Ingeniería de deformación

La ingeniería de deformación se refiere a una estrategia general empleada en la fabricación de semiconductores para mejorar el rendimiento de los dispositivos. Los beneficios en el rendimiento se logran modulando la deformación , por ejemplo, en el canal del transistor , lo que aumenta la movilidad de los electrones (o de los huecos) y, por lo tanto, la conductividad a través del canal. Otro ejemplo son los fotocatalizadores semiconductores con ingeniería de deformación para un uso más eficaz de la luz solar. ^{[ 1 ]}

El uso de diversas técnicas de ingeniería de deformación ha sido reportado por muchos fabricantes de microprocesadores prominentes , incluyendo AMD , IBM e Intel , principalmente en relación con  tecnologías sub-130 nm. Una consideración clave en el uso de la ingeniería de deformación en tecnologías CMOS es que PMOS y NMOS responden de manera diferente a distintos tipos de deformación. Específicamente, el rendimiento de PMOS se obtiene mejor aplicando deformación compresiva al canal, mientras que NMOS se beneficia de la deformación de tracción. ^{[ 2 ]} Muchos enfoques de ingeniería de deformación inducen deformación localmente, lo que permite modular la deformación de canal n y canal p de forma independiente.

Un enfoque destacado implica el uso de una capa de recubrimiento que induce tensión. El nitruro de silicio CVD es una opción común para una capa de recubrimiento tensionada, ya que la magnitud y el tipo de tensión (por ejemplo, de tracción frente a compresión) se pueden ajustar modulando las condiciones de deposición, especialmente la temperatura. ^{[ 3 ]} Se pueden utilizar técnicas de litografía estándar para depositar selectivamente capas de recubrimiento que inducen tensión, para depositar una película compresiva solo sobre el PMOS, por ejemplo.

Las capas de recubrimiento son clave para el enfoque Dual Stress Liner (DSL) presentado por IBM-AMD. En el proceso DSL, se utilizan técnicas estándar de modelado y litografía para depositar selectivamente una película de nitruro de silicio de tracción sobre el NMOS y una película de nitruro de silicio de compresión sobre el PMOS.

Un segundo enfoque destacado implica el uso de una solución sólida rica en silicio , especialmente silicio- germanio , para modular la tensión del canal. Un método de fabricación consiste en el crecimiento epitaxial de silicio sobre una subcapa relajada de silicio-germanio. Se induce tensión de tracción en el silicio a medida que la red de la capa de silicio se estira para imitar la constante de red mayor del silicio-germanio subyacente. Por el contrario, se podría inducir tensión de compresión utilizando una solución sólida con una constante de red menor, como silicio-carbono. Véase, por ejemplo, la patente estadounidense n.° 7,023,018. Otro método estrechamente relacionado consiste en reemplazar la región de fuente y drenaje de un MOSFET con silicio-germanio. ^{[ 4 ]}

La deformación puede inducirse en películas delgadas mediante crecimiento epitaxial o, más recientemente, mediante crecimiento topológico.

La deformación epitaxial en películas delgadas generalmente surge debido al desajuste de red entre la película y su sustrato y la reestructuración de la triple unión en la unión triple superficial, que surge ya sea durante el crecimiento de la película o debido al desajuste de expansión térmica . ^{[ 5 ]} Ajustar esta deformación epitaxial se puede utilizar para moderar las propiedades de las películas delgadas e inducir transiciones de fase. El parámetro de desajuste (${\displaystyle f}$) viene dada por la siguiente ecuación: ^{[ 6 ]}

${\ Displaystyle f = (a_ {s} -a_ {e}) / a_ {e}}$

dónde${\displaystyle a_{e}}$es el parámetro de red de la película epitaxial y${\displaystyle a_{s}}$es el parámetro de red del sustrato. Después de cierto espesor crítico de la película, se vuelve energéticamente favorable aliviar cierta tensión de desajuste mediante la formación de dislocaciones de desajuste o microtwins. Las dislocaciones de desajuste pueden interpretarse como un enlace colgante en una interfaz entre capas con diferentes constantes de red. Este espesor crítico (${\displaystyle h_{c}}$) fue calculado por Mathews y Blakeslee como:

${\displaystyle h_{c}={\frac {b(2-\nu cos^{2}\alpha )[ln(h_{c}/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}$

dónde${\displaystyle b}$es la longitud del vector Burgers ,${\displaystyle \nu }$es la relación de Poisson,${\displaystyle \alpha }$es el ángulo entre el vector de Burgers y la línea de dislocación de desajuste, y${\displaystyle \lambda }$es el ángulo entre el vector de Burgers y el vector normal al plano de deslizamiento de la dislocación. La deformación de equilibrio en el plano para una película delgada con un espesor (${\displaystyle h}$) que excede${\displaystyle h_{c}}$entonces viene dada por la expresión:

