Epitaxia en fase vapor metalorgánica

Método de producción de fils finas (policristalinas y monocristalinas)

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 de crecimiento de capas cristalinas para crear complejas estructuras semiconductoras de múltiples capas. ^[2] A diferencia de la epitaxia de haz molecular (MBE), el crecimiento de cristales se produce por reacción química y no por deposición física. Esto no tiene lugar en el vacío , sino desde elfase gaseosa a presiones moderadas (10 a 760  Torr ). Como tal, esta técnica se prefiere para la formación de dispositivos que incorporan aleaciones termodinámicamente metaestables , ^{[ cita requerida ]} y se ha convertido en un proceso importante en la fabricación de optoelectrónica , como los diodos emisores de luz . Fue inventado en 1968 en North American Aviation (más tarde Rockwell International ) Science Center por Harold M. Manasevit .

Principios básicos

En MOCVD, los gases precursores ultrapuros se inyectan en un reactor, generalmente con un gas portador no reactivo. Para un semiconductor III-V, podría usarse un metalorgánico como precursor del grupo III y un hidruro para el precursor del grupo V. Por ejemplo, el fosfuro de indio se puede cultivar con precursores de trimetilindio ((CH ₃ ) ₃ In) y fosfina (PH ₃ ).

A medida que los precursores se acercan a la oblea semiconductora , se someten a pirólisis y la subespecie se absorbe en la superficie de la oblea semiconductora. La reacción superficial de la subespecie precursora da como resultado la incorporación de elementos en una nueva capa epitaxial de la red cristalina semiconductora. En el régimen de crecimiento limitado por transporte de masa en el que normalmente operan los reactores MOCVD, el crecimiento es impulsado por la sobresaturación de especies químicas en la fase de vapor. ^[3] 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 aumento de la fuerza de unión química del precursor. Cuantos más átomos de carbono estén unidos al átomo metálico central, más débil será el enlace. ^[4] La difusión de átomos en la superficie del sustrato se ve afectada por los pasos atómicos en la superficie.

La presión de vapor de la fuente orgánica de metales del grupo III es un parámetro de control importante para el crecimiento de MOCVD, ya que determina la tasa de crecimiento en el régimen de transporte de masa limitado. ^[5]

Componentes del reactor

Aparato MOCVD

En la técnica de deposición de vapor químico orgánico metálico (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 hecha de un material que no reacciona con los productos químicos que se utilizan. También debe soportar altas temperaturas. Esta cámara está compuesta por paredes del reactor, revestimiento, un susceptor , unidades de inyección de gas y unidades de control de temperatura. Normalmente, las paredes del reactor están hechas de acero inoxidable o cuarzo. Los vidrios cerámicos o especiales , como el cuarzo, se utilizan a menudo como revestimiento en la cámara del reactor entre la pared del reactor y el susceptor. Para evitar el sobrecalentamiento, el agua de refrigeración debe fluir a través de los canales dentro de las paredes del reactor. Un sustrato se asienta sobre un susceptor que está a una temperatura controlada. El susceptor está fabricado con un material resistente a los compuestos metalorgánicos utilizados; grafitoa veces se utiliza. Para el cultivo de nitruros y materiales relacionados, es necesario un recubrimiento especial, típicamente de nitruro de silicio, en el susceptor de grafito para prevenir la corrosión por gas amoniaco (NH ₃ ).

Un tipo de reactor utilizado para realizar MOCVD es un reactor de pared fría. En un reactor de pared fría, el sustrato está soportado por un pedestal, que también actúa como susceptor. El pedestal / susceptor es el origen principal de la energía térmica en la cámara de reacción. Solo se calienta el susceptor, por lo que los gases no reaccionan antes de alcanzar la superficie de la oblea caliente. El pedestal / susceptor está hecho de un material que absorbe la radiación, como el carbono. Por el contrario, las paredes de la cámara de reacción en un reactor de pared fría suelen estar hechas de cuarzo, que es en gran parte transparente a la radiación electromagnética.. Las paredes de la cámara de reacción en un reactor de pared fría, sin embargo, pueden calentarse indirectamente mediante el calor que irradia el pedestal / susceptor caliente, pero permanecerán más frías que el pedestal / susceptor y el sustrato que soporta el pedestal / susceptor.

En CVD de pared caliente, se calienta toda la cámara. Esto puede ser necesario para que algunos gases se quiebren previamente antes de llegar a la superficie de la oblea para permitir que se adhieran a la oblea.

Entrada de gas y sistema de conmutación

El gas se introduce a través de dispositivos conocidos como "burbujeadores". En un burbujeador, se burbujea un gas portador (generalmente hidrógeno en el crecimiento de arseniuro y fosfuro o nitrógeno para el crecimiento de nitruro) a través del líquido metalorgánico , que recoge algo de vapor metalorgánico y lo transporta al reactor. La cantidad de vapor orgánico metálico transportado depende de la velocidad del flujo del gas portador y de la temperatura del burbujeador , y generalmente se controla automáticamente y con mayor precisión mediante el uso de un sistema de control de gas de retroalimentación de medición de concentración ultrasónico. Se debe tener en cuenta los vapores saturados .

Sistema de mantenimiento de presión

Sistema de limpieza y escape de gases . Los productos de desecho tóxicos deben convertirse en desechos líquidos o sólidos para su reciclaje (preferiblemente) o eliminación. Idealmente, los procesos se diseñarán para minimizar la producción de productos de desecho.

