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Epitaxia

La epitaxia (el prefijo epi- significa "encima de") es un tipo de crecimiento cristalino o deposición de material en el que se forman nuevas capas cristalinas con una o más orie...

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La epitaxia (el prefijo epi- significa "encima de") es un tipo de crecimiento cristalino o deposición de material en el que se forman nuevas capas cristalinas con una o más orientaciones bien definidas con respecto a la capa semilla cristalina. La película cristalina depositada se denomina película epitaxial o capa epitaxial. La(s) orientación(es) relativa(s) de la capa epitaxial con respecto a la capa semilla se define(n) en términos de la orientación de la red cristalina de cada material. Para la mayoría de los crecimientos epitaxiales, la nueva capa suele ser cristalina y cada dominio cristalográfico de la capa superior debe tener una orientación bien definida con respecto a la estructura cristalina del sustrato. La epitaxia puede involucrar estructuras monocristalinas, aunque se ha observado epitaxia grano a grano en películas granulares. [ 1 ] [ 2 ] Para la mayoría de las aplicaciones tecnológicas, se prefiere la epitaxia de dominio único, que es el crecimiento de un cristal de capa superior con una orientación bien definida con respecto al cristal del sustrato . La epitaxia también puede desempeñar un papel importante en el crecimiento de estructuras de superred. [ 3 ]

El término epitaxia proviene de las raíces griegas epi (ἐπί), que significa "arriba", y taxis (τάξις), que significa "de manera ordenada".

Una de las principales aplicaciones comerciales del crecimiento epitaxial se encuentra en la industria de los semiconductores, donde las películas semiconductoras se cultivan epitaxialmente sobre obleas de sustrato semiconductor. [ 4 ] En el caso del crecimiento epitaxial de una película plana sobre una oblea de sustrato, la red de la película epitaxial tendrá una orientación específica con respecto a la red cristalina de la oblea de sustrato, como el índice de Miller [001] de la película alineado con el índice [001] del sustrato . En el caso más simple, la capa epitaxial puede ser una continuación del mismo compuesto semiconductor que el sustrato; esto se denomina homoepitaxia. De lo contrario, la capa epitaxial estará compuesta de un compuesto diferente; esto se denomina heteroepitaxia.

Tipos

La homoepitaxia es un tipo de epitaxia que se realiza con un solo material, en la que se forma una película cristalina sobre un sustrato o película del mismo material. Esta tecnología se utiliza a menudo para obtener una película más pura que el sustrato y para fabricar capas con diferentes niveles de dopaje . En la literatura académica, la homoepitaxia se abrevia comúnmente como "homoepi".

La homopotaxia es un proceso similar a la homoepitaxia, con la diferencia de que el crecimiento de la película delgada no se limita al crecimiento bidimensional. En este caso, el sustrato es el material de la película delgada.

La heteroepitaxia es un tipo de epitaxia que se realiza con materiales diferentes entre sí. En la heteroepitaxia, una película cristalina crece sobre un sustrato cristalino o sobre una película de un material diferente. Esta tecnología se utiliza a menudo para cultivar películas cristalinas de materiales para los que no se pueden obtener cristales de otra manera y para fabricar capas cristalinas integradas de diferentes materiales. Algunos ejemplos son el silicio sobre zafiro , el nitruro de galio (GaN) sobre zafiro , el fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) sobre arseniuro de galio (GaAs), diamante o iridio , [ 5 ] y el grafeno sobre nitruro de boro hexagonal (hBN). [ 6 ]

La heteroepitaxia se produce cuando una película de diferente composición y/o películas cristalinas crecen sobre un sustrato. En este caso, la cantidad de tensión en la película está determinada por el desajuste de la red Ԑ:

