículas de A, adsorbidas por la superficie del substrato,

pueden alinearse del tal manera que comiencen a crear

escaloncitos que a su vez generen un crecimiento del cristal

por capas. Analicemos en calidad de ejemplo el proceso

de transporte del Si. Como medio gaseoso en este proceso

se utiliza el tetracloruro de silicio SiCl4. A la temperatura de 1300 °C el SiCl4 reacciona con el silicio formando

cloruro de silicio como se indica en la siguiente fórmula:

Sisol + SiCl4gas 2 SiCl2gas

Una vez formado el producto gaseoso de SiCl2, en

una zona más fría a una temperatura de 1100 ºC, éste

se disocia liberando silicio sólido según la reacción:

2 SiCl2 Sisol + SiCl2 gas

En general, ésta es una reacción heterogénea reversible

que de manera más completa se puede escribir como

sigue :

1300 ºC

Sisol + SiCl2 gas 2 SiCl2

1100 ºC

Con frecuencia en los procesos reales para realizar

este tipo de transporte heterogéneo se utiliza un gas inerte

que en su flujo lleva a los componentes de la anterior

reacción. Para el crecimiento de películas epitaxiales en

base a los compuestos III-V se utilizan algunas modificaciones

del proceso de cristalización. Consideremos

algunos de estos procesos tomando como ejemplo el

arsenuro de galio (GaAs). Generalmente, los gases que

se utilizan como medio de transporte son los halógenos:

cloro, bromo y yodo, pero con mayor frecuencia es el

cloro. En este método los componentes iniciales son el

tricloro de arsénico AsCl3, como proveedor de As, el Ga

es el componente metálico y el hidrógeno como medio

de transporte. El compuesto de AsCl3 a una temperatura

superior de -8.5 ºC se encuentra en estado líquido y hierve

a los 130 ºC. Este proceso se ilustra en la figura 4; como

se ve aquí existen dos regiones bien definidas, una donde

se encuentra el proveedor a temperatura más elevada

(800-850 ºC) y otra donde tiene lugar la deposición a

una temperatura menor (700-750 ºC). En la región

proveedora se tiene el Ga fundido y en la receptora el

substrato. El hidrógeno se introduce a través de tres canales.

En el primero se mezcla con algún otro gas que transporte

algún dopante (impurezas). A través del segundo canal

fluye hidrógeno limpio y por el tercer canal éste se introduce

a través de un contenedor especial que se le llama

burbujeador y está lleno de AsCl3 en estado líquido. El

burbujeador se mantiene a una temperatura T que

determina la presión del vapor que se tiene sobre el líquido

de AsCl3. El hidrógeno, al pasar por el burbujeador, se satura de vapor de AsCl3 y lo lleva a la región proveedora,

donde a temperatura de 800-850 ºC ocurre la reacción:

4 AsCl3 + 6H2 As4 + 12 HCl.

Después de esto el As4 y el HCl pasan por el Ga

fundido el cual se satura de arsénico y en su superficie se

forma una costra de GaAs. El proceso es más fácil de

reproducir cuando entre las costras y el flujo de gas se

establece un equilibrio dinámico. En el caso contrario la

relación del Ga y el As en el flujo es inestable. Una vez

que se tiene el equilibrio antes mencionado también se

estabiliza el contenido de GaCl en el flujo formado por la

acción del HCl sobre el Ga de acuerdo a la fórmula:

2 Ga + 2 HCl 2GaCl + H2.

Precisamente el GaCl, que también es un gas, sirve

como medio de transporte para el Ga. En la región de

deposición tiene lugar la siguiente reacción:

4 GaCl + As4 + 2H2 4GaAs + 4HCl,

acompañada de la formación de GaAs. El método

analizado recibe el nombre de clorhídrico. En la práctica,

tanto en los laboratorios de investigación como en la industria

se utiliza el método de los hidruros. En este método

en calidad de proveedor de As se utiliza el hidruro de

arsénico o la arsina gaseosa AsH3. La fuente de Ga,

como en el caso anterior, es el GaCl, que se forma al

interactuar el HCl con el Ga. Los hidruros y la arsina se

utilizan en los procesos epitaxiales en forma de mezclas

fuertemente disueltas en el hidrógeno que van del 1 al 5 %.

De esta manera en un proceso hidruro-clorhídrico al

reactor se introducen AsH3 + H2, HCl +H2 y H2. Además,

si se hace necesario, se agrega el dopante.

