Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Epitaxia por haces moleculares

Un esquema sencillo que muestra la disposición de la cámara principal en un sistema de epitaxia por haces moleculares. Sistema de epitaxia de haces moleculares en el Laboratorio...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita
Un esquema sencillo que muestra la disposición de la cámara principal en un sistema de epitaxia por haces moleculares.
Primer plano de un complejo instrumento científico de acero inoxidable con múltiples cámaras de vacío, bridas circulares, cables y puertos etiquetados, iluminado con una luz púrpura y roja intensa, lo que sugiere un sistema de laboratorio de alta precisión, como un equipo de epitaxia de haces moleculares o de deposición al vacío.
Sistema de epitaxia de haces moleculares en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT

La epitaxia de haces moleculares ( MBE ) es un método de epitaxia para la deposición de películas delgadas de monocristales . La MBE se utiliza ampliamente en la fabricación de dispositivos semiconductores , incluidos los transistores . [ 1 ] La MBE se utiliza para fabricar diodos y MOSFET ( transistores de efecto de campo MOS ) en frecuencias de microondas , y para fabricar los láseres utilizados para leer discos ópticos (como CD y DVD ). [ 2 ]

Historia

Las ideas originales del proceso MBE fueron establecidas por primera vez por KG Günther. [ 3 ] Las películas que depositó no eran epitaxiales, sino que se depositaron sobre sustratos de vidrio. Con el desarrollo de la tecnología de vacío, el proceso MBE fue demostrado por John Davey y Titus Pankey, quienes lograron cultivar películas epitaxiales de GaAs sobre sustratos monocristalinos de GaAs utilizando el método de Günther. El desarrollo posterior de las películas MBE fue posible gracias a las investigaciones de JR Arthur sobre el comportamiento cinético de los mecanismos de crecimiento y a la observación in situ del proceso MBE realizada por Alfred Y. Cho mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) a finales de la década de 1960. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Método

La epitaxia por haces moleculares se lleva a cabo en alto vacío o ultra alto vacío (10⁻⁸ – 10⁻¹² Torr ) . El aspecto más importante de un proceso MBE es la velocidad de deposición (normalmente inferior a 3000 nm por hora), que permite que las películas crezcan epitaxialmente (en capas sobre el cristal existente). Estas velocidades de deposición requieren un vacío proporcionalmente mejor para lograr los mismos niveles de impurezas que otras técnicas de deposición. La ausencia de gases portadores, así como el entorno de ultra alto vacío, dan como resultado la máxima pureza posible en las películas cultivadas.  

Islas de plata de un átomo de espesor depositadas sobre la superficie (111) de paladio mediante evaporación térmica. El sustrato, a pesar de haber recibido un pulido espejo y un recocido al vacío, presenta una serie de terrazas. La calibración de la cobertura se logró midiendo el tiempo necesario para completar una monocapa completa mediante microscopía de efecto túnel (STM) y observando la aparición de estados de pozo cuántico característicos del espesor de la película de plata en espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES). El tamaño de la imagen es de 250 nm x 250 nm. [ 7 ]

En la MBE de fuente sólida, elementos como el galio y el arsénico , en forma ultrapura, se calientan en celdas de efusión cuasi-Knudsen separadas o en evaporadores de haz de electrones hasta que comienzan a sublimarse lentamente . Los elementos gaseosos se condensan sobre la oblea, donde pueden reaccionar entre sí. En el caso del galio y el arsénico, se forma arseniuro de galio monocristalino . Cuando se utilizan fuentes de evaporación como el cobre o el oro, los elementos gaseosos que inciden sobre la superficie pueden adsorberse (tras un intervalo de tiempo en el que los átomos incidentes se desplazan por la superficie) o reflejarse. Los átomos de la superficie también pueden desorberse. Controlar la temperatura de la fuente controlará la velocidad de incidencia del material sobre la superficie del sustrato, y la temperatura del sustrato afectará la velocidad de desplazamiento o desorción. El término "haz" significa que los átomos evaporados no interactúan entre sí ni con los gases de la cámara de vacío hasta que alcanzan la oblea, debido a la gran longitud del recorrido libre medio de los átomos.

Durante el proceso, se suele utilizar la difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) para monitorizar el crecimiento de las capas cristalinas. Un ordenador controla las compuertas situadas delante de cada horno , lo que permite un control preciso del grosor de cada capa, hasta una sola capa de átomos. De esta forma, se pueden fabricar estructuras complejas de capas de diferentes materiales. Este control ha posibilitado el desarrollo de estructuras donde los electrones pueden confinarse en el espacio, dando lugar a pozos cuánticos o incluso puntos cuánticos . Estas capas son ahora un componente fundamental de muchos dispositivos semiconductores modernos , incluidos los láseres semiconductores y los diodos emisores de luz .