ε=aF−asaF{\displaystyle \varepsilon ={\frac {a_{f}-a_{s}}{a_{f}}}}

DóndeaF{\displaystyle a_{f}}y as{\displaystyle a_{s}}son las constantes de red de la película y del sustrato. La película y el sustrato podrían tener espaciados de red similares pero también diferentes coeficientes de expansión térmica. Si una película se cultiva a alta temperatura, puede experimentar grandes deformaciones al enfriarse a temperatura ambiente. En realidad,ε<9%{\displaystyle \varepsilon <9\%}es necesario para obtener epitaxia. Siε{\displaystyle \varepsilon }Si es mayor que eso, la película experimenta una deformación volumétrica que se acumula con cada capa hasta alcanzar un espesor crítico. Con el aumento del espesor, la deformación elástica en la película se alivia mediante la formación de dislocaciones, que pueden convertirse en centros de dispersión que dañan la calidad de la estructura. La heteroepitaxia se utiliza comúnmente para crear los llamados sistemas de banda prohibida gracias a la energía adicional causada por la deformación. Las capas epitaxiales de silicio-germanio se utilizan ampliamente en la microelectrónica CMOS y la fotónica de silicio . [ 7 ]

La heterotopotaxia es un proceso similar a la heteroepitaxia, con la diferencia de que el crecimiento de películas delgadas no se limita al crecimiento bidimensional; el sustrato solo es similar en estructura al material de la película delgada.

La pendeoepitaxia es un proceso en el que la película heteroepitaxial crece vertical y lateralmente de forma simultánea. En heteroestructuras cristalinas 2D, las nanocintas de grafeno incrustadas en nitruro de boro hexagonal [ 8 ] [ 9 ] constituyen un ejemplo de pendeoepitaxia.

La epitaxia grano a grano implica el crecimiento epitaxial entre los granos de una capa epitaxial multicristalina y una capa semilla. [ 1 ] [ 2 ] Esto suele ocurrir cuando la capa semilla solo tiene una textura fuera del plano, pero no en el plano. En tal caso, la capa semilla consta de granos con diferentes texturas en el plano. La capa epitaxial superior crea entonces texturas específicas a lo largo de cada grano de la capa semilla, debido al acoplamiento de la red cristalina. Este tipo de crecimiento epitaxial no involucra películas monocristalinas.

La epitaxia se utiliza en los procesos de fabricación basados ​​en silicio para transistores de unión bipolar (BJT) y semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) modernos, pero es particularmente importante para semiconductores compuestos como el arseniuro de galio . Los problemas de fabricación incluyen el control de la cantidad y uniformidad de la resistividad y el espesor de la deposición, la limpieza y pureza de la superficie y la atmósfera de la cámara, la prevención de la difusión del dopante desde la oblea de sustrato, que suele estar mucho más dopada, hacia las nuevas capas, las imperfecciones del proceso de crecimiento y la protección de las superficies durante la fabricación y la manipulación.

Mecanismo

Figura 1. Vistas en sección transversal de los tres modos principales de crecimiento de película delgada, que incluyen (a) Volmer-Weber (VW: formación de islas), (b) Frank-van der Merwe (FM: capa por capa) y (c) Stranski-Krastanov (SK: capa más isla). Cada modo se muestra para diferentes cantidades de cobertura superficial, Θ.

El crecimiento heteroepitaxial se clasifica en tres modos de crecimiento primarios: Volmer-Weber (VW), Frank-van der Merwe (FM) y Stranski-Krastanov (SK). [ 10 ] [ 11 ]

En el régimen de crecimiento VW, la película epitaxial crece a partir de núcleos tridimensionales en la superficie de crecimiento. En este modo, las interacciones adsorbato-adsorbato son más fuertes que las interacciones adsorbato-superficie, lo que da lugar a la formación de islas por nucleación local, y la capa epitaxial se forma cuando las islas se unen.

En el modo de crecimiento FM, las interacciones adsorbato-superficie y adsorbato-adsorbato están equilibradas, lo que promueve el crecimiento epitaxial bidimensional capa por capa o por flujo escalonado.