Al crecer las soluciones sólidas aumenta la cantidad

de los componentes iniciales que se introducen al reactor

y por tanto aumentan los canales que los conducen hasta

al reactor. Por ejemplo, en un proceso clorhídrico para el

crecimiento, de las soluciones sólidas GaAs1-xPx, en

calidad de los componentes iniciales se tienen AsCl3 y

PCl3 que se mezclan con el hidrógeno. Variando el flujo

del hidrógeno a través del burbujeador se puede controlar

la composición de la solución sólida que se va a crecer.

Además del método clorhídrico para el crecimiento de

soluciones sólidas GaAs1-xPx también se utilizan mezclas

de hidruros, donde los componentes iniciales son AsH3 y

PH3 y por un canal aparte se introduce al reactor una

mezcla de vapor de HCl e hidrógeno el cual sirve para

obtener el GaCl. Este proceso se muestra en la figura 5.

De esta manera en el reactor se crean tres regiones de

temperaturas: la primera es la región proveedora de 800

- 850 ºC donde se forma el GaCl; en la segunda se forma

una mezcla de gases que reaccionan y después se

descomponen a 880 - 930 ºC, y en la tercera se encuentra

el substrato a 750 - 830 ºC sobre el que se depositan los

materiales a crecer.

Precisamente los métodos de transporte de gas por

hidruros y clorhídricos fueron utilizados por primera vez

para el crecimiento epitaxial de diferentes materiales

semiconductores. Sin embargo, hoy en día tanto en los

laboratorios de investigación como en la industria lo que

se utiliza más ampliamente es la epitaxia por gas llamada

deposición por vapor de compuestos metal orgánicos

(MOCVD por sus siglas en inglés). El método se basa en

la descomposición térmica o pirólisis, es decir, en un

proceso de reacciones químicas irreversibles. En el caso

de una deposición de GaAs se realiza una pirólisis de

arsina junto con un compuesto metal orgánico, como

por ejemplo el (CH3)3Ga. El proceso de pirólisis en este

caso se puede representar de la siguiente manera:

(CH3)3Ga+ AsH3 GaAs + 3CH4.

En general, los compuestos metal orgánicos (CMO)

en las reacciones de pirólisis se utilizan para obtener los

más diversos recubrimientos metálicos. Sin embargo, en

la tecnología de semiconductores este método comenzó a aplicarse relativamente hasta hace poco. Una de las

ventajas de este método consiste en la posibilidad de crecer

diferentes compuestos y soluciones sólidas que contengan

Al. Lo que en realidad sucede, es que los compuestos

volátiles de Al tales como AlCl3 son químicamente muy

activos y reaccionan con muchos materiales, en particular

con el cuarzo, que se utiliza para fabricar los reactores

en el interior de los cuales se realiza el proceso epitaxial.

Por esta razón no es posible transportar el Al con ayuda

del AlCl3 .

Ya que la reacción pirolítica de CMO ocurre a altas

temperaturas entre los 500 y 800 ºC, el proceso se puede

realizar calentando solamente el substrato de tal manera

que las paredes del reactor permanezcan frías y se

excluyan reacciones químicas con el Al o con algún otro

compuesto que contenga elementos altamente activos.

Los materiales iniciales que sirven para el crecimiento de

GaAs son los compuestos etílicos o metílicos del Ga,

(C2H5)3Ga y (CH3)3Ga, respectivamente. Por lo general,

para los procesos de epitaxia por transporte gaseoso, los

CMO se guardan en cilindros con una salida especial

para que el gas-portador pueda burbujear. Los cilindros

con CMO están calibrados a una temperatura de 10-

20 ºC. En calidad del gas-portador se utiliza el hidrógeno

purificado en un equipo especial.

Para el control de la

corriente gaseosa se utilizan flujómetros electrónicos de

alta precisión. En la figura 6 se ilustra el montaje de

crecimiento de las soluciones sólidas AlxGa1-xAs. En este dibujo los proveedores de Al y Ga son respectivamente el

trimetil de Al y el trimetil de Ga. El substrato se coloca en

un sujetador hecho de grafito muy limpio y calentado

con ayuda de un inductor de alta frecuencia. Para obtener

una mejor homogeneidad de las propiedades y parámetros

de las capas epitaxialmente crecidas el sujetador del

substrato se hace girar durante el proceso de la epitaxia.

