La epitaxia en fase de vapor metalorgánica ( MOVPE ), también conocida como epitaxia en fase de vapor organometálica ( OMVPE ) o deposición química en fase de vapor metalorgánica ( MOCVD ), [1] es un método de deposición química en fase de vapor utilizado para producir películas delgadas monocristalinas o policristalinas. Es un proceso para hacer crecer capas cristalinas para crear estructuras multicapa complejas de semiconductores. [2] A diferencia de la epitaxia de haz molecular (MBE), el crecimiento de los cristales se realiza mediante reacción química y no por deposición física. Esto no se lleva a cabo en vacío , sino a partir de la fase gaseosa a presiones moderadas (10 a 760 Torr ). Como tal, esta técnica es la preferida para la formación de dispositivos que incorporan aleaciones termodinámicamente metaestables , [ cita requerida ] y se ha convertido en un proceso importante en la fabricación de optoelectrónica , como diodos emisores de luz , su aplicación más extendida. [3] Fue demostrado por primera vez en 1967 en la División Autonetics de North American Aviation (más tarde Rockwell International ) en Anaheim, California, por Harold M. Manasevit .
En la MOCVD, los gases precursores ultrapuros se inyectan en un reactor, generalmente con un gas portador no reactivo. Para un semiconductor III-V, se podría utilizar un metalorgánico como precursor del grupo III y un hidruro para el precursor del grupo V. Por ejemplo, el fosfuro de indio se puede cultivar con precursores de trimetilindio ((CH3 ) 3In ) y fosfina (PH3 ) .
A medida que los precursores se acercan a la oblea semiconductora , experimentan pirólisis y las subespecies se absorben en la superficie de la oblea semiconductora. La reacción superficial de las subespecies precursoras da como resultado la incorporación de elementos en una nueva capa epitaxial de la red cristalina del semiconductor. En el régimen de crecimiento limitado por transporte de masa en el que suelen operar los reactores MOCVD, el crecimiento es impulsado por la sobresaturación de especies químicas en la fase de vapor. [4] La MOCVD puede hacer crecer películas que contienen combinaciones del grupo III y grupo V , grupo II y grupo VI , grupo IV .
La temperatura de pirólisis requerida aumenta con la fuerza del enlace químico del precursor. Cuantos más átomos de carbono estén unidos al átomo metálico central, más débil será el enlace. [5] La difusión de átomos en la superficie del sustrato se ve afectada por los pasos atómicos en la superficie.
La presión de vapor de la fuente orgánica de metal del grupo III es un parámetro de control importante para el crecimiento de MOCVD, ya que determina la tasa de crecimiento en el régimen limitado por transporte de masa. [6]
En la técnica de deposición química en fase de vapor de compuestos orgánicos de metal (MOCVD), los gases reactivos se combinan a temperaturas elevadas en el reactor para provocar una interacción química, lo que da como resultado la deposición de materiales en el sustrato.
Un reactor es una cámara hecha de un material que no reacciona con los productos químicos que se utilizan. También debe soportar altas temperaturas. Esta cámara está compuesta por paredes de reactor, revestimiento, un susceptor , unidades de inyección de gas y unidades de control de temperatura. Por lo general, las paredes del reactor están hechas de acero inoxidable o cuarzo. A menudo se utilizan vidrios cerámicos o especiales , como el cuarzo, como revestimiento en la cámara del reactor entre la pared del reactor y el susceptor. Para evitar el sobrecalentamiento, debe fluir agua de refrigeración a través de los canales dentro de las paredes del reactor. Un sustrato se asienta sobre un susceptor que está a una temperatura controlada. El susceptor está hecho de un material resistente a la temperatura y a los compuestos organometálicos utilizados, a menudo se mecaniza a partir de grafito . Para el crecimiento de nitruros y materiales relacionados, es necesario un recubrimiento especial, normalmente de nitruro de silicio o carburo de tantalio , sobre el susceptor de grafito para evitar la corrosión por gas amoniaco (NH3 ) .
Un tipo de reactor utilizado para llevar a cabo MOCVD es un reactor de pared fría. En un reactor de pared fría, el sustrato está soportado por un pedestal, que también actúa como un susceptor. El pedestal/susceptor es la fuente principal de energía térmica en la cámara de reacción. Solo el susceptor se calienta, por lo que los gases no reaccionan antes de llegar a la superficie caliente de la oblea. El pedestal/susceptor está hecho de un material que absorbe la radiación, como el carbono. Por el contrario, las paredes de la cámara de reacción en un reactor de pared fría suelen estar hechas de cuarzo, que es en gran parte transparente a la radiación electromagnética . Sin embargo, las paredes de la cámara de reacción en un reactor de pared fría pueden calentarse indirectamente por el calor que irradia el pedestal/susceptor caliente, pero permanecerán más frías que el pedestal/susceptor y el sustrato que sostiene el pedestal/susceptor.
En la deposición química de vapor con paredes calientes, se calienta toda la cámara. Esto puede ser necesario para que algunos gases se craqueen previamente antes de llegar a la superficie de la oblea para que puedan adherirse a ella.
El gas se introduce a través de dispositivos conocidos como "burbujeadores". En un burbujeador, se hace burbujear un gas portador (normalmente hidrógeno en el crecimiento de arseniuro y fosfuro o nitrógeno para el crecimiento de nitruro) a través del líquido metalorgánico , que recoge algo de vapor metalorgánico y lo transporta al reactor. La cantidad de vapor metalorgánico transportado depende de la velocidad del flujo de gas portador y de la temperatura del burbujeador , y normalmente se controla de forma automática y con mayor precisión mediante un sistema de control de gas de retroalimentación con medición de concentración ultrasónica. Se debe tener en cuenta la presencia de vapores saturados .
Sistema de extracción y limpieza de gases . Los desechos tóxicos deben convertirse en desechos líquidos o sólidos para reciclarlos (preferentemente) o eliminarlos. Lo ideal es que los procesos estén diseñados para minimizar la producción de desechos.
A medida que la MOCVD se ha convertido en una tecnología de producción bien establecida, existen preocupaciones igualmente crecientes asociadas con su impacto en la seguridad del personal y la comunidad, el impacto ambiental y las cantidades máximas de materiales peligrosos (como gases y compuestos metalorgánicos) permisibles en las operaciones de fabricación de dispositivos. La seguridad, así como el cuidado responsable del medio ambiente, se han convertido en factores importantes de suma importancia en el crecimiento de cristales basado en MOCVD de semiconductores compuestos. A medida que la aplicación de esta técnica en la industria ha crecido, varias empresas también han crecido y evolucionado a lo largo de los años para proporcionar el equipo auxiliar necesario para reducir el riesgo. Este equipo incluye, entre otros, sistemas automatizados de suministro de gases y productos químicos por computadora, sensores de detección de gases tóxicos y portadores que pueden detectar cantidades de gas de un solo dígito en ppb y, por supuesto, equipo de reducción para capturar completamente los materiales tóxicos que pueden estar presentes en el crecimiento de aleaciones que contienen arsénico, como GaAs e InGaAsP. [7]