En los sistemas donde se requiere enfriar el sustrato, el entorno de ultra alto vacío dentro de la cámara de crecimiento se mantiene mediante un sistema de criobombas y criopaneles, enfriados con nitrógeno líquido o gas nitrógeno frío a una temperatura cercana a los 77 kelvin (−196 grados Celsius ). Las superficies frías actúan como sumidero de impurezas en el vacío, por lo que se necesitan niveles de vacío varios órdenes de magnitud mejores para depositar películas en estas condiciones. En otros sistemas, las obleas sobre las que se cultivan los cristales pueden montarse en un plato giratorio, que puede calentarse a varios cientos de grados Celsius durante el funcionamiento.  

La epitaxia de haces moleculares (MBE) también se utiliza para la deposición de algunos tipos de semiconductores orgánicos . En este caso, las moléculas, en lugar de los átomos, se evaporan y depositan sobre la oblea. Otras variantes incluyen la MBE con fuente de gas , que se asemeja a la deposición química en fase vapor .

Sistema de epitaxia de haces moleculares Veeco Gen II en el FZU – Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias . El sistema está diseñado para el crecimiento de semiconductores monocristalinos, heteroestructuras semiconductoras, materiales para espintrónica y otros sistemas de materiales compuestos que contienen Al , Ga , As , P , Mn , Cu , Si y C.

Los sistemas MBE también pueden modificarse según las necesidades. Por ejemplo, se pueden incorporar fuentes de oxígeno para depositar materiales de óxido para aplicaciones electrónicas, magnéticas y ópticas avanzadas. [ 8 ] Se utiliza un haz molecular de un oxidante o una fuente de oxígeno gaseoso/radical/ozono para lograr el estado de oxidación deseado de un óxido multicomponente.

nanoestructuras cuánticas

Uno de los logros de la epitaxia de haces moleculares son las nanoestructuras que permiten la formación de heterointerfaces abruptas y atómicamente planas . Más recientemente, la construcción de nanocables y estructuras cuánticas integradas en ellos permite el procesamiento de información y la posible integración con aplicaciones en chip para la comunicación y computación cuántica. [ 9 ] Estos láseres de nanocables con heteroestructuras solo se pueden construir utilizando técnicas avanzadas de MBE, lo que permite la integración monolítica en silicio [ 10 ] y el procesamiento de señales de picosegundos. [ 11 ]

Inestabilidad de Asaro-Tiller-Grinfeld

La inestabilidad de Asaro-Tiller-Grinfeld (ATG), también conocida como inestabilidad de Grinfeld, es una inestabilidad elástica frecuente durante la epitaxia de haces moleculares. Si existe una discrepancia entre el tamaño de la red cristalina de la película en crecimiento y el cristal de soporte, se acumulará energía elástica en la película. A cierta altura crítica, la energía libre de la película puede disminuir si esta se fragmenta en islas aisladas, donde la tensión se relaja lateralmente. La altura crítica depende del módulo de Young , la magnitud de la discrepancia y la tensión superficial.

Se han investigado algunas aplicaciones de esta inestabilidad, como el autoensamblaje de puntos cuánticos. Algunas comunidades utilizan el nombre de crecimiento de Stranski-Krastanov para referirse al ATG.

