viernes, 19 de marzo de 2010

Investigacion Parcial III. Anderson J. Mariño O. C.I.17.456.750 ess


1. CRECIMIENTO DE GaAs

• Uno de los compuestos
III-V utilizado más frecuentemente en el
diseño y fabricación de células solares de concentración

– es el semiconductor arseniuro de galio,
GaAs.
• Para conseguir células solares de alta eficiencia

– es necesario un conocimiento exhaustivo acerca de la calidad y
características del material crecido epitaxialmente.
– De esta manera, se asegura

la repetibilidad en las estructuras semiconductoras
al igual que una alta precisión en el control de sus propiedades (dopaje,
espesor, etc.).

• Para células solares de
GaAs
– los espesores de las capas semiconductoras varían entre decenas de
manómetros y varias micras.
– Para este rango amplio de espesores es necesario dominar la velocidad de
crecimiento de los materiales.

• Respecto a los requerimientos del dopaje, para
p-GaAs
– el rango necesario abarca desde
3·1017cm-3, para la base, hasta el mayor
dopaje posible para la
BSF ( del inglés "Back Surface Field").
• Similarmente para
n-GaAs,
– cuyo mínimo valor se encuentra alrededor de
8·1017cm-3 para el emisor
hasta el mayor dopaje posible para la capa de contacto.

• Para controlar este rango amplio de dopajes

– es necesario estudiar la influencia de los parámetros fundamentales que
dominan el proceso de crecimiento epitaxial de
GaAs por MOVPE:
i) temperatura de crecimiento (TG),
ii) flujos de los precursores de entrada (fV, fIII)
iii) relación entre la presión parcial del elemento del grupo V y del elemento
del grupo III a la entrada del reactor, (
V / III),
iv) fracción molar del dopante en fase vapor, ([DETe],[DMZn])
v) orientación del substrato y

vi) presión total en el reactor (PT).
• Por tanto, es importante el estudio de la influencia que las variables
(
TG, fV, fIII, V/III, [DETe] y [DMZn]: dimethylzinc)
– tienen en el crecimiento y la calidad del
GaAs,
tanto tipo p como tipo n,
con el fin último de crecer células solares por MOVPE con las
especificaciones deseadas.

• Es importante analizar las directrices propias del crecimiento por

MOVPE
.
2. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH3
Precursores de galio

• La elección de los precursores utilizados en el
crecimiento por
MOVPE determina, en gran
medida,

– las condiciones de crecimiento óptimas,
– al igual que la calidad del material cristalino.

• Se han presentado diferentes tablas

– resumiendo las fuentes más comunes en el
crecimiento por
MOVPE de semiconductores III-V.
• Ahora particularizaremos la información de un
reactor.

– Como fuente de galio se utilizan,

• principalmente, dos tipos de precursores
metalorgánicos:

– i) trimetilgalio (
TMGa) cuya fórmula química es (CH3)3Ga
y
– ii) trietilgalio (
TEGa) cuya fórmula química es
(
C2H5)3Ga).
– La diferencia más importante entre ambos
precursores radica

• en el
número de átomos de carbono que acompañan
al átomo de galio.

– Este factor determina, fundamentalmente,

• la temperatura necesaria para completar el proceso de
pirólisis y
• los diferentes radicales residuales debidos al proceso
de descomposición.

3. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH3
Precursores de galio

• Muchos trabajos abordan

la pirólisis de los diferentes precursores
metalorgánicos.
– La mayoría de ellos concluyen que el
TMGa se
descompone en fase vapor formando radicales del
tipo

• metil (
CH3)- y
• mono-metilgalio (
GaCH3),
• mientras que el
TEGa produce
– una molécula de
GaH3 y
– tres moléculas de etileno (
C2H4).
• Esta diferencia es el origen de la existencia de

C
en GaAs
– cuando el precursor es
TMGa, frente al TEGa,
• para el cual no se ha detectado
C en GaAs crecido en
las condiciones habituales.

• Cuando el radical (
CH3)- llega a la superficie
– puede perder un átomo de hidrógeno,
– generando
(CH2)2
-
(altamente reactivo),
• que a su vez se descompone generando
C, el cual se
incorpora a la capa epitaxial.