El crecimiento de heteroestructuras de capas múltiples,

como es el caso de los heteroláseres, se realiza cambiando

la composición de los flujos gaseosos. Actualmente con

ayuda de las reacciones químicas transportadas se

obtienen las más diversas heteroestructuras de diferentes

sistemas ternarios y cuaternarios de soluciones sólidas de

los grupos III-V. En base a estas estructuras son fabricados

los heteroláseres que emiten desde el infrarrojo hasta el

azul del espectro. En esta tecnología lo esencial es el control

preciso de la velocidad y composición del flujo que se

realiza con ayuda de una computadora. En la actualidad

la epitaxia por fase gaseosa que utiliza CMO es uno de

los principales métodos de crecimiento de cristales que se

aplican en la tecnología de materiales y dispositivos

semiconductores.

 

Epitaxia por haces moleculares

(MBE)

En principio, esta epitaxia (MBE, por sus siglas en inglés)

es el resultado del perfeccionamiento de un antiguo

método que ampliamente se utiliza para el depósito de

películas metálicas; nos referimos a la evaporación de

metales en el vacío. Sin embargo, es importante señalar

que las películas metálicas se pueden obtener con relativa

fácilidad por evaporación en un vacío de 10-5-10-7 mm

Hg. Los primeros intentos en obtener películas epitaxiales

de materiales semiconductores mostraron que, a diferencia

de los metales, es necesario tener un vacío más elevado.

Por esta razón, la utilización de la MBE comenzó a principio

de los años 70 con la aparición de equipo capaz de obtener

alto vacío. De esta manera, el montaje experimental del

MBE debe contar en primer lugar con bombas que puedan

asegurar un alto vacío del orden de 10-10 mm Hg en la

cámara de crecimiento (figura 7). A esta cámara se

introducen celdas evaporadoras que contienen las

substancias componentes del cristal a crecer. La celda

evaporadora contiene un calentador, una pantalla, un

termopar y un recipiente de BN muy limpio en el que se

depositan las substancias a evaporar. Para producir haces

moleculares de Al, In, y Ga se utilizan como fuente estos

mismos metales, pero libres de impurezas. Los haces

moleculares de los elementos del grupo V en los primeros

equipos de MBE frecuentemente se obtenían evaporando

los respectivos compuestos binarios del sistema III-V

(por ejemplo GaAs, InP). Además de las celdas que dan

lugar a los haces moleculares de los elementos principales

que forman al cristal crecido, (por ejemplo los elementos

In, Ga, As y P forman el sistema cuaternario de soluciones

sólidas InGaAsP) en la cámara de crecimiento se deben

tener las celdas evaporadoras de los elementos que se

utilizan en calidad de dopantes tanto tipo -n como -p.

Las celdas evaporadoras se distribuyen por la superficie

de la cámara de crecimiento, que tiene generalmente

forma esférica o cilíndrica, de tal manera que los haces moleculares que se dirigen desde las celdas converjan en

la parte central de la cámara de crecimiento. En este

punto precisamente se coloca el substrato monocristalino

(por ejemplo de GaAs y InP,) fijado con ayuda de un

sujetador especial de molibdeno. Las partículas

evaporadas de las celdas alcanzan el substrato y son

adsorbidas por éste y la energía de las partículas

adsorbidas va a depender de la temperatura del substrato.

El proceso de crecimiento del cristal en bastante medida

depende de la temperatura del substrato, de aquí que éste

sea uno de los parámetros tecnológicos más importantes

en la epitaxia por haces moleculares que debe controlarse

con mucha exactitud. Esto se lleva a cabo con un

termopar que se coloca en el interior del sujetador. Las

condiciones óptimas de cristalización se obtienen cuando

el substrato tiene una temperatura de entre 300 y 500 ºC

dependiendo de los materiales que se pretendan crecer.

Para obtener las capas crecidas más homogéneas se hace

girar el sujetador del substrato durante el proceso de

cristalización. Además de controlar la temperatura del

substrato también es necesario vigilar y controlar la

temperatura de la fuente evaporadora, ya que de esto

depende la intensidad de los haces moleculares. Asimismo,

cabe señalar que las temperaturas de las celdas

evaporadoras pueden diferir entre ellas, condicionadas

por las diferentes dependencias de la presión de vapor

respecto a la temperatura para cada uno de los elementos.

Por ejemplo, para los metales que tienen presión de vapor

baja, la temperatura de sus celdas evaporadoras puede

superar los 1000 °C; y por otro lado, para los elementos

del grupo V de la tabla periódica que tienen una presión

de vapor considerablemente mayor, la temperatura sólo

alcanzará algunos cientos de grados centígrados. Para

excluir la posibilidad de una interacción de las celdas con

diferentes temperaturas, éstas están contenidas en

compartimientos criogénicos enfriados con nitrógeno

líquido (T=77 °K). Además, estas cámaras frías ayudan

a conservar el alto vacío dentro de la cámara de

crecimiento, absorbiendo las impurezas que se desprenden

de las piezas que están expuestas a altas temperaturas

dentro del sistema.

