La epitaxia de haz químico (CBE) constituye una clase importante de técnicas de deposición para sistemas de capas de semiconductores , especialmente sistemas de semiconductores III-V. Esta forma de crecimiento epitaxial se realiza en un sistema de ultra alto vacío . Los reactivos están en forma de haces moleculares de gases reactivos, típicamente como el hidruro o un metalorgánico . El término CBE se usa a menudo indistintamente con epitaxia de haz molecular metalorgánico (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 de haz químico fue demostrada por primera vez por WT Tsang en 1984. [1] Esta técnica fue luego descrita como un híbrido de deposición química en fase de vapor metal-orgánica (MOCVD) y epitaxia de haz molecular (MBE) que explotaba las ventajas de ambas técnicas. En este trabajo inicial, InP y GaAs se cultivaron utilizando alquilos gaseosos del grupo 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 es entre 10 2 Torr y 1 atm para MOCVD. Aquí, el transporte de gas ocurre por flujo viscoso y los químicos llegan a la superficie por difusión. Por el contrario, en CBE se utilizan presiones de gas de menos de 10 −4 Torr. El transporte de gas ahora ocurre como un haz molecular debido a los caminos libres de media mucho más largos, y el proceso evoluciona a una deposición de haz químico. [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 para CBE están en fase de vapor a temperatura ambiente. [3] Una comparación de los diferentes procesos en la cámara de crecimiento para MOCVD, MBE y CBE se puede ver en la figura 1.
En las cámaras de crecimiento UHV estándar se utiliza una combinación de bombas turbomoleculares y criogénicas. La cámara en sí está equipada con un crioescudo de nitrógeno líquido y un soporte de cristal giratorio capaz de soportar más de una oblea. El soporte de cristal suele calentarse desde la parte trasera a temperaturas de 500 a 700 °C. La mayoría de las configuraciones también cuentan con equipos RHEED para el monitoreo in situ de las superestructuras superficiales en la superficie de crecimiento 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 son los más utilizados. El flujo de material se controla mediante 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 materiales de fuente gaseosa inyectores o chorros de efusión que garantizan un perfil de haz homogéneo. En el caso de algunos compuestos de partida, como los hidruros, que son el material de partida del grupo V, es necesario precraquearlos en el inyector. Esto se suele hacer mediante descomposición térmica con un metal o filamento calentado. [4]
Para entender mejor la cinética de crecimiento asociada con la CBE, es importante observar también los procesos físicos y químicos asociados con la MBE y la MOCVD. La Figura 2 los representa. La cinética de crecimiento para estas tres técnicas difiere de muchas maneras. En la 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 en la superficie del sustrato calentado, migran a los sitios reticulares apropiados y luego se depositan cerca de los dímeros o tetrámeros excedentes del grupo V. Vale la pena señalar que no hay ninguna reacción química involucrada en la superficie ya que los átomos se generan por evaporación térmica de fuentes elementales sólidas. [2]
En la MOCVD, los alquilos del grupo III ya están parcialmente disociados en la corriente de gas. 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 atómicos del grupo III. Estos átomos luego migran al sitio reticular apropiado y se depositan epitaxialmente al asociarse con un átomo del grupo V que se derivó de la descomposición térmica de los hidruros. La tasa de crecimiento aquí generalmente está limitada por la tasa de difusión de los alquilos del grupo III a través de la capa límite. También se han observado reacciones en fase gaseosa entre los reactivos en este proceso. [2]
En los procesos CBE, los hidruros se craquean en un inyector de alta temperatura antes de que alcancen el sustrato. Las temperaturas son típicamente 100-150 °C más bajas que en un MOCVD o MOVPE similar. [5] Tampoco hay una capa límite (como la de MOCVD) y las colisiones moleculares son mínimas debido a la baja presión. Los alquilos del grupo V generalmente se suministran en exceso, y las moléculas de alquilo del grupo III inciden directamente sobre el sustrato calentado como en 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 reevaporarse parcial o completamente sin disociarse. Por lo 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 de la superficie a temperaturas más bajas. [2]
El crecimiento selectivo a través del enmascaramiento dieléctrico se logra fácilmente usando 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 que chocan desorberse en ausencia de la capa límite. Esto hace que sea más fácil realizar epitaxia selectiva usando CBE y a temperaturas más bajas, en comparación con MOCVD o MOVPE. [5] En desarrollos recientes patentados por ABCD Technology, la rotación del sustrato ya no es necesaria, lo que lleva a nuevas posibilidades como el modelado 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 que son difíciles de grabar como los óxidos.
Se observó que el uso de TMGa para el CBE de GaAs condujo a un alto dopaje de fondo de tipo p (10 20 cm −3 ) debido al carbono incorporado . Sin embargo, se encontró que el uso de TEGa en lugar de TMGa condujo 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 explotado para fabricar transistores bipolares de heterojunción de alta calidad . [4]
La CBE ofrece muchas otras ventajas sobre sus técnicas originales MOCVD y MBE, algunas de las cuales se enumeran a continuación:
Por lo tanto, se debe encontrar un compromiso entre temperatura alta y baja para un buen control de la composición.