La epitaxia se refiere a un tipo de crecimiento de cristales o deposición de material en el que se forman nuevas capas cristalinas con una o más orientaciones bien definidas con respecto al sustrato cristalino.. La película cristalina depositada se denomina película epitaxial o capa epitaxial. La (s) orientación (es) relativa (es) de la capa epitaxial al sustrato cristalino se define en términos de la orientación de la red cristalina de cada material. Para el crecimiento epitaxial, la nueva capa debe ser cristalina y cada dominio cristalográfico de la superposición debe tener una orientación bien definida con respecto a la estructura cristalina del sustrato. El crecimiento amorfo o el crecimiento multicristalino con orientación cristalina aleatoria no cumple este criterio. Para la mayoría de las aplicaciones tecnológicas, se prefiere la epitaxia de dominio único, que es el crecimiento de un cristal superpuesto con una orientación bien definida con respecto al cristal del sustrato.
El término epitaxia proviene de las raíces griegas epi (ἐπί), que significa "arriba", y taxis (τάξις), que significa "una manera ordenada".
Una de las principales aplicaciones comerciales del crecimiento epitaxial se encuentra en la industria de los semiconductores, donde las películas de semiconductores se cultivan epitaxialmente sobre obleas de sustrato semiconductor. [1] Para el caso de crecimiento epitaxial de una película plana encima de 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 tal como el índice de Miller de la película alineándose con el [001 ] índice del sustrato. En el caso más simple, la capa epitaxial puede ser una continuación del mismo compuesto semiconductor exacto que el sustrato; esto se conoce como homoepitaxia. De lo contrario, la capa epitaxial estará compuesta por un compuesto diferente; esto se conoce como heteroepitaxia.
Tipos
La homoepitaxia es un tipo de epitaxia realizada con un solo material, en la que se hace crecer una película cristalina sobre un sustrato o película del mismo material. Esta tecnología se usa a menudo para hacer crecer una película que es más pura que el sustrato y para fabricar capas que tienen diferentes niveles de dopaje . En la literatura académica, la homoepitaxia a menudo se abrevia como "homoepi".
La homotopotaxia es un proceso similar a la homoepitaxia excepto que el crecimiento de película delgada no se limita al crecimiento bidimensional. Aquí el sustrato es el material de película delgada.
La heteroepitaxia es un tipo de epitaxia que se realiza con materiales que son diferentes entre sí. En la heteroepitaxia, una película cristalina crece sobre un sustrato cristalino o 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. Los ejemplos incluyen silicio sobre zafiro , nitruro de galio ( Ga N ) sobre zafiro , fosfuro de aluminio , galio e indio ( Al Ga In P ) sobre arseniuro de galio ( Ga As ) o diamante o iridio , [2] y grafeno sobre nitruro de boro hexagonal (hBN). [3]
La heterotopotaxia es un proceso similar a la heteroepitaxia excepto que el crecimiento de película delgada no se limita al crecimiento bidimensional; el sustrato es similar solo en estructura al material de película delgada.
La pendeoepitaxia es un proceso en el que la película heteroepitaxial crece vertical y lateralmente al mismo tiempo. En la heteroestructura de cristal 2D, las nanocintas de grafeno incrustadas en nitruro de boro hexagonal [4] [5] dan un ejemplo de pendeoepitaxia.
La epitaxia se utiliza en procesos de fabricación basados en silicio para transistores de unión bipolar (BJT) y semiconductores de óxido metálico complementarios modernos (CMOS), 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 grosor de la deposición, la limpieza y pureza de la superficie y la atmósfera de la cámara, la prevención de la difusión del dopante en las obleas del sustrato, que suele ser mucho más dopado, a las nuevas capas, las imperfecciones del proceso de crecimiento y protección de las superficies durante la fabricación y manipulación.
Aplicaciones
La epitaxia se utiliza en nanotecnología y en la fabricación de semiconductores . De hecho, la epitaxia es el único método asequible de crecimiento de cristales de alta calidad para muchos materiales semiconductores. En la ciencia de superficies , la epitaxia se utiliza para crear y estudiar películas monocapa y multicapa de moléculas orgánicas adsorbidas en superficies monocristalinas . Las moléculas adsorbidas forman estructuras ordenadas en terrazas atómicamente planas de superficies monocristalinas y se pueden observar directamente mediante microscopía de efecto túnel . [6] Por el contrario, los defectos superficiales y su geometría tienen una influencia significativa en la adsorción de moléculas orgánicas [7]
Métodos
El silicio epitaxial generalmente se cultiva usando epitaxia en fase de vapor (VPE), una modificación de la deposición química de vapor . También se utilizan epitaxia de haz molecular y de fase líquida (MBE y LPE), principalmente para semiconductores compuestos . La epitaxia en fase sólida se utiliza principalmente para la curación de daños por cristales.