De esta manera, es posible lograr el control de la

composición de las capas epitaxialmente crecidas por el

método de MBE durante el proceso de cristalización,

cambiando la temperatura de las celdas evaporadoras,

lo que trae consigo el cambio de la intensidad del flujo de

los haces moleculares. La velocidad típica de crecimiento

por MBE es del orden de una capa atómica por segundo;

en el caso del GaAs, una capa de 1 micra tardaría 1

hora en crecer. Al tener velocidades de crecimiento tan

bajas, es fácil controlar la composición de las capas a

crecer, utilizando pantallas que al abrirlas o cerrarlas

permiten u obstruyen el flujo de los haces moleculares,

respectivamente. Tales pantallas se encuentran localizadas

frente a las celdas evaporadoras y frente al substrato. De

esta manera, abriendo y cerrando las pantallas, el método

de MBE permite crecer estructuras de muchas capas, y

algunas de éstas son muy delgadas, con fronteras muy bien

definidas entre ellas. Una ilustración muy significativa de

las posibilidades del MBE es el experimento que se realizó

creciendo una capa de GaAs mediante la deposición de

capas monoatómicas alternadas de Ga y As. Con ayuda

de este método de crecimiento actualmente se crecen las

así denominadas super redes que contienen algunos

cientos de capas epitaxiales con diferentes composiciones

y con espesores de algunas unidades Angstrom.

El método de MBE tiene una ventaja más sobre los

otros métodos epitaxiales. Ya que el proceso de crecimiento

por el método de MBE se realiza a un alto vacío, en la

cámara de crecimiento se puede introducir una fuente de

electrones. En la física contemporánea, junto con todos

los posibles métodos ópticos, los procesos de interacción

de los electrones con el cuerpo sólido se utilizan

ampliamente para el análisis de las propiedades de los

cristales. Por ejemplo, para obtener información sobre la

calidad de la red cristalina se pueden analizar las curvas

de difracción de los electrones que caen sobre la superficie

del cristal con un determinado ángulo. Para llevar a cabo

tales investigaciones hace falta, además del haz de

electrones, una pantalla fluorescente que permita

visualizar la curva de difracción. Por otro lado, el estudio

de la distribución energética de los electrones secundarios

sacados de los átomos que forman el cristal por los

electrones emitidos por el haz, permite tener información

sobre la composición de las capas durante el proceso de

crecimiento (in situ). Es comprensible que los procesos

para realizar los regímenes de crecimiento, la obturación

de las pantallas, el control de la temperatura de las celdas

evaporadoras y del substrato, se puedan llevar a cabo

con ayuda de una computadora. Las señales del equipo

electrónico que permiten analizar la composición y la

calidad de la capa en crecimiento se pueden utilizar de

manera simple para crear circuitos de retroalimentación.

Con ayuda de tales circuitos es posible cambiar automáticamente,

y de acuerdo a un programa establecido,

las propiedades de la estructura en crecimiento utilizando

la misma computadora. Además, dentro de la cámara

de crecimiento del MBE es posible instrumentar un

espectrómetro de masas y una fuente de haces de iones.

Con ayuda del espectrómetro se miden las intensidades

de los haces moleculares que permiten obtener una serie

de dependencias, como por ejemplo: la corriente del

calentador de la celda evaporadora, la temperatura de la

celda, la intensidad del flujo molecular, la composición

de la película en crecimiento. Utilizando el haz de iones

momentos antes de realizar la epitaxia se puede limpiar

el substrato de impurezas adsorbidas por su superficie.

Como ya se ha señalado anteriormente, el proceso

de crecimiento se lleva a cabo en un alto vacío; sin embargo,

si la cámara de crecimiento se abre, como por

ejemplo para recargar las celdas evaporadoras, entonces

las paredes de la cámara en cuestión se contaminan de

impurezas provenientes del aire. Para restablecer un buen

vacío después de haber abierto la cámara de crecimiento,

es necesario calentar las paredes de ésta y en general

todas las partes del equipo expuestas al aire.

 

Fuente: http://www.cinvestav.mx/Portals/0/Publicaciones%20y%20Noticias/Revistas/Avance%20y%20perspectiva/enefeb02/3%20MISHO.pdf

Nombre Franklin Quintero

Asignatura: EES

 


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