La ingeniería de deformación se refiere a una estrategia general empleada en la fabricación de semiconductores para mejorar el rendimiento del dispositivo. Los beneficios de rendimiento se logran modulando la deformación , por ejemplo, en el canal del transistor , lo que mejora la movilidad de los electrones (o la movilidad de los huecos) y, por lo tanto, la conductividad a través del canal. Otro ejemplo son los fotocatalizadores de semiconductores diseñados mediante ingeniería de deformación para un uso más eficaz de la luz solar. [1]
Muchos fabricantes de microprocesadores importantes , como AMD , IBM e Intel , han informado sobre el uso de diversas técnicas de ingeniería de deformación , principalmente en relación con tecnologías de menos de 130 nm. Una consideración clave al utilizar la ingeniería de deformación en tecnologías CMOS es que PMOS y NMOS responden de manera diferente a diferentes tipos de deformación. En concreto, el rendimiento de PMOS se consigue mejor aplicando una deformación compresiva al canal, mientras que NMOS se beneficia de la deformación por tracción. [2] Muchos enfoques de ingeniería de deformación inducen la deformación localmente, lo que permite modular de forma independiente la deformación del canal n y del canal p.
Un enfoque destacado implica el uso de una capa de recubrimiento inductora de tensión. El nitruro de silicio CVD es una opción común para una capa de recubrimiento deformada, ya que la magnitud y el tipo de deformación (por ejemplo, tracción vs. compresión) se pueden ajustar modulando las condiciones de deposición, especialmente la temperatura. [3] Se pueden utilizar técnicas de modelado litográfico estándar para depositar selectivamente capas de recubrimiento inductoras de tensión, para depositar una película compresiva solo sobre el PMOS, por ejemplo.
Las capas de recubrimiento son clave para el método Dual Stress Liner (DSL) informado por IBM-AMD. En el proceso DSL, se utilizan técnicas estándar de modelado y litografía para depositar selectivamente una película de nitruro de silicio de tracción sobre el NMOS y una película de nitruro de silicio de compresión sobre el PMOS. [ cita requerida ]
Un segundo enfoque destacado implica el uso de una solución sólida rica en silicio, especialmente silicio - germanio , para modular la tensión del canal. Un método de fabricación implica el crecimiento epitaxial de silicio sobre una subcapa relajada de silicio-germanio. La tensión de tracción se induce en el silicio a medida que la red de la capa de silicio se estira para imitar la constante de red más grande del silicio-germanio subyacente. Por el contrario, la tensión de compresión podría inducirse utilizando una solución sólida con una constante de red más pequeña, como silicio-carbono. Véase, por ejemplo, la patente de EE. UU. N.º 7.023.018. Otro método estrechamente relacionado implica reemplazar la región de fuente y drenaje de un MOSFET con silicio-germanio. [4]
La deformación se puede inducir en películas delgadas mediante crecimiento epitaxial o, más recientemente, mediante crecimiento topológico.
La deformación epitaxial en películas delgadas generalmente surge debido a un desajuste de la red entre la película y su sustrato y a la reestructuración de la unión triple en la superficie de la unión triple, que surge durante el crecimiento de la película o debido a un desajuste de la expansión térmica. [5] El ajuste de esta deformación epitaxial se puede utilizar para moderar las propiedades de las películas delgadas e inducir transiciones de fase. El parámetro de desajuste ( ) se da mediante la siguiente ecuación: [6]
donde es el parámetro de red de la película epitaxial y es el parámetro de red del sustrato. Después de un cierto espesor crítico de la película, se vuelve energéticamente favorable aliviar cierta tensión de desajuste a través de la formación de dislocaciones de desajuste o micromaclas. Las dislocaciones de desajuste se pueden interpretar como un enlace colgante en una interfaz entre capas con diferentes constantes de red. Mathews y Blakeslee calcularon que este espesor crítico ( ) es:
donde es la longitud del vector de Burgers, es el coeficiente de Poisson, es el ángulo entre el vector de Burgers y la línea de dislocación desadaptada, y es el ángulo entre el vector de Burgers y el vector normal al plano de deslizamiento de la dislocación. La deformación en el plano de equilibrio para una película delgada con un espesor ( ) que excede se da entonces por la expresión:
La relajación de la deformación en las interfaces de películas delgadas a través de la nucleación y multiplicación de dislocaciones desadaptadas ocurre en tres etapas que se distinguen en función de la tasa de relajación. La primera etapa está dominada por el deslizamiento de dislocaciones preexistentes y se caracteriza por una tasa de relajación lenta. La segunda etapa tiene una tasa de relajación más rápida, que depende de los mecanismos de nucleación de dislocaciones en el material. Finalmente, la última etapa representa una saturación en la relajación de la deformación debido al endurecimiento por deformación. [7]
