Preparación de películas finas - Epitaxia
La mayoría de los materiales existen en estado amorfo, cristalino o policristalino. Sus propiedades mecánicas, ópticas, térmicas y eléctricas también varían en función de su estado.
Por ejemplo, el carbono en su forma amorfa es un polvo negro, mientras que en su forma cristalina es un diamante con un alto índice de refracción y un sólido ópticamente transparente. En su forma amorfa, el óxido de silicio es un polvo blanco y en su forma cristalina es cuarzo.
Como las películas cristalinas son más difíciles de producir, las amorfas se utilizan siempre que su rendimiento no satisfaga las necesidades de la aplicación. Es el caso de los revestimientos ópticos, donde el índice de refracción de la mayoría de las películas puede ser extraordinariamente fiable y reproducible, incluso en estado amorfo aleatorio. Las películas metálicas también se utilizan en estado amorfo, ya que su conductividad eléctrica y su reflectividad óptica pueden reproducirse con fiabilidad. La principal diferencia entre los materiales amorfos y cristalinos radica en su estructura de bandas de energía electrónica. Los materiales amorfos no tienen una estructura de bandas de energía definida debido a su orientación aleatoria, mientras que las estructuras cristalinas sí.
Las láminas delgadas cristalinas sólo pueden crecer en un sustrato cuya estructura reticular se aproxime a la de la lámina que se va a cultivar. Si el sustrato es idéntico a la película, se habla de epitaxia homogénea. Si los sustratos son ligeramente diferentes, pero compatibles, se habla de epitaxia heterogénea.
Además del silicio común, la epitaxia se utiliza sobre todo en semiconductores IIIeV como GaAs, InP, InAs, etc. Muchos semiconductores IIIeV presentan propiedades interesantes en el sentido de que su estructura de bandas de energía puede ajustarse mediante la inclusión de otros elementos (por ejemplo, GaxAl1 xAs) sin cambiar significativamente su estructura cristalina original. Esto permite apilar capas epitaxiales con diferentes estructuras de banda electrónica. Esto es la heteroepitaxia y se está convirtiendo en algo habitual en dispositivos optoelectrónicos como diodos láser, diodos emisores de luz (LED) y dispositivos de pozos cuánticos.
CVD metálico orgánico
El CVD orgánico metálico (MOCVD) es un proceso de CVD utilizado para hacer crecer películas epitaxiales, muy parecido al LPCVD, haciendo fluir un gas precursor sobre un sustrato. En los semiconductores IIIeV, los elementos metálicos son transportados por gases orgánicos como el trimetilgalio (Ga(CH3)3) y el trimetilindio (In(CH3)3), así como la arsina (AsH3) o la fosfina (PH3). Debido a la pirólisis en la superficie del sustrato calentado, se permite que los gases se descompongan para producir la película deseada. Las presiones de proceso suelen ser del orden de 10e100 Torr, lo que da lugar a velocidades de crecimiento relativamente rápidas. Una desventaja de la MOCVD es la toxicidad y la naturaleza explosiva de los gases precursores, lo que dificulta su uso en pequeños laboratorios de investigación. Sin embargo, el MOCVD es un proceso escalable adecuado para la fabricación por lotes, ya que se pueden colocar muchos sustratos en la cámara al mismo tiempo. Por ello, se utiliza ampliamente para fabricar láseres de pozo cuántico, LED y otros componentes.
Epitaxia de haces moleculares
Aunque la MOCVD es similar a la LPCVD, la epitaxia de haces moleculares (MBE) puede considerarse similar a la evaporación PVD y se realiza en vacío ultraalto. Esto hace que la MBE sea más adecuada para aplicaciones que requieren niveles muy altos de pureza. Las fuentes sólidas, como el galio o el indio, procedentes de distintas celdas de acumulación suelen sublimarse y condensarse en el sustrato. Estas células están cerradas para permitir una transición rápida y precisa de un material a otro. El entorno de alto vacío también permite utilizar una amplia gama de herramientas de diagnóstico en el proceso de crecimiento. Muchos sistemas MBE utilizan la difracción de electrones de alta energía reflejada (RHEED) para supervisar el proceso de crecimiento y son capaces de contar las monocapas a medida que crecen. La configuración de la fuente también hace que el sistema sea mucho menos peligroso que el MOCVD. La epitaxia de haz químico es una variación de la MBE en la que se utiliza una fuente de gas en lugar de una fuente sólida, pero los principios son muy similares. La mayor desventaja de la MBE frente a la MOCVD es la lentitud del crecimiento y la imposibilidad de hacer crecer muchas obleas al mismo tiempo. No obstante, se utiliza más que el MOCVD en instalaciones de investigación y en algunos entornos de producción limitados para estudiar las propiedades fundamentales del crecimiento de películas epitaxiales.
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