• La manera óptima de evacuar el radical metil
de la superficie

– es mediante la reacción con
H monoatómico,
– proveniente de la pirólisis del precursor del
grupo V,
generalmente arsina (
AsH3).
4. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH3
Precursores de galio

• Respecto a la temperatura de pirólisis,

– a medida que aumenta el tamaño de la molécula,

• disminuye la temperatura necesaria para
descomponerla,

– ya que el enlace metal-carbono es más débil cuanto más
larga es la cadena del radical

• Así, cuando el gas portador es
H2,
– el proceso de pirólisis del
TMGa alcanza el 50% a
450 ºC
,
– frente al
TEGa, cuyo proceso de descomposición
está prácticamente completo a
350 ºC.
• Aunque el
TEGa genera GaAs con un dopaje
residual

– debido al carbono mucho menor que el
TMGa,
• este último es más estable,

– lo que permite su almacenaje durante periodos de
tiempo prácticamente infinitos y,

• además, es menos proclive a reacciones parásitas

– debido a descomposiciones prematuras.

• En consecuencia, no hay argumentos claros
para elegir uno u otro.

– Se puede seleccionar
TMGa
• ya que permite mayores tiempos de almacenaje y
porque puede usarse como fuente intrínseca de
carbono.

5. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH
3
Precursores de arsénico

• El precursor para el
As más comúnmente utilizado
– es la arsina (
AsH3), ya que además de suministrar As,
• genera hidrógeno monoatómico en la superficie, necesario para la
evacuación del radical
CH3 proveniente del TMGa.
• Además, los hidruros en general, se encuentran fácilmente con un
grado muy elevado de pureza.

• La desventaja fundamental de estos compuestos es:

– su alta toxicidad,
– su carácter pirofórico
– y su elevada temperatura de pirólisis, ya que a 600 ºC sólo el 50%
de la
AsH3 se ha descompuesto lo que supone un pérdida
importante de material.

• Con el objetivo de conseguir procesos más seguros y más
eficientes

– se comenzaron a desarrollar otras fuentes de arsénico.

• La más común es la denominada
TBAs (C4H9AsH2), la cual
– piroliza a temperaturas muy inferiores a la arsina, (50% a 425 ºC)
y, aunque también es tóxica,

• es un líquido a presión atmosférica.

• Los productos resultantes de su pirólisis son, entre otros,

AsH y/o AsH2,
• que al descomponerse generan
H monoatómico
– para la evacuación del
radical metil de la superficie de crecimiento.
• Este hecho hace que para
GaAs crecido con TMGa y TBAs,
– los resultados de material sean similares a los obtenidos con

TMGa
y AsH3, incluso cuando la proporción V/III en el caso del
TBAs
sea 2,5 veces menor que para la AsH3.
– Respecto a la fabricación de células solares con
TEGa y AsH3,
• los resultados son análogos a los obtenidos utilizando
TMGa y AsH3
• La desventaja fundamental de la
TBAs
– es su elevado coste
– y la escasa información existente sobre su comportamiento frente
a la arsina. Por eso, un reactor puede incorporar
AsH3.
6. CRECIMIENTO DE GaAs
MATERIALES DE PARTIDA. EL SISTEMA TMGa + AsH
3
El sistema TMGa + AsH
3
• Se puede utilizar
TMGa y AsH3 como
precursor de galio y de arsénico,
respectivamente.

