Crecimiento epitaxial por haces moleculares
En física se llama crecimiento epitaxial por haces moleculares (o MBE, por sus siglas en inglés) a uno de los varios métodos que existen para la deposición de monocristales. Fue creado por J. R. Arthur y Alfred Cho a finales de los 60 en los laboratorios Bell.
El crecimiento epitaxial por haces moleculares se produce en alto vacío o en ultra alto vacío (10-8 Pa). El aspecto más importante del crecimiento epitaxial por haces moleculares es la baja tasa de sedimentación (normalmente inferior a 1000 nm por hora). Las bajas tasas de sedimentación requieren proporcionalmente mejor vacío para alcanzar los mismos niveles de impureza que otras técnicas de sedimentación.
En estado sólido, algunos elementos ultrapuros como el galio o el arsénico se calientan diferentes células de efusión de Knudsen hasta que comienzan a sublimarse . A continuación, los elementos se condensan en un oblea, en la que puede que se produzca una reacción. En el caso del galio y del arsénico, se forma un monocristal de arseniuro de galio. El término «haz» indica que los átomos que se han evaporado no interactúan entre ellos o no expulsan gases hasta que conforman la oblea, debido al camino libre medio de los átomos.
Durante esta operación, se observa el crecimiento de las películas cristalinas mediante la técnica denominada difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED), puesto que esta técnica, a diferencia de la difracción de rayos X empleada en la cristalografía, sólo analiza la superficie de la muestra. Mediante un ordenador, se coloca un obturador en frente de cada horno, lo que permite controlar de forma más precisa el grosor de cada capa, incluso de una única capa de átomos. Las capas de estructuras complejas de diferentes materiales se fabrican de este modo. Este control ha permitido el desarrollo de estructuras en las que los electrones pueden confinar en un espacio, en pozos cuánticos o incluso en puntos cuánticos. En la actualidad, estas capas son una parte importante de los dispositivos semiconductores, entre los que se incluyen los diodos láser y los diodos emisores de luz.
En aquellos sistemas en los que es necesario enfriar el sustrato, el ambiente de ultra alto vacío dentro de la cámara de crecimiento se mantiene gracias a un sistema de cryopump y criopaneles, que se enfría mediante nitrógeno líquido o nitrógeno frío en estado gaseoso en una temperatura de aproxidamente 77 kelvin (-196 °C). Las temperaturas de criogenización actúan como un filtro para las impurezas del vacío, por lo que los niveles de vacío han de ser de varios órdenes de magnitudes para una mejor deposición de las películas de acuerdo con estas condiciones. En otros sistemas, las obleas en las que crecen estos cristales pueden estar montadas sobre una base rotatoria que puede calentarse hasta varios cientos de grados celsius durante este proceso.
El crecimiento epitaxial por haces moleculares también se emplea para la deposición de algunos tipos de polímeros semiconductores. En este caso, las moléculas, en lugar de los átomos, se evaporan y se depositan sobre la oblea. Otras variaciones incluyen el MBE en estado gaseoso, parecida a la deposición química de vapor.
Fuentes
- Stangl, J.; V. Holý and G. Bauer (2004). “Propiedades estructurales de las nanoestructuras semiconductoras autoorganizadas” (en inglés) Rev. Mod. Phys. 76 (3): 725–783. doi:10.1103/RevModPhys.76.725.
- Shchukin, Vitaliy A.; Dieter Bimberg (1999). "Orden espontáneo de las nanoestructuras en superficies cristalinas" (en inglés) Rev. Mod. Phys. 71 (4): 1125–1171. doi:10.1103/RevModPhys.71.1125.
- Jaeger, Richard C. (2002). "Film Deposition". Introduction to Microelectronic Fabrication. Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-7.