${\displaystyle \epsilon _{||}={\frac {f}{|f|}}{\frac {b(1-\nu cos^{2}(\alpha )[ln(h/b)+1]}{8\pi |f|(1+\nu )cos\lambda }}}$

La relajación de la tensión en las interfaces de películas delgadas mediante la nucleación y multiplicación de dislocaciones de desajuste se produce en tres etapas que se distinguen según la velocidad de relajación. La primera etapa está dominada por el deslizamiento de dislocaciones preexistentes y se caracteriza por una velocidad de relajación lenta. La segunda etapa tiene una velocidad de relajación más rápida, que depende de los mecanismos de nucleación de dislocaciones en el material. Finalmente, la última etapa representa una saturación en la relajación de la tensión debido al endurecimiento por deformación. ^{[ 7 ]}

La ingeniería de deformación se ha estudiado ampliamente en sistemas de óxidos complejos , en los que la deformación epitaxial puede influir fuertemente en el acoplamiento entre los grados de libertad de espín, carga y orbitales, y por lo tanto impactar las propiedades eléctricas y magnéticas. Se ha demostrado que la deformación epitaxial induce transiciones metal-aislante y desplaza la temperatura de Curie para la transición antiferromagnética-ferromagnética en${\displaystyle {\ce {La_{1-x}Sr_{x}MnO_{3}}}}$[ ^{8 ] En películas delgadas de aleación, se ha observado que la deformación epitaxial afecta la inestabilidad espinodal y, por lo tanto ,} la fuerza impulsora de la separación de fases. Esto se explica como un acoplamiento entre la deformación epitaxial impuesta y las propiedades elásticas del sistema que dependen de la composición. ^{[ 9 ]}

Más recientemente, los investigadores han logrado una deformación en películas de óxido gruesas mayor que la obtenida en el crecimiento epitaxial mediante la incorporación de topologías nanoestructuradas (Guerra y Vezenov, 2002) ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} y nanobarras/nanopilares dentro de una matriz de película de óxido. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Tras este trabajo, investigadores de todo el mundo han creado tales estructuras de nanobarras/nanopilares autoorganizadas y separadas en fases en numerosas películas de óxido, como se revisa aquí. ^{[ 15 ]} En 2008, Thulin y Guerra ^{[ 16 ]} publicaron cálculos de estructuras de bandas de dióxido de titanio anatasa modificadas por deformación, que incluían una mayor movilidad de huecos indicada con el aumento de la deformación. Además, en materiales bidimensionales como WSe_{Se ha demostrado que la deformación 2} induce la conversión de un semiconductor indirecto a un semiconductor directo, lo que permite un aumento de cien veces en la tasa de emisión de luz. ^{[ 17 ]}

La ingeniería de deformación juega un papel fundamental en los LED III-N , una de las variedades de LED más comunes y eficientes, cuya popularidad se disparó tras el Premio Nobel de Física de 2014. La mayoría de los LED III-N utilizan una combinación de GaN e InGaN , empleando este último la región del pozo cuántico . La composición de In dentro de la capa de InGaN se puede ajustar para modificar el color de la luz emitida por estos LED. ^{[ 18 ]} Sin embargo, las capas epitaxiales del pozo cuántico del LED presentan constantes de red intrínsecamente desajustadas , lo que genera deformación entre las capas. Debido al efecto Stark de confinamiento cuántico (QCSE), las funciones de onda de electrones y huecos se desalinean dentro del pozo cuántico, lo que resulta en una integral de solapamiento reducida, una menor probabilidad de recombinación y una mayor vida útil de los portadores. Por lo tanto, la aplicación de una deformación externa puede contrarrestar la deformación interna del pozo cuántico, reduciendo la vida útil de los portadores y convirtiendo a los LED en una fuente de luz más atractiva para comunicaciones y otras aplicaciones que requieren velocidades de modulación rápidas. ^{[ 19 ]}

Mediante una ingeniería de deformación adecuada, es posible cultivar LEDs III-N sobre sustratos de Si. Esto se puede lograr mediante plantillas con deformación relajada, superredes y pseudosustratos. ^{[ 20 ]} Además, los sustratos metálicos electrodepositados también han demostrado ser prometedores para aplicar una deformación de contrapeso externa y así aumentar la eficiencia general del LED. ^{[ 21 ]}