Fase de vapor
El silicio se deposita más comúnmente dopando con tetracloruro de silicio e hidrógeno a aproximadamente 1200 a 1250 ° C: [8]
- SiCl 4 (g) + 2H 2 (g) ↔ Si (s) + 4HCl (g)
donde (g) y (s) representan fases gaseosa y sólida, respectivamente. Esta reacción es reversible y la tasa de crecimiento depende en gran medida de la proporción de los dos gases fuente. Las tasas de crecimiento superiores a 2 micrómetros por minuto producen silicio policristalino y pueden producirse tasas de crecimiento negativas ( grabado ) si hay demasiado subproducto de cloruro de hidrógeno presente. (De hecho, se puede agregar intencionalmente cloruro de hidrógeno para grabar la oblea). Una reacción de grabado adicional compite con la reacción de deposición:
- SiCl 4 (g) + Si (s) ↔ 2SiCl 2 (g)
Silicon VPE también puede usar gases fuente de silano , diclorosilano y triclorosilano . Por ejemplo, la reacción del silano ocurre a 650 ° C de esta manera:
- SiH 4 → Si + 2H 2
Esta reacción no ataca inadvertidamente la oblea y tiene lugar a temperaturas más bajas que la deposición del tetracloruro de silicio. Sin embargo, formará una película policristalina a menos que se controle estrictamente, y permite que las especies oxidantes que se filtran al interior del reactor contaminen la capa epitaxial con compuestos no deseados como el dióxido de silicio .
El VPE a veces se clasifica por la química de los gases de origen, como el VPE hidruro y el VPE metalorgánico .
Fase líquida
La epitaxia en fase líquida (LPE) es un método para hacer crecer capas de cristales semiconductores a partir de la masa fundida sobre sustratos sólidos. Esto sucede a temperaturas muy por debajo del punto de fusión del semiconductor depositado. El semiconductor se disuelve en la masa fundida 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). Se pueden aplicar otros sustratos como vidrio o cerámica para aplicaciones especiales. Para facilitar la nucleación y evitar la tensión en la capa desarrollada, el coeficiente de expansión térmica del sustrato y la capa desarrollada debe ser similar.
La epitaxia centrífuga en fase líquida se utiliza comercialmente para fabricar capas delgadas de arseniuro de silicio , germanio y galio . [9] [10] El crecimiento de películas formadas por centrifugación es un proceso que se utiliza para formar capas delgadas de materiales mediante el uso de una centrifugadora . El proceso se ha utilizado para crear silicio para células solares de película delgada [11] [12] y fotodetectores de infrarrojo lejano. [13] La temperatura y la velocidad de centrifugado se utilizan para controlar el crecimiento de las capas. [10] El LPE centrífugo tiene la capacidad de crear gradientes de concentración de dopantes mientras la solución se mantiene a temperatura constante. [14]
Fase sólida
La epitaxia en fase sólida (SPE) es una transición entre las fases amorfa y cristalina de un material. Por lo general, se realiza depositando primero una película de material amorfo sobre un sustrato cristalino. A continuación, se calienta el sustrato para cristalizar la película. El sustrato monocristalino sirve como plantilla para el crecimiento de cristales. El paso de recocido utilizado para recristalizar o curar las capas de silicio amorfizadas durante la implantación de iones también se considera un tipo de epitaxia en fase sólida. La segregación y redistribución de impurezas en la interfase cristal-capa amorfa en crecimiento durante este proceso se utiliza para incorporar dopantes de baja solubilidad en metales y silicio. [15]
Epitaxia de haz molecular
En la epitaxia de haz molecular (MBE), un material fuente se calienta para producir un haz de partículas evaporadas . Estas partículas viajan a través de un vacío muy alto (10 −8 Pa ; espacio prácticamente libre) hasta el sustrato, donde se condensan . MBE tiene un rendimiento más bajo que otras formas de epitaxia. Esta técnica se usa ampliamente para cultivar cristales semiconductores de los grupos periódicos III, IV y V. [16] [17]
Dopaje
Se puede dopar una capa epitaxial durante la deposición añadiendo impurezas al gas fuente, como arsina , fosfina o diborano . La concentración de impureza en la fase gaseosa determina su concentración en la película depositada. Al igual que en la deposición química en fase de vapor (CVD), las impurezas cambian la tasa de deposición. Además, las altas temperaturas a las que se realiza la CVD pueden permitir que los dopantes se difundan en la capa de crecimiento desde otras capas de la oblea ("difusión externa"). Además, los dopantes en el gas fuente, liberados por evaporación o ataque húmedo de la superficie, pueden difundirse en la capa epitaxial ("autodopaje"). Los perfiles dopantes de las capas subyacentes también cambian, aunque no de manera tan significativa.
