La epitaxia de haz molecular ( MBE ) es un método de epitaxia para la deposición de cristales individuales en películas delgadas . El MBE se utiliza ampliamente en la fabricación de dispositivos semiconductores , incluidos transistores , y se considera una de las herramientas fundamentales para el desarrollo de nanotecnologías . [1] MBE se utiliza para fabricar diodos y MOSFET ( transistores de efecto de campo MOS ) en frecuencias de microondas , y para fabricar los láseres utilizados para leer discos ópticos (como CD y DVD ). [2]
Las ideas originales del proceso MBE fueron formuladas por primera vez por KG Günther. [3] Las películas que depositó no eran epitaxiales, sino que se depositaban sobre sustratos de vidrio. Con el desarrollo de la tecnología de vacío, John Davey y Titus Pankey demostraron el proceso MBE y lograron cultivar películas epitaxiales de GaAs sobre sustratos monocristalinos de GaAs utilizando el método de Günther. El importante 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 a la observación in situ del proceso MBE realizada por Alfred Y. Cho mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) a finales de los años 1960. [4] [5] [6]
La epitaxia de haz molecular tiene lugar en alto vacío o vacío ultraalto (10 −8 –10 −12 Torr ). El aspecto más importante de MBE es la velocidad de deposición (normalmente menos de 3000 nm por hora) que permite que las películas crezcan epitaxialmente . Estas tasas de deposición requieren un vacío proporcionalmente mejor para lograr los mismos niveles de impureza que otras técnicas de deposición. La ausencia de gases portadores, así como el entorno de vacío ultraalto, dan como resultado la mayor pureza posible de las películas cultivadas.
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En el MBE de fuente sólida, elementos como el galio y el arsénico , en forma ultrapura, se calientan en celdas de efusión cuasi-Knudsen separadas o en evaporadores de haz de electrones hasta que comienzan a sublimarse lentamente . Los elementos gaseosos se condensan entonces 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 cobre u oro, los elementos gaseosos que inciden en la superficie pueden ser adsorbidos (después de un período de tiempo en el que los átomos incidentes saltarán por la superficie) o reflejados. Los átomos en la superficie también pueden desorberse. Controlar la temperatura de la fuente controlará la velocidad del material que incide sobre 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 alcanzan la oblea, debido a los largos caminos libres medios de los átomos.
Durante el funcionamiento, la difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) se utiliza a menudo para controlar el crecimiento de las capas cristalinas. Una computadora controla las contraventanas delante 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. Tal control ha permitido el desarrollo de estructuras donde los electrones pueden ser confinados en el espacio, dando 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 donde 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 con nitrógeno líquido o nitrógeno gaseoso frío a una temperatura cercana a 77 kelvin (-196 grados Celsius). ). Las superficies frías actúan como un sumidero de 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 hasta 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, las moléculas, en lugar de los átomos, se evaporan y se depositan en la oblea. Otras variaciones incluyen MBE de fuente gaseosa , que se asemeja a la deposición química de vapor .
Los sistemas MBE también se pueden modificar según las necesidades. Se pueden incorporar fuentes de oxígeno, por ejemplo, para depositar materiales de óxido para aplicaciones electrónicas, magnéticas y ópticas avanzadas, así como para investigaciones fundamentales. En este caso, se utiliza un haz molecular de un oxidante para lograr el estado de oxidación deseado de un óxido multicomponente.
Uno de los logros más logrados de la epitaxia de haces moleculares son las nanoestructuras que permitieron la formación de heterointerfaces atómicamente planas y abruptas. Estas estructuras han desempeñado un papel sin precedentes en la ampliación del conocimiento de la física y la electrónica. [8] Más recientemente, la construcción de nanocables y estructuras cuánticas construidas dentro de ellos que permiten el procesamiento de información y la posible integración con aplicaciones en chips para comunicación y computación cuánticas. [9] Estos láseres de nanocables de heteroestructura solo son posibles de construir utilizando técnicas MBE avanzadas, lo que permite la integración monolítica en silicio [10] y el procesamiento de señales de picosegundos. [11]
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 una discrepancia entre los tamaños de la red de la película en crecimiento y el cristal de soporte, se acumulará energía elástica en la película en crecimiento. En alguna altura crítica, la energía libre de la película puede disminuir si la película se rompe en islas aisladas, donde la tensión puede relajarse 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. Esta comunidad utiliza el nombre de crecimiento Stranski-Krastanov para ATG.