Caracterización de superficies de semiconductores crecidos por epitaxia de haces molecularres (MBE), usando la técnica de difracción de electrones de alta energía con incidencia rasante (RHEED)

Buitrago Fernández, Natalia

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Colecciones : PFC. Proyecto Fin de Carrera de Ingeniería de Materiales
Fecha de publicación : 2004

Sujets

• Sciences et techniques

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• Publié par: Salamanca
• Nombre de lectures: 71
• Licence : En savoir +
  Paternité, pas d'utilisation commerciale, partage des conditions initiales à l'identique
• Langue: Español
• Poids de l'ouvrage: 21 Mo

Extrait

´Indice general
1. Introducci´on. 3
1.1. Epitaxia de haces moleculares (MBE). . . . . . . . . . . . . 4
1.2. Difracci´ondeelectronesdealtaenerg´ıaconincidenciarasante
(RHEED). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Motivaci´on del trabajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Organizaci´on del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. Epitaxia de haces moleculares (MBE). 11
2.1. Epitaxia por MBE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2. Equipo de epitaxia de haces moleculares (MBE). . . . . . . . 13
2.2.1. C´amaras de introducci´on y crecimiento. . . . . . . . . 17
2.2.2. Celdas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3. Manipulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4. Bombas de vac´ıo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Procesos de crecimiento epitaxial en un MBE. . . . . . . . . 24
3. Ejemplos de crecimiento MBE. 29
3.1. Sustratos de silicio: Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.1. Limpieza de las obleas de Si. . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.2. Desorci´on del o´xido qu´ımico. . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.3. Superficies limpias de semiconductores. . . . . . . . . 33
3.2. Homoepitaxia del silicio: Si/Si(001). . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1. Crecimiento por propagaci´on de escalones. . . . . . . 44
3.2.2. Crecimiento por islas bidimensionales. . . . . . . . . 44
3.2.3. Dependenciadelr´egimendecrecimientoconlatempe-
ratura del sustrato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.4. Dependencia del r´egimen de crecimiento con la veloci-
dad de deposici´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3. Heteroepitaxia del germanio sobre silicio: Ge/Si(001). . . . . 46
3.3.1. Islas coherentemente deformadas. . . . . . . . . . . . 48
3.3.2. Islas dislocadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3. Densidad de islas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.4. Recubrimiento de islas de Ge por una capa de silicio. 54
1

´INDICE GENERAL
3.4. Heteroepitaxia de la aleaci´on de silicio-germanio sobre silicio:
Si Ge /Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561−x x
3.5. Heteroepitaxia de la aleaci´on de silicio-carbono sobre silicio:
Si C /Si(001).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581−y y
4. Difraccion´ de electrones de alta energ´ıa (RHEED). 61
4.1. RHEED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2. Dispositivo experimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1. Can´˜on de electrones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2. Fuentes de alimentaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.3. Pantalla fluorescente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.4. Mandos de control del RHEED. . . . . . . . . . . . . 71
4.3. Aspectos importantes a tomar en consideraci´on en el sistema
RHEED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1. Condiciones de UHV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
´4.3.2. Angulo de incidencia del haz sobre la muestra. . . . . 76
4.3.3. Profundidad de penetraci´on de los electrones en la
muestra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4. Condiciones de difracci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5. Interpretaci´on de los patrones de difracci´on. . . . . . . . . . 97
4.5.1. Superficie amorfa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5.2. Superficies cristalinas planas. . . . . . . . . . . . . . 99
4.5.3. Superficie con islas tridimensionales. . . . . . . . . . 100
4.5.4. Superficie policristalina. . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.6. Oscilaciones en la intensidad del haz especular.. . . . . . . . 103
5. Resultados de los an´alisis de crecimiento epitaxial mediante
RHEED. 107
5.1. Sustratos de Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2. Si/Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3. Ge/Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4. Si Ge /Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1161−x x
5.5. Si C /Si(001).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1181−y y
6. Conclusiones. 121
2

Cap´ıtulo 1
Introducci´on.
En este trabajo fin de carrera se ha abordado el estudio del crecimiento
de sistemas epitaxiales crecidos por epitaxia de haces moleculares (MBE).
Para llevar a cabo el seguimiento y caracterizaci´on ”in situ”de la morfolog´ıa
superficial de estos sistemas se ha utilizado la t´ecnica de difracci´on de elec-
trones de alta energ´ıa con incidencia rasante (RHEED).
En concreto, en este trabajo se han estudiado los sistemas Si/Si(001),
Ge/Si(001), Si Ge /Si(001) y Si C /Si(001), as´ı como los sustratos de1−x x 1−y y
silicio utilizados en los crecimientos y su preparaci´on.
3