Minerales
En mineralogía, la epitaxia es el crecimiento excesivo de un mineral sobre otro de manera ordenada, de manera que ciertas direcciones cristalinas de los dos minerales están alineadas. Esto ocurre cuando algunos planos en las redes del crecimiento excesivo y el sustrato tienen espaciamientos similares entre los átomos . [18]
Si los cristales de ambos minerales están bien formados de modo que las direcciones de los ejes cristalográficos sean claras, entonces la relación epitáxica puede deducirse simplemente mediante una inspección visual. [18]
A veces, muchos cristales separados forman el crecimiento excesivo en un solo sustrato, y luego, si hay epitaxia, todos los cristales de crecimiento excesivo tendrán una orientación similar. Sin embargo, lo contrario no es necesariamente cierto. Si los cristales de crecimiento excesivo tienen una orientación similar, probablemente exista una relación epitáxica, pero no es seguro. [18]
Algunos autores [19] consideran que el crecimiento excesivo de una segunda generación de la misma especie mineral también debe considerarse como epitaxia, y esta es una terminología común para los científicos de semiconductores que inducen el crecimiento epitáxico de una película con un nivel de dopaje diferente en un sustrato semiconductor del mismo material. Sin embargo, para los minerales producidos naturalmente, la definición de la Asociación Mineralógica Internacional (IMA) requiere que los dos minerales sean de especies diferentes. [20]
Otra aplicación de la epitaxia hecha por el hombre 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. [19]
Minerales isomorfos
Los minerales que tienen la misma estructura ( minerales isomorfos ) pueden tener relaciones epitáxicas. Un ejemplo es la albita NaAlSi
3O
8sobre microclina KAlSi
3O
8. Ambos minerales son triclínicos , con grupo espacial 1 , y con parámetros de celda unitaria similares , a = 8.16 Å, b = 12.87 Å, c = 7.11 Å, α = 93.45 °, β = 116.4 °, γ = 90.28 ° para albita y a = 8.5784 Å, b = 12.96 Å, c = 7.2112 Å, α = 90.3 °, β = 116.05 °, γ = 89 ° para microclina.
Minerales polimórficos
Los minerales que tienen la misma composición pero diferentes estructuras ( minerales polimórficos ) también pueden tener relaciones epitáxicas. Algunos ejemplos son pirita y marcasita , ambas FeS 2 , y esfalerita y wurtzita , ambas ZnS. [18]
Rutilo sobre hematita
Algunos pares de minerales que no están relacionados estructural o composicionalmente también pueden exhibir epitaxia. Un ejemplo común es el rutilo TiO 2 sobre hematita Fe 2 O 3 . [18] [21] El rutilo es tetragonal y la hematita es trigonal , pero hay 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 el eje c). En la epitaxia, estas direcciones tienden a alinearse entre sí, lo que da como resultado que el eje del sobrecrecimiento 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. [18]
Hematita sobre magnetita
Otro ejemplo es la hematita Fe3+
2O
3sobre magnetita Fe2+
Fe3+
2O
4. La estructura de la magnetita se basa en aniones de oxígeno compactos apilados en una secuencia ABC-ABC. En este empaque, las capas compactas son paralelas a (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. [22]
Si los cationes fueran lo suficientemente pequeños como para caber en una estructura verdaderamente compacta de aniones de oxígeno, entonces el espacio entre los sitios de oxígeno vecinos más cercanos sería el mismo para ambas especies. El radio del ion oxígeno, sin embargo, es de solo 1,36 Å [23] 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, [24] dependiendo de la carga (2+ o 3+) y el número de coordinación (4 u 8). Sin embargo, los espacios 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) . [22]
Ver también
- Epitaxia de la capa atómica
- Barrera de Ehrlich-Schwöbel
- Oblea epitaxial
- Sesgo de intercambio
- Nitruro de galio
- Heterounión
- Crecimiento de la isla
- Nano-RAM
- Láser de cascada cuántica
- Epitaxia de área selectiva
- Silicio sobre zafiro
- Trastorno de un solo evento
- Película fina / Topotaxia
- Láser emisor de superficie de cavidad vertical
- Instalación de Wake Shield
- Zhores Alferov
Referencias
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enlaces externos
- epitaxy.net : un foro central para las comunidades epitaxy
- Procesos de deposición
- CrystalXE.com : un software especializado en epitaxia