El modo SK es una combinación de los modos VW y FM. En este mecanismo, el crecimiento se inicia en el modo FM, formando capas 2D, pero tras alcanzar un espesor crítico, entra en un régimen de crecimiento de islas 3D similar al del modo VW.

Sin embargo, el crecimiento epitaxial práctico tiene lugar en un régimen de alta sobresaturación, lejos del equilibrio termodinámico. En ese caso, el crecimiento epitaxial se rige por la cinética de los adátomos en lugar de la termodinámica, y el crecimiento por flujo de escalones 2D se vuelve dominante. [ 11 ]

Métodos

Fase de vapor

Figura 1: Procesos básicos dentro de las cámaras de crecimiento de a) MOVPE, b) MBE y c) CBE.

El crecimiento homoepitaxial de películas delgadas semiconductoras generalmente se realiza mediante métodos de deposición química o física de vapor que suministran los precursores al sustrato en estado gaseoso. Por ejemplo, el silicio se deposita más comúnmente a partir de tetracloruro de silicio (o tetracloruro de germanio ) e hidrógeno a aproximadamente 1200 a 1250  °C: [ 12 ]

SiCl 4 (g) + 2H 2 (g) ↔ Si (s) + 4HCl (g)

donde (g) y (s) representan las fases gaseosa y sólida, respectivamente. Esta reacción es reversible y la velocidad de crecimiento depende en gran medida de la proporción de los dos gases precursores. Las velocidades de crecimiento superiores a 2 micrómetros por minuto producen silicio policristalino, y pueden producirse velocidades de crecimiento negativas ( grabado ) si hay demasiado cloruro de hidrógeno como subproducto. (El cloruro de hidrógeno puede añadirse intencionadamente para grabar la oblea). Una reacción de grabado adicional compite con la reacción de deposición:

SiCl 4 (g) + Si (s) ↔ 2SiCl 2 (g)

La VPE de silicio también puede utilizar gases precursores de silano , diclorosilano y triclorosilano . Por ejemplo, la reacción del silano se produce a 650  °C de esta manera:

SiH₄ → Si + 2H₂

La VPE se clasifica a veces según la química de los gases precursores, como la VPE de hidruros (HVPE) y la VPE organometálica (MOVPE o MOCVD).

La cámara de reacción donde tiene lugar este proceso puede calentarse mediante lámparas ubicadas fuera de la cámara. [ 13 ] Una técnica común utilizada en el crecimiento de semiconductores compuestos es la epitaxia de haces moleculares (MBE). En este método, un material fuente se calienta para producir un haz de partículas evaporadas , que viajan a través de un vacío muy alto (10 −8 Pa ; prácticamente espacio libre) hasta el sustrato e inician el crecimiento epitaxial. [ 14 ] [ 15 ] La epitaxia de haces químicos , por otro lado, es un proceso de ultra alto vacío que utiliza precursores en fase gaseosa para generar el haz molecular. [ 16 ]

Otra técnica muy utilizada en microelectrónica y nanotecnología es la epitaxia de capas atómicas , en la que se introducen alternativamente gases precursores en una cámara mediante pulsos, lo que da lugar al crecimiento de monocapas atómicas por saturación de la superficie y quimisorción .

Fase líquida

La epitaxia en fase líquida (EPL) es un método para cultivar capas de cristales semiconductores a partir de la fusión sobre sustratos sólidos. Esto ocurre a temperaturas muy inferiores al punto de fusión del semiconductor depositado. El semiconductor se disuelve en la fusión de otro material. En condiciones cercanas al equilibrio entre disolución y deposición, la deposición del cristal semiconductor sobre el sustrato es relativamente rápida y uniforme. El sustrato más utilizado es el fosfuro de indio (InP). Otros sustratos, como el vidrio o la cerámica, pueden emplearse para aplicaciones especiales. Para facilitar la nucleación y evitar tensiones en la capa crecida, el coeficiente de dilatación térmica del sustrato y de la capa crecida debe ser similar.