Cap´ıtulo 1. Introducci´on.
1.1. Epitaxia de haces moleculares (MBE).
Lat´ecnicaMBEfuepropuestaporAlfredY.Choaprincipiosdelosano˜ s
70,aunquelasideasfundamentalesenlasquesebasapartendel“m´etodode
las tres temperaturas” desarrollado por Gun¨ ther en 1958 y de los trabajos
de Arthur sobre la cin´etica y estructura de la superficie de GaAs cuando
interaccionan con ´esta haces moleculares de Ga y As . En sus comienzos,2
con esta t´ecnica se obtuvieron estructuras basadas en GaAs y AlGaAs prin-
cipalmente, pero actualmente se ha convertido en una t´ecnica muy vers´atil
y apta tanto para el crecimiento epitaxial de estructuras semiconductoras
como de metales, superconductores o aislantes. El trabajo que abordamos
se centra en el crecimiento, evoluci´on y caracterizaci´on superficial de hete-
roestructuras de semiconductores tipo IV, tales como el silicio, el germanio
o el carbono.
La epitaxia de haces moleculares es una t´ecnica de evaporaci´on desarrol-
lada en un entorno de ultra-alto vac´ıo que permite obtener l´aminas epita-
xiales (es decir, que reproducen la estructura cristalina del substrato) de un
material a partir de la reacci´on entre los flujos de sus componentes (haces
moleculares) sobre la superficie de un substrato monocristalino, que se en-
cuentra a una temperatura de varios cientos de grados. Los ato´ mos de los
materiales que se pretenden depositar llegan al sustrato y se adhieren a ´el
continuando la estructura de su red cristalina. Con esta t´ecnica se pueden
obtener materiales de alta pureza y estructuras con diferentes materiales y
con niveles modulados de dopado o impurificaci´on.
Los hacesde ´atomos omol´eculas se obtienen apartirdelasublimaci´ono
evaporaci´on de los elementos correspondientes, que se encuentran en forma
s´olida en las celdas de efusi´on. Los flujos procedentes de cada celda, que
determinan la velocidad de crecimiento y la composici´on del material, se
controlan con la temperatura a la que se haya sometido el material en las
mismas. Adem´as, las celdas van provistas de pantallas que permiten cortar
el flujo de cada material, de forma casi instant´anea, en el momento deseado.
Lo que distingue a la t´ecnica de epitaxia de haces moleculares de otras
t´ecnicas de deposici´on en vac´ıo es un control significativamente m´as preciso
en los flujos moleculares y las condiciones de crecimiento. Con esta t´ecnica,
es sencillo adecuar una estructura a su diseno,˜ por tanto, si se puede obte-
ner manteniendo las condiciones que requiere el mecanismo de crecimiento
dominante en el proceso, el cual es responsable de la alta calidad cristali-
na y morfol´ogica de las l´aminas epitaxiales. Esto supone una restricci´on en
cuanto a la posibilidad de combinar en una misma estructura epitaxial ma-
teriales diversos que requieren condiciones de crecimiento distintas o que
4

Cap´ıtulo 1. Introduccion.´
presentan diferencias apreciables en sus redes cristalinas, o a hacer compati-
blesprocesostecnol´ogicosconsecutivos.Noobstante,sontantaslasventajas
que presenta la t´ecnica MBE, en lo que respecta la control de espesores y
dopado, calidad opt´ ica y el´ectrica de las muestras obtenidas o eficiencia de
producci´on, que la tendencia generalizada est´a encaminada a idear y probar
modificaciones del equipo b´asico que ensanchen el rango de condiciones de
operaci´on, en lugar de emplear otras t´ecnicas de crecimiento menos prome-
tedoras.
Loslogrosqueseobtienenconelusoydesarrollodeestat´ecnicaempiezan
a ser abrumadores, y hacen necesaria la combinaci´on de t´ecnicas de obten-
ci´on, equipos de caracterizaci´on f´ısica y sistemas sencillos de procesado para
comprobar la aplicabilidad de estructuras nuevas en dispositivos integrados.
La epitaxia de haces moleculares ha hecho posible la fabricaci´on de dispos-
itivos imposibles de realizar con otras t´ecnicas. Graci