Crecimiento de capaz epitaxiales

Fabricación de un diodo de GaAs por medio de Crecimiento Epitaxial en Fase Líquida.

 IICO, UASLP, San Luis Potosí, SLP, México

Objetivos- Elaborar un diodo por medio de la técnica de crecimiento de Epitaxia en Fase Líquida (LPE) y observar el comportamiento de la curva corriente vs voltaje del dispositivo.

Resumen- Se fabricó un diodo a base de GaAs-p:Ge sobre un sustrato de GaAs-n:Si por LPE, los contactos se realizaron con deposición por evaporación térmica. Con ayuda de un trazador de curvas y una fuente dual se observó la relación I-V del diodo.

1. Introducción.

En la actualidad, la práctica totalidad de los equipos y dispositivos electrónicos que utilizamos cotidianamente incluyen en sus circuitos varios tipos de semiconductores de estado sólido, entre los que se encuentran los diodos, elementos imprescindibles para que todos esos equipos puedan funcionar.

Un diodo está conformado por la unión de dos cristales semiconductores que han recibido un tratamiento diferente, es decir, uno se somete a un proceso de dopaje que da como resultado una pieza de cristal (tipo-p) con faltante de electrones en su estructura atómica (lo que produce la aparición de huecos) mientras la otra pieza se dopa del tal forma que termina con un exceso de electrones (tipo-n).

El siguiente paso para construir el diodo es unir la pieza de conducción positiva con la de conducción negativa, lo que se conoce como unión p-n y que es la base del comportamiento de estos dispositivos.

Para facilitar la conexión al circuito electrónico donde funcionará posteriormente el diodo, se le añade a cada uno de los extremos una terminal de alambre conductor para permitir que la corriente eléctrica pueda atravesarlo.

El funcionamiento del diodo va a depender de los materiales utilizados, de las técnicas de crecimiento, de las variaciones efectuadas durante el proceso, entre otros factores, por lo que es importante analizar el comportamiento del dispositivo y una forma de obtener información relevante es mediante la curva de corriente contra voltaje.

En el presente reporte se discutirán los procesos llevados a cabo para la fabricación de un diodo de GaAs por medio de crecimiento de Epitaxia de Fase Líquida y se mostrará la curva característica del dispositivo resultante.

1. Epitaxia en Fase Líquida.

La Epitaxia en Fase Líquida (LPE) es una técnica madura que ha sido utilizada para la producción de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos a base de compuestos semiconductores III-V durante más de 40 años. Dispositivos tales como los LEDs, diodos láser, detectores infrarrojos, entre otros, fueron fabricados por primera vez con el empleo de ésta técnica.

El término “Epitaxia en Fase Líquida” hace referencia a un crecimiento de capas epitaxiales a partir de soluciones a altas temperaturas. Generalmente, un metal del  grupo III (como Ga o In) es utilizado como solvente de As, cuando el solvente se enfría  estando en contacto con un sustrato de GaAs, se vuelve supersaturado con As y comienza una nucleación de GaAs sobre el sustrato. Al utilizar deslizadores con diferentes solutos se pueden crecer capas epitaxiales sucesivas con diferentes composiciones o dopantes.

Existen dos formas de crecer una solución líquida sobre un sustrato sólido: ya sea que se sumerja el sustrato en una solución supersaturada o que la solución sea transportada en la región del crisol donde se localiza el sustrato.

Los aspectos que se tienen que tomar en cuenta para realizar el proceso de LPE son los siguientes:

• Diagrama de fases líquido-sólido.

Es una representación que muestra las fases en las que se van a encontrar los componentes de determinado compuesto a una temperatura dada. En la figura 1, la curva superior representa la línea liquidus, las mezclas que se encuentren a una temperatura superior a esta línea estarán en fase líquida saturada. Por otra parte, la línea inferior es la de solidus, que muestra la composición de fase sólida que está en equilibrio con la fase líquida saturada.

[pic 1]

Gráfica 1. Diagrama de fases para el sistema binario Ga-As.

• Elección el solvente.

Éste debe cubrir ciertos requerimientos, entre ellos debe ser neutro para el material que se desea crecer, de lo contrario afectaría la conductividad; tiene que garantizar alta solubilidad para el disoluto; la temperatura de fusión del solvente tiene que ser menor que la temperatura de crecimiento; se deben evitar solventes tóxicos o peligrosos.

• Elección de las temperaturas de crecimiento.

La temperatura de crecimiento define la calidad y el grosor de la capa epitaxial, de tal forma que a temperaturas altas se generan capas gruesas pero, debido a que la velocidad de crecimiento es más rápida,  da lugar a una mayor cantidad de imperfecciones. Caso contrario a un crecimiento a temperaturas bajas, donde la velocidad de crecimiento es lenta por lo que se utiliza para crecer capas epitaxiales delgadas.

• Características del sustrato.

La elección del sustrato tiene que ser cuidadosa, ya que éste actúa como una semilla, por lo que define el tipo y parámetro de red de la estructura, la orientación y la velocidad de crecimiento, en otras palabras, el sustrato y la capa deben tener la misma estructura cristalina y los parámetros de red deben ser cercanamente iguales.

• Escoger las impurezas para formar diferentes tipos de conductividad.

En el caso de los semiconductores III-V se pueden dopar con elementos de la columna II de la tabla periódica para dar lugar a un semiconductor tipo-p; al doparse con elementos del grupo VI se generan semiconductores tipo-n. Asimismo se pueden agregar átomos de la columna IV, como Ge o Si, si éstos sustituyen a átomos de la columna III tenemos un tipo-n de lo contrario obtenemos un semiconductor tipo-p.

Otros puntos a tomar en considerar antes de realizar el proceso por LPE son:

• El ambiente para el proceso de crecimiento.

El ambiente puede ser en vacío, la desventaja de éste es que es muy difícil y caro, por lo que existe la posibilidad de hacer el crecimiento en un ambiente neutral pero éste también tiene un inconveniente, ya que no es adecuado para óxidos. El tercer ambiente es el activo, en el que se utilizan óxidos e hidrógeno, una de sus ventajas es que limpia las superficies oxidadas, sólo que al emplear este ambiente se tiene que tener cuidado de que no existan fugas de hidrógeno.

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