La epitaxia centrífuga en fase líquida se utiliza comercialmente para fabricar capas delgadas de silicio , germanio y arseniuro de galio . [ 17 ] [ 18 ] El crecimiento de películas formadas centrífugamente es un proceso utilizado para formar capas delgadas de materiales mediante el uso de una centrífuga . El proceso se ha utilizado para crear silicio para células solares de película delgada [ 19 ] [ 20 ] y fotodetectores de infrarrojo lejano. [ 21 ] La temperatura y la velocidad de giro de la centrífuga se utilizan para controlar el crecimiento de la capa. [ 18 ] La LPE centrífuga tiene la capacidad de crear gradientes de concentración de dopantes mientras la solución se mantiene a temperatura constante. [ 22 ]

Fase sólida

La epitaxia en fase sólida (SPE) es una transición entre las fases amorfa y cristalina de un material. Generalmente se produce depositando una película de material amorfo sobre un sustrato cristalino y luego calentándola para cristalizarla. El sustrato monocristalino sirve como plantilla para el crecimiento del cristal. El paso de recocido utilizado para recristalizar o reparar capas de silicio amorfizadas durante la implantación iónica también se considera un tipo de epitaxia en fase sólida. La segregación y redistribución de impurezas en la interfaz entre la capa cristalina y la capa amorfa en crecimiento durante este proceso se utiliza para incorporar dopantes de baja solubilidad en metales y silicio. [ 23 ]

Dopaje

Una capa epitaxial puede ser dopada durante la deposición agregando impurezas al gas fuente, tales como arsina , fosfina o diborano . Los dopantes en el gas fuente, liberados por evaporación o grabado húmedo de la superficie, también pueden difundirse en la capa epitaxial y causar autodopaje . La concentración de impureza en la fase gaseosa determina su concentración en la película depositada. El dopaje también puede lograrse mediante una técnica de competencia de sitios, donde las proporciones de precursores de crecimiento se ajustan para mejorar la incorporación de vacantes, especies de dopantes específicos o cúmulos de vacantes-dopantes en la red. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] Además, las altas temperaturas a las que se realiza la epitaxia pueden permitir que los dopantes se difundan en la capa en crecimiento desde otras capas en la oblea ( difusión hacia afuera ).

minerales

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Rutilo epitaxial sobre hematita de casi 6 cm de largo. Bahía , Brasil.

En mineralogía, la epitaxia es el crecimiento de un mineral sobre otro de manera ordenada, de modo que ciertas direcciones cristalográficas de ambos minerales se alinean. Esto ocurre cuando algunos planos en las redes del mineral sobrecrecido y del sustrato tienen espaciamientos atómicos similares . [ 27 ]

Si los cristales de ambos minerales están bien formados, de modo que las direcciones de los ejes cristalográficos son claras, entonces la relación epitáxica puede deducirse simplemente mediante una inspección visual. [ 27 ]

A veces, muchos cristales separados forman el crecimiento epitaxial sobre un único sustrato, y si existe epitaxia, todos los cristales del crecimiento epitaxial tendrán una orientación similar. Sin embargo, lo contrario no es necesariamente cierto. Si los cristales del crecimiento epitaxial tienen una orientación similar, probablemente exista una relación epitaxial, pero no es seguro. [ 27 ]

Algunos autores [ 28 ] consideran que los sobrecrecimientos de una segunda generación de la misma especie mineral también deberían considerarse epitaxia, y esta es una terminología común entre los científicos de semiconductores que inducen el crecimiento epitaxial de una película con un nivel de dopaje diferente sobre un sustrato semiconductor del mismo material. Sin embargo, para los minerales producidos naturalmente, la definición de la Asociación Mineralógica Internacional (IMA) exige que los dos minerales sean de especies diferentes. [ 29 ]

Otra aplicación artificial de la epitaxia es la fabricación de nieve artificial utilizando yoduro de plata , lo cual es posible porque el yoduro de plata hexagonal y el hielo tienen dimensiones celulares similares. [ 28 ]