La ingeniería de deformaciones ha sido bien estudiada en sistemas de óxidos complejos, en los que la deformación epitaxial puede influir fuertemente en el acoplamiento entre los grados de libertad de espín, carga y orbital, y por lo tanto afectar las propiedades eléctricas y magnéticas. Se ha demostrado que la deformación epitaxial induce transiciones metal-aislante y cambia la temperatura de Curie para la transición antiferromagnético a ferromagnético en . [8] En películas delgadas de aleación, se ha observado que la deformación epitaxial afecta la inestabilidad espinodal y, por lo tanto, afecta la fuerza impulsora para la separación de fases. Esto se explica como un acoplamiento entre la deformación epitaxial impuesta y las propiedades elásticas dependientes de la composición del sistema. [9]
Más recientemente, los investigadores han logrado una tensión en películas de óxido gruesas mayor que la lograda en el crecimiento epitaxial al incorporar topologías nanoestructuradas (Guerra y Vezenov, 2002) [10] [11] y nanobarras/nanopilares dentro de una matriz de película de óxido. [12] [13]
Después de este trabajo, investigadores de todo el mundo han creado tales estructuras de nanobarras/nanopilares autoorganizadas y separadas por fases en numerosas películas de óxido como las que se revisan aquí. [14] En 2008, Thulin y Guerra [15] publicaron cálculos de estructuras de bandas de titanio anatasa modificadas por tensión, que incluían una movilidad de huecos mayor indicada con el aumento de la tensión. Además, en materiales bidimensionales como WSe
2Se ha demostrado que la tensión induce la conversión de un semiconductor indirecto a un semiconductor directo, lo que permite un aumento de cien veces en la tasa de emisión de luz. [16]
La ingeniería de deformación juega un papel importante en los LED III-N , una de las variedades de LED más ubicuas y eficientes que solo ganó popularidad después del Premio Nobel de Física de 2014. La mayoría de los LED III-N utilizan una combinación de GaN e InGaN , este último se utiliza como la región del pozo cuántico . La composición de In dentro de la capa de InGaN se puede ajustar para cambiar el color de la luz emitida por estos LED. [17] Sin embargo, las capas epitaxiales del pozo cuántico del LED tienen constantes de red inherentemente desajustadas , lo que crea una tensión entre las capas. Debido al efecto Stark confinado cuánticamente (QCSE), las funciones de onda del electrón y del hueco están desalineadas dentro del pozo cuántico, lo que resulta en una integral de superposición reducida, una probabilidad de recombinación reducida y una mayor vida útil del portador. Como tal, la aplicación de una deformación externa puede negar la deformación interna del pozo cuántico, reduciendo la vida útil del portador y haciendo que los LED sean una fuente de luz más atractiva para las comunicaciones y otras aplicaciones que requieren velocidades de modulación rápidas. [18]
Con una ingeniería de deformación adecuada, es posible hacer crecer LED III-N sobre sustratos de Si. Esto se puede lograr mediante plantillas de deformación relajada, superredes y pseudosustratos. [19] Además, los sustratos metálicos galvanizados también han demostrado ser prometedores en la aplicación de una deformación de contrapeso externa para aumentar la eficiencia general del LED. [20]
Además de la ingeniería de deformación tradicional que se lleva a cabo con los LED III-N, los LED ultravioleta profundo (DUV), que utilizan AlN , AlGaN y GaN , experimentan un cambio de polaridad de TE a TM en una composición crítica de Al dentro de la región activa. El cambio de polaridad surge del valor negativo de la división del campo cristalino de AlN , lo que da como resultado que sus bandas de valencia cambien de carácter en esta composición crítica de Al. Los estudios han establecido una relación lineal entre esta composición crítica dentro de la capa activa y la composición de Al utilizada en la región de plantilla del sustrato, lo que subraya la importancia de la ingeniería de deformación en el carácter de la luz emitida por los LED DUV. [20] Además, cualquier desajuste de red existente provoca separación de fases y rugosidad de la superficie, además de crear dislocaciones y defectos puntuales . El primero da como resultado una fuga de corriente local, mientras que el segundo mejora el proceso de recombinación no radiativa , lo que reduce la eficiencia cuántica interna (IQE) del dispositivo . El espesor de la capa activa puede provocar la flexión y la aniquilación de dislocaciones de roscado, rugosidad de la superficie, separación de fases, formación de dislocaciones desadaptadas y defectos puntuales . Todos estos mecanismos compiten entre distintos espesores. Al retrasar la acumulación de tensión para que crezca en una capa epidérmica más gruesa antes de alcanzar el grado de relajación objetivo, se pueden reducir ciertos efectos adversos. [21]
Por lo general, la deformación elástica máxima alcanzable en materiales a granel normales varía de 0,1% a 1%. Esto limita nuestra capacidad para modificar eficazmente las propiedades del material de manera reversible y cuantitativa mediante la deformación. Sin embargo, investigaciones recientes sobre materiales a nanoescala han demostrado que el rango de deformación elástica es mucho más amplio. Incluso el material más duro de la naturaleza, el diamante , [22] exhibe hasta un 9,0% de deformación elástica uniforme a nanoescala. [23] Siguiendo la ley de Moore , los dispositivos semiconductores se reducen continuamente en tamaño a nanoescala. Con el concepto de "cuanto más pequeño, más fuerte", [24] la ingeniería de deformación elástica se puede explotar por completo a nanoescala.