– este sistema presenta una serie de restricciones
respecto a la temperatura
– y proporción
V/III para el crecimiento óptimo de
GaAs
.
• Por un lado, para garantizar un dopaje residual
bajo debido al carbono,

– la relación entre el flujo de
TMGa y el flujo de AsH3
ha de ser suficientemente elevado

• para garantizar una evacuación eficiente del radical
metil procedente del
TMGa.
• Por otro lado, el valor de la temperatura de
crecimiento (
TG)
– ha de tender a ser superior a
600 ºC para conseguir,
al menos,

• el
50% de pirólisis de la arsina
• y garantizar, así, el crecimiento en régimen de
transporte de masa
• y una evacuación efectiva del
radical metil.
• Por otro lado,
TG debe ser inferior a 750 ºC
– para evitar efectos termodinámicos
– y para minimizar las
posibles contaminaciones de
Ge
y Si provenientes de la arsina
7. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Influencia de la temperatura de crecimiento,
TG
Una vez elegidos los precursores,
es necesario conocer cómo afectan los diferentes parámetros de
crecimiento a la calidad y a las propiedades del
GaAs intrínseco.
Se debe describir de manera detallada
la influencia de la temperatura de crecimiento, la proporción V/III,
la presión total del reactor,
el flujo total del reactor
y la orientación de la oblea.
La temperatura de crecimiento
es probablemente unos de los parámetros más importantes en el
crecimiento epitaxial por
MOVPE.
Tiene una influencia directa
en el régimen de crecimiento
y en la incorporación de dopantes,
tanto deseados como indeseados.
Debido a que el efecto de la temperatura óptima de crecimiento
es diferente para las diferentes combinaciones de precursores,
se considera el sistema más comúnmente utilizado TMGa + AsH3.
Para el sistema TMGa + AsH3
el rango limitado por transporte de masa está entre 550 ºC y 750 ºC.
Para este rango de temperaturas, el TMGa se descompone en su totalidad
y la pirólisis de la arsina es suficientemente elevada como para que la
incorporación de carbono sea despreciable, siempre que la proporción V/III
sea suficientemente elevada.

Como se explicado en el rango limitado por transporte de masa,
la velocidad de crecimiento depende linealmente del flujo del elemento
del
grupo III (TMGa).
La constante de proporcionalidad se denomina eficiencia de
crecimiento (
EC),
y es independiente del flujo del elemento del grupo V (AsH3),
de la temperatura
o de la orientación del substrato.
En este rango de temperaturas
se han reportado las mejores características de GaAs intrínseco
crecido por
MOVPE.
8. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Influencia de la temperatura de crecimiento,
TG
• Para temperaturas inferiores a
550 ºC,
– la pirolisis del
TMGa no se ha completado
– y la descomposición de la arsina está
por debajo
del 50%.

• Esto tiene dos efectos directos:

– por un lado, la velocidad de crecimiento depende

• de la temperatura ya que el crecimiento está limitado
por la pirólisis del
TMGa y,
– por otro, la incorporación de
carbono indeseado
• es muy elevada, ya que no se genera suficiente
H
monoatómico procedente de la arsina.

• Por el contrario, si la temperatura es superior a
750 ºC,

– la velocidad de crecimiento empieza a disminuir con

T
G,
• probablemente debido a una
evaporación de galio de
la superficie de crecimiento.

• Además, a medida que aumenta la
temperatura por encima de
700 ºC,
– la movilidad disminuye debido

• a la excesiva incorporación de impurezas no
deseadas; fundamentalmente
Si y Ge (tipo n)
provenientes de la arsina.
• A
700 ºC el nivel de impurezas no deseadas (ND+NA)
supera
3·1015 cm-3
• Por tanto, para el sistema
TMGa + AsH3,
– el rango de temperatura de crecimiento óptimo para
el
GaAs se encuentra entre 600 y 700 ºC.
9. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Proporción V/III,
V/III
• La proporción
V/III se define
– como la relación entre la presión parcial del elemento del

grupo V

– y del elemento del
grupo III a la entrada de la cámara de
reacción.

• Para el crecimiento de
GaAs con TMGa y AsH3
– se utilizan proporciones
V/III elevadas,
• ya que
el arsénico es un elemento volátil a las temperaturas
de crecimiento habituales del
GaAs, a diferencia del Ga.
• Esto implica que el arsénico abandona la red cristalina

– y, por tanto, es necesario una sobrepresión de
As en la
superficie de crecimiento.