Minerales isomórficos

Los minerales que tienen la misma estructura ( minerales isomorfos ) pueden tener relaciones epitáxicas. Un ejemplo es la albita NaAlSi3 O8 enmicroclinaKAlSi3 O8. Ambos minerales sontriclínicos, congrupo espacial1y conde celda unitaria, a = 8,16 Å, b = 12,87 Å, c = 7,11 Å, α = 93,45°, β = 116,4°, γ = 90,28° para la albita y a = 8,5784 Å, b = 12,96 Å, c = 7,2112 Å, α = 90,3°, β = 116,05°, γ = 89° para la microclina.

minerales polimórficos

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Rutilo sobre hematita, procedente de Novo Horizonte, Bahía, Región Noreste, Brasil
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Pseudomorfo de hematita a partir de magnetita, con caras epitaxiales escalonadas. La Rioja , Argentina.

Los minerales que tienen la misma composición pero estructuras diferentes ( minerales polimórficos ) también pueden tener relaciones epitáxicas. Ejemplos de ello son la pirita y la marcasita , ambas FeS₂ , y la esfalerita y la wurtzita , ambas ZnS. [ 27 ]

Rutilo sobre hematita

Algunos pares de minerales que no están relacionados estructural o composicionalmente también pueden presentar epitaxia. Un ejemplo típico es el rutilo TiO₂ sobre hematita Fe₂O₃. [27] [30 ] El rutilo es tetragonal y la hematita es trigonal . Sin embargo , existen direcciones de espaciado similar entre los átomos en el plano (100) del rutilo (perpendicular al eje a ) y el plano (001) de la hematita (perpendicular al eje c). En la epitaxia, estas direcciones tienden a alinearse entre sí, lo que resulta en que el eje del crecimiento de rutilo sea paralelo al eje c de la hematita, y el eje c del rutilo sea paralelo a uno de los ejes de la hematita. [ 27 ]

Hematita sobre magnetita

Otro ejemplo es la hematita Fe 3+ 2 O3 enmagnetitaFe 2+Fe 3+ 2 O4. La estructura de la magnetita se basa en anionesde oxígeno compactosapilados en una secuencia ABC-ABC. En este empaquetamiento, las capas compactas son paralelas al plano(111)(un plano que "corta" simétricamente una esquina de un cubo). La estructura de la hematita se basa en aniones de oxígeno compactos apilados en una secuencia AB-AB, lo que da como resultado un cristal con simetría hexagonal. [ 31 ]

Si los cationes fueran lo suficientemente pequeños como para encajar en una estructura verdaderamente compacta de aniones de oxígeno, el espaciado entre los sitios de oxígeno vecinos más cercanos sería el mismo para ambas especies. Sin embargo, el radio del ion oxígeno es de solo 1,36 Å [ 32 ] y los cationes Fe son lo suficientemente grandes como para causar algunas variaciones. Los radios de Fe varían de 0,49 Å a 0,92 Å [ 33 ] , dependiendo de la carga (2+ o 3+) y el número de coordinación (4 u 8). No obstante, los espaciados de O son similares para los dos minerales, por lo que la hematita puede crecer fácilmente en las caras (111) de la magnetita, con la hematita (001) paralela a la magnetita (111) [ 31 ] .

Aplicaciones

La epitaxia se utiliza en nanotecnología y en la fabricación de semiconductores . De hecho, la epitaxia es el único método asequible para el crecimiento de cristales de alta calidad en muchos materiales semiconductores. En ciencia de superficies , la epitaxia se utiliza para crear y estudiar películas monocapa y multicapa de moléculas orgánicas adsorbidas en superficies monocristalinas mediante microscopía de efecto túnel . [ 34 ] [ 35 ]

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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  • epitaxy.net Archivado el 9 de marzo de 2013 en Wayback Machine : un foro central para las comunidades de epitaxia.
  • Procesos de deposición
  • CrystalXE.com : un software especializado en epitaxia.