Por lo general, la deformación elástica máxima alcanzable en materiales masivos normales oscila entre el 0,1 % y el 1 %. Esto limita nuestra capacidad para modificar eficazmente las propiedades del material de forma reversible y cuantitativa mediante la deformación. Sin embargo, investigaciones recientes sobre materiales a nanoescala han demostrado que el rango de deformación elástica es mucho más amplio. Incluso el material más duro de la naturaleza, el diamante , ^{[ 23 ]} exhibe hasta un 9,0 % de deformación elástica uniforme a nanoescala. ^{[ 24 ]} En consonancia con la ley de Moore , los dispositivos semiconductores se reducen continuamente de tamaño hasta la nanoescala. Con el concepto de "lo más pequeño es más fuerte", ^{[ 25 ]} la ingeniería de deformación elástica puede explotarse plenamente a nanoescala.

En la ingeniería de deformación elástica a nanoescala, la dirección cristalográfica juega un papel crucial. La mayoría de los materiales son anisotrópicos, lo que significa que sus propiedades varían con la dirección. Esto es particularmente cierto en la ingeniería de deformación elástica, ya que aplicar deformación en diferentes direcciones cristalográficas puede tener un impacto significativo en las propiedades del material. Tomando el diamante como ejemplo, las simulaciones de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) demuestran comportamientos distintos en las tasas de disminución de la banda prohibida cuando se deforma a lo largo de diferentes direcciones. La deformación a lo largo de la dirección <110> resulta en una tasa de disminución de la banda prohibida más alta, mientras que la deformación a lo largo de la dirección <111> conduce a una tasa de disminución de la banda prohibida más baja, pero una transición de una banda prohibida indirecta a una directa. Una transición de banda prohibida indirecta-directa similar se puede observar en el silicio deformado . Teóricamente, lograr esta transición de banda prohibida indirecta-directa en el silicio ^{[ 26 ]} requiere una deformación de más del 14% de deformación uniaxial.

En el caso de la deformación elástica, cuando se supera el límite, se produce deformación plástica debido al deslizamiento y al movimiento de dislocaciones en la microestructura del material. La deformación plástica no se utiliza comúnmente en la ingeniería de deformación debido a la dificultad de controlar su uniformidad. La deformación plástica está más influenciada por la distorsión local que por el campo de tensión global observado en la deformación elástica. Sin embargo, los materiales 2D presentan un mayor rango de deformación elástica en comparación con los materiales masivos, ya que carecen de mecanismos típicos de deformación plástica como el deslizamiento y la dislocación. Además, es más fácil aplicar deformación a lo largo de una dirección cristalográfica específica en materiales 2D que en materiales masivos.

Investigaciones recientes han demostrado un progreso significativo en la ingeniería de deformación en materiales 2D a través de técnicas como la deformación del sustrato, ^{[ 27 ] [ 28 ]} la inducción de ondulación del material, ^{[ 29 ] [ 30 ]} y la creación de asimetría de la red. ^{[ 31 ]} Estos métodos de aplicación de deformación mejoran eficazmente las propiedades eléctricas, magnéticas, térmicas y ópticas del material. Por ejemplo, en la referencia ^{[ 27 ]} proporcionada, la brecha óptica de la monocapa y la bicapa de MoS2 disminuye a tasas de aproximadamente 45 y 120 meV/%, respectivamente, bajo una deformación uniaxial de 0-2,2%. Además, la intensidad de fotoluminiscencia de la monocapa de MoS2 disminuye al 1% de deformación, lo que indica una transición de banda prohibida indirecta a directa. La referencia ^{[ 29 ]} también demuestra que la ondulación inducida por deformación en fósforo negro conduce a variaciones de banda prohibida entre +10% y -30%. En el caso del ReSe2, la literatura ^{[ 30 ]} muestra la formación de estructuras de arrugas locales cuando el sustrato se relaja después del estiramiento. Este proceso de plegado produce un desplazamiento al rojo en el pico del espectro de absorción, lo que conlleva una mayor absorción de luz y cambios en las propiedades magnéticas y la banda prohibida. El equipo de investigación también realizó pruebas de curvas I-V en las muestras estiradas y encontró que un estiramiento del 30% resultó en una menor resistencia en comparación con las muestras sin estirar. Sin embargo, un estiramiento del 50% mostró el efecto opuesto, con una mayor resistencia en comparación con las muestras sin estirar. Este comportamiento puede atribuirse al plegado del ReSe2, siendo las regiones plegadas particularmente débiles.

• silicio tensionado