En la ingeniería de deformación elástica a nanoescala, la dirección cristalográfica juega un papel crucial. La mayoría de los materiales son anisotrópicos, lo que significa que sus propiedades varían con la dirección. Esto es particularmente cierto en la ingeniería de deformación elástica, ya que la aplicación de deformación en diferentes direcciones cristalográficas puede tener un impacto significativo en las propiedades del material. Tomando el diamante como ejemplo, las simulaciones de la teoría funcional de la densidad (DFT) demuestran comportamientos distintos en las tasas de disminución de la brecha de banda cuando se deforma en diferentes direcciones. La deformación en la dirección <110> da como resultado una mayor tasa de disminución de la brecha de banda, mientras que la deformación en la dirección <111> conduce a una menor tasa de disminución de la brecha de banda pero una transición de una brecha de banda indirecta a una directa. Se puede observar una transición de brecha de banda indirecta-directa similar en el silicio deformado . Teóricamente, lograr esta transición de brecha de banda indirecta-directa en silicio [25] requiere una deformación de más del 14% de deformación uniaxial.
En el caso de la deformación elástica, cuando se excede el límite, se produce una deformación plástica debido al movimiento de deslizamiento y dislocación en la microestructura del material. La deformación plástica no se utiliza comúnmente en la ingeniería de deformaciones debido a la dificultad de controlar su resultado uniforme. La deformación plástica está más influenciada por la distorsión local que por el campo de tensión global observado en la deformación elástica. Sin embargo, los materiales 2D tienen un mayor rango de deformación elástica en comparación con los materiales a granel porque carecen de mecanismos típicos de deformación plástica como el deslizamiento y la dislocación. Además, es más fácil aplicar la deformación a lo largo de una dirección cristalográfica específica en materiales 2D en comparación con los materiales a granel.
Investigaciones recientes han demostrado un progreso significativo en la ingeniería de deformación en materiales 2D a través de técnicas como la deformación del sustrato, [26] [27] induciendo ondulación del material, [28] [29] y creando asimetría reticular. [30] Estos métodos de aplicación de deformación mejoran eficazmente las propiedades eléctricas, magnéticas, térmicas y ópticas del material. Por ejemplo, en la referencia [26] proporcionada, la brecha óptica de MoS2 monocapa y bicapa disminuye a tasas de aproximadamente 45 y 120 meV/%, respectivamente, bajo una deformación uniaxial de 0-2,2%. Además, la intensidad de la fotoluminiscencia de MoS2 monocapa disminuye con una deformación del 1%, lo que indica una transición de banda prohibida indirecta a directa. La referencia [28] también demuestra que la ondulación diseñada por deformación en fósforo negro conduce a variaciones de banda prohibida entre +10% y -30%. En el caso de ReSe2, la literatura [29] muestra la formación de estructuras de arrugas locales cuando el sustrato se relaja después del estiramiento. Este proceso de plegado produce un corrimiento al rojo en el pico del espectro de absorción, lo que lleva a una mayor absorción de la luz y a cambios en las propiedades magnéticas y en la banda prohibida. El equipo de investigación también realizó pruebas de curva IV en las muestras estiradas y descubrió que un estiramiento del 30 % dio como resultado una menor resistencia en comparación con las muestras sin estirar. Sin embargo, un estiramiento del 50 % mostró el efecto opuesto, con una mayor resistencia en comparación con las muestras sin estirar. Este comportamiento se puede atribuir al plegado de ReSe2, siendo las regiones plegadas particularmente débiles.
![{\displaystyle h_{c}={\frac {b(2-\nu cos^{2}\alpha )[ln(h_{c}/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/80d3c3edad08522858e53bb397aba94d86738e33)
![{\displaystyle \epsilon _{||}={\frac {f}{|f|}}{\frac {b(1-\nu cos^{2}(\alpha )[ln(h/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9f6adfc3b3cb75695d055d1758add3fca1c1b3b8)