Precursores organometálicos

• Aluminio
  • Trimetilaluminio (TMA o TMAl), líquido
  • Trietilaluminio (TEA o TEAL), Líquido
• Galio
  • Trimetilgalio (TMG o TMGa), líquido
  • Trietilgalio (TEG o TEGa) , líquido
• Indio
  • Trimetilindio (TMI o TMIn), sólido
  • Triethylindium (TEI o TEIN), Líquido
  • Diisopropilmetilindio (DIPMeIn) , líquido
  • Etildimetilindio (EDMIn) , líquido
• Germanio
  • Isobutilgermane (IBGe) , líquido
  • Tricloruro de dimetilamino germanio (DiMAGeC), líquido
  • Tetrametilgermane (TMGe) , líquido
  • Tetraetilgermanio (TEGe), líquido
  • Germane GeH ₄ , Gas
• Nitrógeno
  • Fenilhidracina , Líquido
  • Dimetilhidrazina (DMHy), Líquido
  • Butilamina terciaria (TBAm), líquido
  • Amoníaco NH ₃ , Gas
• Fósforo
  • Fosfina PH ₃ , Gas
  • Terciariobutil fosfina (TBP) , líquido
  • Bisfosfinoetano (BPE), líquido
• Arsénico
  • Arsina AsH ₃ , Gas
  • Terciariobutil arsina (TBA), Líquido
  • Monoetil arsina (MEA), líquido
  • Trimetil arsina (TMA), líquido
• Antimonio
  • Trimetil antimonio (TMSb), líquido
  • Trietil antimonio (TESb), líquido
  • Antimonio triisopropílico (TIPSb), líquido
  • Stibine SBH ₃ , Gas
• Cadmio
  • Dimetil cadmio (DMCd) , líquido
  • Dietil cadmio (DECd), líquido
  • Metil alil cadmio (MACd), líquido
• Telurio
  • Telururo de dimetilo (DMTe), líquido
  • Telururo de dietilo (DETe), líquido
  • Telururo de diisopropilo (DIPTe) , líquido
• Titanio
  • Alcóxidos , como isopropóxido de titanio o etóxido de titanio
• Selenio
  • Seleniuro de dimetilo (DMSe) , líquido
  • Seleniuro de dietilo (DESe), líquido
  • Seleniuro de diisopropilo (DIPSe), líquido
  • Seleniuro de di-terc-butilo (DTBSe), líquido
• Zinc
  • Dimetilzinc (DMZ), líquido
  • Dietilzinc (DEZ), líquido

Semiconductores cultivados por MOCVD

Semiconductores III-V

• Montaña
• AlN
• AlGaSb
• AlGaAs
• AlGaInP
• AlGaN
• AlGaP
• GaSb
• GaAsP
• GaAs
• GaN
• Brecha
• InAlAs
• InAlP
• InSb
• InGaSb
• InGaN
• GaInAlAs
• GANANCIA
• GaInAsN
• GaInAsP
• Ganancias
• GANANCIA
• Posada
• En p
• InAs
• InAsSb
• AlInN

Semiconductores II-VI

• ZnSe
• HgCdTe
• ZnO
• ZnS
• CdO

IV Semiconductores

• Si
• Ge
• Silicio colado

Semiconductores IV-V-VI

• GeSbTe

Medio ambiente, salud y seguridad

A medida que MOCVD se ha convertido en una tecnología de producción bien establecida, existen preocupaciones igualmente crecientes asociadas con su influencia en la seguridad del personal y la comunidad, el impacto ambiental y las cantidades máximas de materiales peligrosos (como gases y metales orgánicos) permitidos en las operaciones de fabricación del dispositivo. La seguridad, así como el cuidado ambiental responsable, se han convertido en factores importantes de suma importancia en el crecimiento de cristales de semiconductores compuestos basados ​​en MOCVD. A medida que la aplicación de esta técnica en la industria ha crecido, varias empresas también 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 gas y químicos por computadora, sensores de detección de gases tóxicos y portadores que pueden detectar cantidades de gas de un solo dígito ppb,y, por supuesto, equipos de eliminación para capturar completamente los materiales tóxicos que pueden estar presentes en el crecimiento de aleaciones que contienen arsénico, como GaAs e InGaAsP.^[6]

Ver también

• Deposición de la capa atómica
• Purificador de hidrogeno
• Lista de materiales semiconductores
• Metalorganics
• Epitaxia de haz molecular
• Deposición de película fina

Referencias

1. Epitaxia de MOCVD , Johnson Matthey, GPT.
2. Cómo funciona MOCVD. Tecnología de deposición para principiantes, Aixtron, mayo de 2011.
3. Gerald B. Stringfellow (2 de diciembre de 2012). Epitaxia organometálica en fase vapor: teoría y práctica . Ciencia de Elsevier. págs. 3–. ISBN 978-0-323-13917-5.
4. Conceptos básicos y aplicaciones de MOCVD,Instituto de tecnología avanzada de Samsung , 2004.
5. Deposición de vapor químico metalorgánico (MOCVD) . Archivado el 27 de septiembre de 2010 en Wayback Machine.
6. Para ver ejemplos, consulte los sitios web de Matheson Tri Gas, Honeywell, Applied Energy, DOD Systems