La epitaxia de haz químico (CBE) forma una clase importante de técnicas de deposición para sistemas de capas semiconductoras , especialmente sistemas semiconductores III-V. Esta forma de crecimiento epitaxial se realiza en un sistema de vacío ultraalto . Los reactivos se encuentran en forma de haces moleculares de gases reactivos, típicamente como hidruro o metalorgánico . El término CBE se utiliza a menudo indistintamente con epitaxia de haz molecular organometálico (MOMBE). Sin embargo, la nomenclatura diferencia entre los dos procesos (ligeramente diferentes). Cuando se usa en el sentido más estricto, CBE se refiere a la técnica en la que ambos componentes se obtienen de fuentes gaseosas, mientras que MOMBE se refiere a la técnica en la que el componente del grupo III se obtiene de una fuente gaseosa y el componente del grupo V de una fuente sólida.
La epitaxia por haz químico fue demostrada por primera vez por WT Tsang en 1984. [1] Esta técnica luego se describió como un híbrido de deposición química de vapor organometálico (MOCVD) y epitaxia por haz molecular (MBE) que explotaba las ventajas de ambas técnicas. En este trabajo inicial, InP y GaAs se cultivaron utilizando alquilos gaseosos de los grupos III y V. Mientras que los elementos del grupo III se derivaron de la pirólisis de los alquilos en la superficie, los elementos del grupo V se obtuvieron de la descomposición de los alquilos poniéndolos en contacto con tantalio (Ta) o molibdeno (Mo) calentados a 950-1200 °C. La presión típica en el reactor de gas está entre 10 2 Torr y 1 atm para MOCVD. Aquí, el transporte de gas se produce mediante un flujo viscoso y los productos químicos llegan a la superficie por difusión. Por el contrario, en CBE se utilizan presiones de gas inferiores a 10 −4 Torr. Debido a los caminos libres de medios mucho más largos, el transporte de gas se produce ahora como un haz molecular y el proceso evoluciona hacia una deposición química del haz. [2] También vale la pena señalar aquí que MBE emplea haces atómicos (como aluminio (Al) y galio (Ga)) y haces moleculares (como As 4 y P 4 ) que se evaporan a altas temperaturas a partir de fuentes elementales sólidas. mientras que las fuentes de CBE están en fase de vapor a temperatura ambiente. [3] En la figura 1 se puede ver una comparación de los diferentes procesos en la cámara de crecimiento para MOCVD, MBE y CBE.
En las cámaras de crecimiento UHV estándar se utiliza una combinación de bombas turbomoleculares y criogénicas. La cámara en sí está equipada con un crioprotector de nitrógeno líquido y un soporte de cristal giratorio capaz de transportar más de una oblea. El soporte de cristal se calienta normalmente desde la parte trasera a temperaturas de 500 a 700 °C. La mayoría de las instalaciones también cuentan con equipos RHEED para el seguimiento in situ de las superestructuras de la superficie de cultivo y para medir las tasas de crecimiento, y espectrómetros de masas para el análisis de las especies moleculares en los haces y el análisis de los gases residuales. [4] El sistema de entrada de gas, que es uno de los componentes más importantes del sistema, controla el flujo del haz de material. Los sistemas controlados por presión se utilizan con mayor frecuencia. El flujo de material está controlado por la presión de entrada del capilar de inyección de gas. La presión dentro de la cámara se puede medir y controlar mediante un manómetro de capacitancia. Los haces moleculares de los inyectores de materiales de origen gaseoso o chorros de efusión que aseguran un perfil de haz homogéneo. Para algunos compuestos de partida, como los hidruros que son el material de partida del grupo V, los hidruros deben craquearse previamente en el inyector. Esto generalmente se hace mediante descomposición térmica con un metal o filamento calentado. [4]
Para comprender mejor la cinética de crecimiento asociada con CBE, es importante observar también los procesos físicos y químicos asociados con MBE y MOCVD. La Figura 2 los muestra. La cinética de crecimiento de estas tres técnicas difiere en muchos aspectos. En MBE convencional, la tasa de crecimiento está determinada por la tasa de llegada de los haces atómicos del grupo III. El crecimiento epitaxial tiene lugar cuando los átomos del grupo III inciden sobre la superficie del sustrato calentado, migran a los sitios apropiados de la red y luego se depositan cerca del exceso de dímeros o tetrámeros del grupo V. Vale la pena señalar que no hay reacción química en la superficie ya que los átomos se generan por evaporación térmica a partir de fuentes elementales sólidas. [2]