Véase también

Gente

Temas técnicos

Notas

  1. ↑ McCray, WP (2007). "MBE merece un lugar en los libros de historia". Nature Nanotechnology . 2 (5): 259– 261. Bibcode : 2007NatNa...2..259M . doi : 10.1038/nnano.2007.121 . PMID 18654274 . S2CID 205442147 .  
  2. ↑ "Alfred Y. Cho" . Salón Nacional de la Fama de los Inventores . Consultado el 17 de agosto de 2019 .
  3. ^ Günther, KG (1 de diciembre de 1958). "Aufdampfschidhten aus halbleitenden III-V-Verbindungen" . Zeitschrift für Naturforschung A. 13 (12): 1081– 1089. Bibcode : 1958ZNatA..13.1081G . doi : 10.1515/zna-1958-1210 . ISSN 1865-7109 . S2CID 97543040 .  
  4. ↑ Davey, John E.; Pankey, Titus (1968). "Películas epitaxiales de GaAs depositadas por evaporación al vacío". J. Appl. Phys . 39 (4): 1941– 1948. Bibcode : 1968JAP....39.1941D . doi : 10.1063/1.1656467 .
  5. ^ Cho, AY; Arthur, JR Jr. (1975). "Epitaxia de haz molecular". Prog. Química de estado sólido . 10 : 157– 192. doi : 10.1016/0079-6786(75)90005-9 .
  6. ^ Gwo-Ching Wang; Toh-Ming Lu (2013). Modo de transmisión RHEED y cifras polares . doi : 10.1007/978-1-4614-9287-0 . ISBN 978-1-4614-9286-3.
  7. ↑ Trontl, V. Mikšić; Pletikosić, I.; Milun, M.; Pervan, P.; Lazić, P.; Šokčević, D.; Brako, R. (2005-12-16). "Estudio experimental y ab initio de las propiedades estructurales y electrónicas de películas de Ag de espesor subnanométrico sobre Pd(111)". Physical Review B . 72 (23) 235418. Bibcode : 2005PhRvB..72w5418T . doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418 .
  8. ↑ J. Palakkal, A. Arzumanov, R. Xie, Z. Li, N. Hadaeghi, T. Wagner, T. Jiang, Y. Ruan, G. Cherkashinin, LM Luna, H. Zhang, L. Alff 'Ingeniería de la no estequiometría de las propiedades eléctricas y ópticas del SrNbO3 mediante epitaxia de haces moleculares de óxido', Advanced Functional Materials, 2025, 2419990, https://doi.org/10.1002/adfm.202419990
  9. ↑ Mata, María de la; Zhou, Xiang; Furtmayr, Florian; Teubert, Jörg; Gradečak, Silvija; Eickhoff, Martín; Fontcuberta y Morral, Anna ; Arbiol, Jordi (2013). "Una revisión de estructuras cuánticas 0D, 1D y 2D cultivadas con MBE en un nanocables" . Revista de Química de Materiales C. 1 (28): 4300. Código bibliográfico : 2013JMCC....1.4300D . doi : 10.1039/C3TC30556B .
  10. ↑ Mayer, B.; Janker, L.; Loitsch, B.; Treu, J.; Kostenbader, T.; Lichtmannecker, S.; Reichert, T.; Morkötter, S.; Kaniber, M.; Abstreiter, G.; Gies, C.; Koblmüller, G.; Finley, JJ (2016). "Láseres de nanocables de alto β integrados monolíticamente en silicio". Nano Letters . 16 (1): 152– 156. Bibcode : 2016NanoL..16..152M . doi : 10.1021/acs.nanolett.5b03404 . PMID 26618638 . 
  11. ↑ Mayer, B., et al. "Sincronización de fase mutua a largo plazo de pares de pulsos de picosegundos generados por un láser de nanocables semiconductores" . Nature Communications 8 (2017): 15521.

Referencias

  • Jaeger, Richard C. (2002). "Deposición de películas". Introducción a la fabricación microelectrónica (2.ª  ed.). Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 978-0-201-44494-0.
  • McCray, WP (2007). "MBE merece un lugar en los libros de historia". Nature Nanotechnology . 2 (5): 259– 261. Bibcode : 2007NatNa...2..259M . doi : 10.1038/nnano.2007.121 . PMID 18654274 . S2CID 205442147 .  
  • Shchukin, Vitaliy A.; Dieter Bimberg (1999). "Ordenamiento espontáneo de nanoestructuras en superficies cristalinas". Reviews of Modern Physics . 71 (4): 1125– 1171. Bibcode : 1999RvMP...71.1125S . doi : 10.1103/RevModPhys.71.1125 .
  • Stangl, J.; V. Holý; G. Bauer (2004). "Propiedades estructurales de nanoestructuras semiconductoras autoorganizadas" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 76 (3): 725– 783. Bibcode : 2004RvMP...76..725S . doi : 10.1103/RevModPhys.76.725 .

Lecturas adicionales

  • Frigeri, P.; Seravalli, L.; Trevisi, G.; Franchi, S. (2011). "3.12: Epitaxia de haz molecular: descripción general". En Pallab Bhattacharya; Roberto Fornari; Hiroshi Kamimura (eds.). Ciencia y tecnología integrales de semiconductores . vol.  3. Ámsterdam: Elsevier. págs. 480– 522. doi : 10.1016/B978-0-44-453153-7.00099-7 . ISBN  978-0-444-53153-7.
  • Nanocables de silicio y germanio mediante epitaxia de haces moleculares
  • Grupo MBE de la Universidad de Texas (Introducción al crecimiento de MBE)
  • Física de películas delgadas: epitaxia por haces moleculares (apuntes de clase)
  • CrystalXE: Un software especializado en epitaxia