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.
Nombre Franklin Quintero
Asignatura: EES
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