• Además, como la
pirólisis de la arsina es menos
eficiente que la del
TMGa,
– es necesario crecer con valores de
V/III mayores que 1,
más concretamente
V/III ha de ser mayor de 3.
– Si
V/III es menor de 3, la densidad de defectos es elevada,
• debido a la presencia de
Ga en fase líquida sumada al GaAs
en estado sólido,

– generando
gotas de galio que empeoran significativamente la
morfología del material

• Por otro lado,
V/III tiene un efecto directo en la
incorporación de impurezas residuales.
• Para el sistema
AsH3+TMGa,
– en ausencia de un dopante intencionado,
– el valor de
V/III determina la polaridad de GaAs
intrínseco

10. CRECIMIENTO DE GaAs
CONDICIONES DE CRECIMIENTO
Proporción V/III,
V/III
• En la tabla II.1 se ha resumido

– la relación entre
V/III
y el dopaje residual cuando la temperatura de crecimiento
es
700ºC.
• Es importante aclarar que los valores de
V/III que
delimitan las diferentes regiones

– pueden depender de otras variables de crecimiento, como

• la temperatura
• o la presión pero, en cualquier caso,
• el proceso de incorporación de impurezas residuales es
similar para todo el rango de temperaturas habituales (
550º-
750ºC
).
• Si los precursores son
AsH3 y TEGa,
– las propiedades eléctricas de la capa son mucho menos
dependientes la proporción
V/III
• ya que la incorporación de
C es mucho más baja.
• Por tanto, para fijar la proporción
V/III,
– primero se determina el flujo de
TMGa de acuerdo
• con la velocidad de crecimiento objetivo a través de la
eficiencia de crecimiento
• y posteriormente, se establece el flujo de
AsH3 para obtener
la proporción
V/III que optimiza la calidad de la capa epitaxial.
• Es importante tener en cuenta que los rangos de
V/III
– comentados en la
tabla I.1 son válidos para 700 ºC.
• Para otras temperaturas, los tramos existentes

– son similares aunque los valores de
V/III que delimitan
cada régimen varían.

• Así, para temperaturas inferiores a
700 ºC,
– el valor de la proporción
V/III que genera GaAs tipo n es
mayor,

• ya que la proporción de
arsina descompuesta es menor.

17. CRECIMIENTO DE GaAs
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO,
EC
• La técnica de crecimiento epitaxial por
MOVPE
– permite la fabricación de capas semiconductoras con un
rango de espesores muy amplio,

• desde decenas de nanómetros hasta centenas de micras.

• Para que esta ventaja sea efectiva,

– es necesario conocer

• la velocidad de crecimiento (
vc) de los materiales de interés y
– de esta manera obtener
una estructura de capas muy cercana
al óptimo teórico.

• Es decir, conocer la influencia de

– las diferentes variables del proceso en la velocidad de
crecimiento.

• Según lo expuesto previamente,

– en la región de temperaturas comprendidas entre los
550
ºC
y 750 ºC
• el crecimiento por
MOVPE se encuentra limitado por
transporte de masa
.
• Si además, la proporción
V/III es mayor que 1,
– la velocidad de crecimiento está controlada

• por el flujo difusivo del elemento del
grupo III a través de la
capa frontera:

– donde
DIII es la constante de difusión del elemento del
grupo III
,
0 es el espesor de la capa frontera y
pIII es la presión parcial del elemento del grupo III a la
entrada de la cámara de reacción
P´III y es la presión parcial del elemento del grupo III en la
superficie de crecimiento.

18. CRECIMIENTO DE GaAs
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO,
EC
• Es decir, cuando
V/III>>1,
– la presión parcial del elemento del
grupo III en la
superficie de crecimiento es casi nula
(p´III 0),
– y la presión parcial del elemento del
grupo V en la
superficie de crecimiento coincide casi con la existente a la
entrada del reactor
(p´V pV).
• Por tanto,

– cada átomo del elemento de
grupo III que llega a la oblea
participa en la formación de nuevo sólido y,
– en consecuencia, la velocidad de crecimiento,
vg,
• es directamente proporcional al flujo de entrada del elemento
del
grupo III, fIII (en este caso TMGa),
– a través del parámetro denominado eficiencia de crecimiento,
EC
• Es importante resaltar que el valor de la eficiencia de
crecimiento

– es característico de cada
reactor epitaxial y de cada
material.

