La epitaxia metalorgánica en fase de vapor ( MOVPE ), también conocida como epitaxia organometálica en fase de vapor ( OMVPE ) o deposición química de vapor metalorgánico ( MOCVD ), [1] es un método de deposición química de vapor utilizado para producir películas delgadas monocristalinas o policristalinas. Es un proceso para hacer crecer capas cristalinas para crear estructuras complejas multicapa de semiconductores. [2] A diferencia de la epitaxia de haz molecular (MBE), el crecimiento de los cristales se produce por reacción química y no por deposición física. Esto no se produce en el vacío , sino desde la fase gaseosa a presiones moderadas (de 10 a 760 Torr ). Como tal, esta técnica se prefiere para la formación de dispositivos que incorporan aleaciones termodinámicamente metaestables , [ cita necesaria ] y se ha convertido en un proceso importante en la fabricación de optoelectrónica , como los diodos emisores de luz , su aplicación más extendida. [3] Fue demostrado por primera vez en 1967 en la División Autonética de North American Aviation (más tarde Rockwell International ) en Anaheim CA por Harold M. Manasevit .
En MOCVD se inyectan gases precursores ultrapuros en un reactor, normalmente 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 ((CH 3 ) 3 In) y fosfina (PH 3 ).
A medida que los precursores se acercan a la oblea semiconductora , se someten a pirólisis y las subespecies se absorben en la superficie de la oblea semiconductora. La reacción superficial de la subespecie precursora da como resultado la incorporación de elementos en una nueva capa epitaxial de la red cristalina semiconductora. En el régimen de crecimiento limitado por transporte de masa en el que normalmente operan los reactores MOCVD, el crecimiento es impulsado por la sobresaturación de especies químicas en la fase de vapor. [4] MOCVD puede cultivar películas que contienen combinaciones del grupo III y el grupo V , el grupo II y el grupo VI , el grupo IV .
La temperatura de pirólisis requerida aumenta al aumentar 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 pasos atómicos en la superficie.
La presión de vapor de la fuente organometálica 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 masivo. [6]
En la técnica de deposición química de vapor organometálico (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 sobre 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 las paredes del reactor, un revestimiento, un susceptor , unidades de inyección de gas y unidades de control de temperatura. Normalmente, las paredes del reactor están hechas de acero inoxidable o cuarzo. A menudo se utilizan cerámicas o vidrios especiales , como el cuarzo, como revestimiento en la cámara del reactor entre la pared del reactor y el susceptor. Para evitar el sobrecalentamiento, el agua de refrigeración debe fluir 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 está mecanizado a partir de grafito . Para el cultivo de nitruros y materiales relacionados, es necesario un recubrimiento especial, típicamente de nitruro de silicio o carburo de tantalio , sobre el susceptor de grafito para evitar la corrosión por el gas amoníaco (NH 3 ).
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 sostenido por un pedestal, que también actúa como susceptor. El pedestal/susceptor es el origen principal de la energía térmica en la cámara de reacción. Sólo se calienta el susceptor, por lo que los gases no reaccionan antes de alcanzar la superficie caliente de la oblea. El pedestal/susceptor está hecho de un material absorbente de 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 medida transparente a la radiación electromagnética . Sin embargo, las paredes de la cámara de reacción en un reactor de pared fría pueden calentarse indirectamente mediante el calor que irradia desde el pedestal/susceptor caliente, pero permanecerán más frías que el pedestal/susceptor y el sustrato que soporta el pedestal/susceptor.
En el CVD de pared caliente, se calienta toda la cámara. Esto puede ser necesario para que algunos gases se rompan previamente antes de llegar a la superficie de la oblea para permitir que se adhieran a la oblea.
El gas se introduce mediante dispositivos conocidos como 'burbujeadores'. En un burbujeador, se burbujea un gas portador (generalmente 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 del gas portador y de la temperatura del burbujeador , y generalmente se controla de forma automática y más precisa mediante el uso de un sistema de control de gas de retroalimentación que mide la concentración ultrasónica. Se debe tener en cuenta los vapores saturados .
Sistema de extracción y limpieza de gases . Los productos de desecho tóxicos deben convertirse en desechos líquidos o sólidos para su reciclaje (preferiblemente) o eliminación. Lo ideal sería que los procesos se diseñaran para minimizar la producción de productos de desecho.
A medida que MOCVD se ha convertido en una tecnología de producción bien establecida, existen preocupaciones igualmente crecientes asociadas con su relación con la seguridad del personal y la comunidad, el impacto ambiental y las cantidades máximas de materiales peligrosos (como gases y organometálicos) permitidas en las operaciones de fabricación del dispositivo. La seguridad y el cuidado ambiental responsable se han convertido en factores de suma importancia en el crecimiento de cristales de semiconductores compuestos basados en MOCVD. A medida que creció la aplicación de esta técnica en la industria, varias empresas también crecieron y evolucionaron a lo largo de los años para proporcionar el equipo auxiliar necesario para reducir el riesgo. Este equipo incluye, entre otros, sistemas automatizados por computadora de suministro de gases y productos químicos, sensores de detección de gases tóxicos y portadores que pueden detectar cantidades de gas de un solo dígito en ppb y, por supuesto, equipos 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]