Métodos de crecimiento de cristales semiconductores: Bridgman, Czochralski, zona flotante y epitaxia

Métodos de Crecimiento de Cristales Semiconductores

Método Bridgman (Policristalino)

Para la producción de Arseniuro de Galio (GaAs) policristalino, se utiliza un sistema que consiste en un tubo de cuarzo sellado en el que se ha hecho el vacío. Este tubo se coloca en un horno con dos zonas, cada una a una temperatura diferente. El arsénico de alta pureza se coloca en un recipiente de grafito y se calienta a 610 °C, mientras que el galio de alta pureza se coloca en otro recipiente de grafito y se calienta por encima de la temperatura de fusión del GaAs (1238 °C). En estas condiciones, se establece una sobrepresión de arsénico que:

• Permite el transporte de vapor de arsénico hacia el galio fundido, obteniéndose arseniuro de galio.
• Evita la descomposición del arseniuro de galio cuando se forma (debido a la alta presión de vapor de arsénico).

De esta manera, se obtiene GaAs de muy alta pureza.

Método Bridgman (Monocristalino)

Para el crecimiento de monocristales de GaAs, se utiliza un horno de dos zonas. La zona de la izquierda se mantiene a una temperatura de 610 °C para producir en el sistema una sobrepresión de arsénico que impida la vaporización excesiva del arsénico en el GaAs fundido. La zona derecha, al contrario, se mantiene a una temperatura justo por encima del punto de fusión del GaAs. El tubo sellado está fabricado de cuarzo, y el recipiente donde se coloca el GaAs policristalino es de grafito. Cuando el horno se desplaza hacia la derecha, el GaAs fundido se enfría por el extremo izquierdo, donde se coloca una semilla (patrón con la orientación cristalográfica deseada para el cristal resultante). El enfriamiento gradual del fundido de esta forma permite el crecimiento de un cristal de GaAs.

Método Czochralski (CZ)

Este método se emplea para el crecimiento de silicio (Si) cristalino. Se funde silicio a 1500 °C y se pone a rotar el sistema. Se usa una semilla de Si cristalino de alta pureza con orientación controlada (pureza de 99.999%, también conocido como "cinco nueves"). La semilla, en contacto con la fase líquida, irá rotando y subiendo poco a poco, de forma que la interfase sólido-líquido va solidificando y se va formando el cristal. En función de la velocidad, tendremos interfases más gruesas o más finas. Los cristales resultantes suelen tener 1 metro de longitud y 30 cm de diámetro. A menudo, se realiza un calentamiento posterior para aliviar tensiones.

Método de Zona Flotante

El cilindro de silicio, en contacto con la semilla y en rotación, se encierra en un recipiente de cuarzo y se mantiene en una atmósfera inerte de Argón (Ar).

Durante la operación, una pequeña zona (pocos cm) del cristal se funde mediante un calentador que se desplaza a lo largo de todo el cristal desde la semilla. El silicio fundido es retenido por la tensión superficial entre ambas caras del silicio sólido. Cuando la zona flotante se desplaza hacia arriba, el silicio monocristalino se solidifica en el extremo inferior de la zona flotante y crece como una extensión de la semilla. Mediante este proceso de "zona flotante" pueden obtenerse materiales con resistividades más altas que mediante el método de Czochralski. Además, como no se necesita crisol, se elimina la posible contaminación proveniente del mismo.

Técnicas de Epitaxia

Las técnicas de epitaxia se usan para crecer cristales con la misma orientación que el sustrato. La epitaxia en fase vapor es la más utilizada. La epitaxia de haces moleculares (MBE, por sus siglas en inglés) es similar al sputtering, pero más controlada, a temperaturas más bajas y se realiza en ultra alto vacío (UHV). En un proceso epitaxial, el sustrato de la oblea actúa como la semilla en el crecimiento de un cristal. Los procesos epitaxiales se diferencian de los procesos de crecimiento de volumen en que la capa epitaxial puede crecerse a temperaturas substancialmente más bajas que las del punto de fusión del material (aproximadamente un 30-50% más bajas). Cuando un material se crece epitaxialmente sobre un sustrato del mismo material, el proceso se denomina homoepitaxia. Si la capa y el sustrato son de materiales diferentes, como en el caso de Al_xGa_1-xAs sobre GaAs, el proceso se denomina heteroepitaxia. En cualquier caso, en heteroepitaxia, las estructuras cristalinas del sustrato y de la capa crecida deben ser parecidas si se pretende obtener un crecimiento cristalino de calidad.

Aplicaciones en Microelectrónica

A continuación, se describen algunos materiales semiconductores y sus aplicaciones en microelectrónica:

• Grupo III-V:
  • GaAs: Utilizado en dispositivos de alta frecuencia.
  • InP y GaP: Empleados en optoelectrónica, comúnmente usados en sustratos.
  • GaN: Único material capaz de emitir luz azul, revolucionario en la tecnología LED.
• Grupo II-VI:
  • CdTe y HgTe: Detectores infrarrojos (IR). El HgTe no se utiliza debido a su toxicidad.
  • CdS: Dispositivos fotovoltaicos.
• Grupo IV-VI:
  • PbS y PbSe: Detectores IR y fotoconductores.
• Grupo IV-IV:
  • SiC: Aplicaciones eléctricas, diodos de alta tensión, alta resistencia a la temperatura y dureza.
  • SiGe: Aplicaciones que requieren alta velocidad de operación.