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Epitaxia en fase gaseosa metalorgánica

Ilustración del proceso La epitaxia en fase vapor metalorgánica ( MOVPE ), también conocida como epitaxia en fase vapor organometálica ( OMVPE ) o deposición química en fase vap...

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Ilustración del proceso

La epitaxia en fase vapor metalorgánica ( MOVPE ), también conocida como epitaxia en fase vapor organometálica ( OMVPE ) o deposición química en fase vapor metalorgánica ( MOCVD ), [ 1 ] es un método de deposición química en fase vapor utilizado para producir películas delgadas monocristalinas o policristalinas. Es un proceso para el crecimiento de capas cristalinas para crear estructuras multicapa semiconductoras complejas. [ 2 ] A diferencia de la epitaxia de haces moleculares (MBE), el crecimiento de cristales se produce por reacción química y no por deposición física. Esto tiene lugar no en el vacío , sino a partir de la fase gaseosa a presiones moderadas (de 10 a 760 Torr ). Por ello, esta técnica es la preferida para la formación de dispositivos que incorporan aleaciones termodinámicamente metaestables , 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 de Autonética de North American Aviation (más tarde Rockwell International ) en Anaheim, California, por Harold M. Manasevit . 

Principios básicos

En el proceso MOCVD, se inyectan gases precursores ultrapuros en un reactor, generalmente junto con un gas portador no reactivo. Para un semiconductor III-V, se puede utilizar un organometálico como precursor del grupo III y un hidruro como precursor del grupo V. Por ejemplo, el fosfuro de indio se puede obtener a partir de precursores de trimetilindio ((CH₃ ) ₃In ) y fosfina (PH₃ ) .

A medida que los precursores se acercan a la oblea semiconductora , sufren pirólisis y las subespecies se adsorben 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 el transporte de masa en el que suelen operar los reactores MOCVD, el crecimiento está impulsado por la sobresaturación de especies químicas en la fase de vapor. [ 4 ] MOCVD puede hacer crecer películas que contienen combinaciones de grupo III y grupo V , grupo II y grupo VI , grupo IV .

La temperatura de pirólisis requerida aumenta con el incremento de 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 escalones atómicos en la superficie.

La presión de vapor de la fuente organometálica del grupo III es un parámetro de control importante para el crecimiento MOCVD, ya que determina la velocidad de crecimiento en el régimen limitado por el transporte de masa. [ 6 ]

Componentes del reactor

aparato MOCVD

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 fabricada con un material que no reacciona con los productos químicos utilizados. Además, debe soportar altas temperaturas. Esta cámara se compone de paredes, revestimiento, un susceptor , unidades de inyección de gas y unidades de control de temperatura. Generalmente, las paredes del reactor están hechas de acero inoxidable o cuarzo. La cerámica o vidrios especiales , como el cuarzo, se utilizan a menudo como revestimiento en la cámara del reactor, entre la pared y el susceptor. Para evitar el sobrecalentamiento, debe circular agua de refrigeración por los canales internos de las paredes del reactor. Un sustrato se coloca sobre un susceptor a temperatura controlada. El susceptor está fabricado con 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, generalmente de nitruro de silicio o carburo de tantalio , sobre el susceptor de grafito para prevenir la corrosión por amoníaco (NH₃ ) .

Un tipo de reactor utilizado para llevar a cabo la deposición química en fase vapor asistida por microondas (MOCVD) es el reactor de pared fría. En este reactor, el sustrato se apoya sobre un pedestal que también actúa como susceptor. El pedestal/susceptor es la principal fuente de energía térmica en la cámara de reacción. Solo el susceptor se calienta, por lo que los gases no reaccionan antes de alcanzar la superficie caliente de la oblea. El pedestal/susceptor está fabricado con un material absorbente de radiación, como el carbono. En cambio, 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 por el calor que irradia el pedestal/susceptor caliente, pero permanecerán más frías que el pedestal/susceptor y el sustrato que este soporta.

En el proceso CVD de pared caliente, toda la cámara se calienta. Esto puede ser necesario para que algunos gases se pre-craqueen antes de llegar a la superficie de la oblea y así puedan adherirse a ella.

Sistema de entrada y conmutación de gas

El gas se introduce mediante dispositivos conocidos como burbujeadores. En un burbujeador, se burbujea un gas portador (generalmente hidrógeno para el crecimiento de arseniuros y fosfuros, o nitrógeno para el crecimiento de nitruros) a través del líquido organometálico , que recoge parte del vapor organometálico y lo transporta al reactor. La cantidad de vapor organometálico transportado depende del caudal del gas portador y de la temperatura / presión del burbujeador , y generalmente se controla de forma automática y con mayor precisión mediante un sistema de control de gas con retroalimentación y medición de concentración por ultrasonidos. Debe tenerse en cuenta la presencia de vapores saturados .

Sistema de mantenimiento de presión

Sistema de extracción y limpieza de gases . Los residuos tóxicos deben transformarse en residuos líquidos o sólidos para su reciclaje (preferiblemente) o eliminación. Idealmente, los procesos se diseñarán para minimizar la generación de residuos.

Precursores organometálicos

Semiconductores cultivados mediante MOCVD

semiconductores III-V

semiconductores II-VI

semiconductores IV

semiconductores IV-V-VI

Medio ambiente, salud y seguridad

A medida que la MOCVD se ha consolidado como una tecnología de producción, también han surgido crecientes preocupaciones en relación con su impacto en la seguridad del personal y la comunidad, el medio ambiente y las cantidades máximas de materiales peligrosos (como gases y compuestos organometálicos) permitidas en las operaciones de fabricación de dispositivos. La seguridad y el cuidado ambiental responsable se han convertido en factores primordiales en el crecimiento de cristales de semiconductores compuestos mediante MOCVD. Con el aumento de la aplicación de esta técnica en la industria, numerosas empresas 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, sensores de detección de gases tóxicos y portadores capaces de detectar cantidades de gas de un solo dígito en ppb, y, por supuesto, equipos de mitigación para capturar completamente los materiales tóxicos que pueden estar presentes en el crecimiento de aleaciones que contienen arsénico, como GaAs e InGaAsP. [ 7 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Epitaxia MOCVD , Johnson Matthey, GPT.
  2. ↑ Cómo funciona la MOCVD. Tecnología de deposición para principiantes, Aixtron, mayo de 2011.
  3. ↑ Kasap, Safa; Capper, Peter (agosto de 2007). Manual Springer de materiales electrónicos y fotónicos . Springer. ISBN 978-0-387-29185-7.
  4. ↑ Gerald B. Stringfellow (2 de diciembre de 2012). Epitaxia organometálica en fase gaseosa: teoría y práctica . Elsevier Science. págs. 3–. ISBN  978-0-323-13917-5.
  5. ↑ Fundamentos y aplicaciones de MOCVD,Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung , 2004.
  6. ↑ Deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD) . Archivado el 27 de septiembre de 2010 en Wayback Machine .
  7. ↑ Para ver ejemplos, consulte los sitios web de Matheson Tri Gas, Honeywell, Applied Energy y DOD Systems.