1. No category

Instituto de Ciencia
de Materiales de Madrid
MBE de Semiconductores III-V
La técnica MBE (del inglés Molecular Beam Epitaxy)
La epitaxia con haces moleculares es un proceso que permite crecer capas cristalinas de una
amplia variedad de materiales (óxidos, semiconductores, metales), en condiciones de ultra alto
vacío, mediante la reacción de haces atómicos o moleculares sobre un sustrato caliente, que
previamente es tratado para proporcionar una superficie atómicamente plana. Distinguimos entre:
HOMOEPITAXIA: La capa cristalina es del mismo material que el sustrato
HETEROEPITAXIA: La capa cristalina es de un material distinto al sustrato
Características de la técnica MBE
• Ultra alto vacío (UHV):
Presiones en MBE: < 10-9 mbar
• Velocidades lentas de crecimiento: 0.1-1μm/hora
• Formación de intercaras abruptas
• Caracterización in-situ (en la cámara de crecimiento) del proceso de
crecimiento mediante espectroscopía de masas y difracción de electrones
de alta energía (RHEED)
•
•
•
•
El sistema experimental MBE
Variables del proceso MBE
Temperatura del sustrato
Flujo de los haces atómicos y moleculares (Ga, In, Al, As2, As4, … )
Relación III/V (flujo elemento del grupo III/flujo elemento grupo V)
Tiempos de crecimiento (espesor de las capas crecidas)
Crecimiento MBE de semiconductores III-V
IIIa
- Propiedades de los semiconductores III-V
Ancho banda prohibida (Eg) directo (LEDs, láseres, células solares…)
Diseño de materiales ternarios y cuaternarios con distinto parámetro de red y ancho
de banda: AlGaAs, AlGaInP…
Buenas propiedades intrínsecas: alta movilidad electrónica, tiempos de vida largos, etc…
- Aplicaciones tecnológicas
transistores
láseres
células solares
LEDs
dispositivos magnéticos
superconductores
dispositivos
optoelectrónicos
IVa
Va
emisor de un
solo fotón
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
1- Estudio de mecanismos atómicos del
crecimiento MBE en superficies GaAs(110)
escalonadas
mediante
difracción
de
electrones de alta energía (RHEED) y
microscopía de fuerzas atómicas (AFM)
Superficie tras la eliminación del óxido nativo
mediante dos métodos alternativos
4,2 nm
Crecimiento controlado Crecimiento controlado
por el suministro de por la incorporación de
Galio
Arsénico
0,1 nm
1.2e 4
10000
Number of events
2. Crecimiento de puntos e hilos cuánticos de 3- Desarrollo de nuevos procesos MBE para
InGaAs en superficies nanoestructuradas mejorar las propiedades eléctricas de
GaAs
(110)
para
aplicaciones transistores de efecto de campo (FETs)
optoelectrónicas
Los transistores actúan como interruptores
Nanoestructuración de superficies GaAs (110)
de la corriente eléctrica en los circuitos
escalonadas mediante H-MBE
integrados de los ordenadores. Utilizando
semiconductores
III-V,
p.e.
GaAs,
InGaAs,
y
Ga supply-limited
As-limited regime
a
d
regime
óxidos con alta constante dieléctrica (high-k),
como
el
HfO2,
podrán
fabricarse
microprocesadores de bajo consumo y alta
MULTIATOMIC STEP ARRAY
NANOFACETS
velocidad
en
un
futuro
próximo.
w=6 nm, h=0.9 nm
w=80 nm, h= 2 nm,
8000
6000
4000
2000
0
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
Topo [nm]
A) Desorción térmica a 620ºC B) Irradiación con H atómico a 450ºC
ESCALONES MULTIATOMICOS
MBE convencional
b
A altas temperaturas (a) el
crecimiento
tiene
lugar
mediante la incorporación de
los átomos a los escalones
(Propagación de escalones),
mientras
que
a
bajas
temperaturas (b) hay además
crecimiento de islas en las
terrazas debido a la menor
movilidad de los átomos en la
superficie.
NANOFACETAS
rms  = 0.6 nm
El H atómico quimisorbido en la superficie actúa
de catalizador de la reacción de formación de
GaAs, cambiando el mecanismo de crecimiento:
a
150nm
300nm
c
b
rms  = 0.8 nm
Óxido de
puerta de Hf02
230nm
680nm
NANOHILOSARRAY
NANOWIRE
w=90 nm h= 0.8 nm,
rms  = 0.6 nm
PATRONES
tipo “RIDGE”
RIDGE PATTERN
w=40 nm,  B-Z= 450nm,
rms  = 2 nm
GaAs
Crecimiento H-MBE de hilos y puntos cuánticos
de
InGaAs
sobre
superficies
GaAs(110)
nanoestructuradas
ESCALONES MULTIATOMICOS
GaAs
Se estudia la pasivación de defectos eléctricos
de la intercara entre el semiconductor III-V y
el dieléctrico Hf02 mediante el tratamiento
con H atómico en UHV
18
Hf02
16
14
Hf02
12
HILOS CUANTICOS
Z[nm]
a
MBE asistido con H
atómico
GaAs
10
8
6
b
El H atómico favorece el
crecimiento de GaAs capa a
capa. La variación en la
densidad
de
escalones
superficiales en este caso se
manifiesta
en
forma
de
oscilaciones RHEED tanto a
altas (a) como a bajas (b)
temperaturas
“RIDGES”
4
2
600nm
0
0
100 200
300
400 500
600
700
GaAs (001)
La intercara se obtiene por H-MBE, utilizando
la técnica de recrecimiento lateral selectivo
de GaAs sobre substratos Hf02/GaAs
nanoestructurados
X[nm]
600nm
PUNTOS CUANTICOS
Investigador responsable: Paloma Tejedor Jorge
[email protected]