En MOCVD, los alquilos del grupo III ya están parcialmente disociados en la corriente gaseosa. Estos se difunden a través de una capa límite estancada que existe sobre el sustrato calentado, después de lo cual se disocian en los elementos del grupo atómico III. Estos átomos luego migran al sitio apropiado de la red y se depositan epitaxialmente asociándose con un átomo del grupo V que se derivó de la descomposición térmica de los hidruros. La velocidad de crecimiento aquí suele estar limitada por la velocidad de difusión de los alquilos del grupo III a través de la capa límite. En este proceso también se han observado reacciones en fase gaseosa entre los reactivos. [2]
En los procesos CBE, los hidruros se craquean en un inyector de alta temperatura antes de que lleguen al sustrato. Las temperaturas suelen ser entre 100 y 150 °C más bajas que en un MOCVD o MOVPE similar. [5] Tampoco hay una capa límite (como la del MOCVD) y las colisiones moleculares son mínimas debido a la baja presión. Los alquilos del grupo V normalmente se suministran en exceso y las moléculas de alquilo del grupo III inciden directamente sobre el sustrato calentado como en el MBE convencional. La molécula de alquilo del grupo III tiene dos opciones cuando esto sucede. La primera opción es disociar sus tres radicales alquilo adquiriendo energía térmica de la superficie y dejando atrás los átomos elementales del grupo III en la superficie. La segunda opción es volver a evaporar parcial o totalmente no disociado. Por tanto, la tasa de crecimiento está determinada por la tasa de llegada de los alquilos del grupo III a una temperatura de sustrato más alta y por la tasa de pirólisis superficial a temperaturas más bajas. [2]
El crecimiento selectivo mediante enmascaramiento dieléctrico se logra fácilmente utilizando CBE en comparación con sus técnicas originales de MBE y MOCVD. El crecimiento selectivo es difícil de lograr usando MBE de fuente elemental porque los átomos del grupo III no se desorben fácilmente después de ser adsorbidos . Con fuentes químicas, las reacciones asociadas con la tasa de crecimiento son más rápidas en la superficie del semiconductor que en la capa dieléctrica. Sin embargo, ningún elemento del grupo III puede llegar a la superficie dieléctrica en CBE debido a la ausencia de reacciones en fase gaseosa. Además, es más fácil para las moléculas metalorgánicas del grupo III impactantes desorberse en ausencia de la capa límite. Esto facilita la realización de epitaxia selectiva utilizando CBE y a temperaturas más bajas, en comparación con MOCVD o MOVPE. [5] En desarrollos recientes patentados por ABCD Technology, ya no se requiere la rotación del sustrato, lo que genera nuevas posibilidades, como la creación de patrones in situ con haces de partículas. [6] Esta posibilidad abre perspectivas muy interesantes para lograr películas delgadas estampadas en un solo paso, en particular para materiales difíciles de grabar como los óxidos.
Se observó que el uso de TMGa para el CBE de GaAs conducía a un alto dopaje de fondo de tipo p (1020 cm - 3 ) debido al carbono incorporado . Sin embargo, se descubrió que el uso de TEGa en lugar de TMGa conducía a GaAs muy limpio con concentraciones de huecos a temperatura ambiente entre 10 14 y 10 16 cm −3 . Se ha demostrado que las concentraciones de huecos se pueden ajustar entre 10 14 y 10 21 cm −3 simplemente ajustando la presión del haz de alquilo y la relación TMGa/TEGa, proporcionando medios para lograr un dopaje de tipo p alto y controlable de GaAs. Esto se ha aprovechado para fabricar transistores bipolares de heterounión de alta calidad . [4]
CBE ofrece muchas otras ventajas sobre sus técnicas principales de MOCVD y MBE, algunas de las cuales se enumeran a continuación:
Por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio entre temperatura alta y baja para un buen control de la composición.