• Esto implica que para las dos geometrías del reactor,

– la eficiencia de crecimiento será diferente.

• La obtención empírica de dicho valor

– permite controlar el espesor de las capas epitaxiales de

GaAs

– y es el primer paso a seguir a la hora de calibrar el
crecimiento epitaxial de cualquier semiconductor mediante

MOVPE.

19. CRECIMIENTO DE GaAs
EFICIENCIA DE CRECIMIENTO,
EC
Efectos cinéticos

• Para
GaAs dopado con Zn se ha constatado
– un aumento de la velocidad de crecimiento
– a medida que aumenta la incorporación de
Zn
– Este resultado es meramente empírico
– y actualmente no existe una explicación clara para este

efecto cinético
vinculado al Zn.
– Este hecho hace que la eficiencia de crecimiento dependa

• de la temperatura
• y la fracción molar de
DMZn o DEZn,
– ya que la incorporación de
Zn depende de ambos parámetros.
• Respecto a los efectos de la presencia de
Te en la
eficiencia de crecimiento,

– parece previsible que el efecto superficial del
Te
introduzca efectos cinéticos.

• A día de hoy desconocemos trabajos que traten
explícitamente la relación entre

– la eficiencia de crecimiento de
GaAs
– y la fracción molar de
DETe,
– pero existen evidencias de que el
Te
• introduce fluctuaciones en la composición de
GaInP
– ya que influye de manera desigual en la incorporación de
In y Ga
• Además, existen modelos que predicen una relación
directa

– entre la adsorción de átomos de
As y de Ga
– y los átomos de
Te en superficie
• Por tanto, cabe esperar que existan efectos cinéticos,

– no contemplados en el modelo termodinámico clásico, en
la eficiencia de crecimiento de
GaAs
• debido a la presencia de
Te.
20. CRECIMIENTO DE GaAs
DOPADO DE GaAs. INTRODUCCIÓN TERMODINÁMICA

• Como se comentó previamente,

– en el régimen de crecimiento habitual

• el crecimiento está controlado por el flujo difusivo del
elemento del
grupo III hasta la superficie.
• Esto implica que la superficie está vacía de galio,

– o lo que es equivalente, la presión parcial en la superficie
es cero (
p´III0) y
– que el flujo difusivo del elemento del
grupo V sea
prácticamente nulo

• ya que la presión parcial a al entrada (
pV)
– es igual que la presión parcial en la superficie de crecimiento
(
p´V). Bajo estas condiciones, el nivel de incorporación de un
dopante
» vendrá determinado por su flujo de llegada a la superficie
de crecimiento.
» Se puede definir así
la concentración de dopante en el
sólido
(x2
D
) como:
• Donde:

DD y DGa son la constante de difusión del dopante y del
galio, respectivamente y
0 es el espesor de la capa frontera.
• En la expresión (2.3) se ha asumido que
DD y DGa son
iguales.
• Adicionalmente, sabemos que

– la concentración de dopante en el sólido
– y su presión parcial en la superficie de crecimiento

• pueden relacionarse de forma directa a través del coeficiente
de incorporación (
k):
21. CRECIMIENTO DE GaAs
DOPADO DE GaAs. INTRODUCCIÓN TERMODINÁMICA

• Si suponemos que el sólido y la fase gaseosa se encuentran en
equilibrio,

– utilizando las expresiones (2.3) y (2.4)
– podemos llegar a dos ecuaciones muy sencillas para
x2
D
en dos casos
límite:

• 1.
Caso 1 - La presión de vapor del dopante sobre el sólido es
muy pequeña:

– En este caso se cumple

• que en el equilibrio entre sólido y fase gaseosa

no existe apenas dopante.
• Por tanto, todo el dopante que entra al reactor

– se incorpora al sólido
(pD>>p´D 0).
– Este es el caso que representa la situación de limitación por flujo de masa. Utilizando (2.3)
tenemos que:

• 2.
Caso 2: La presión de vapor del dopante sobre el sólido es muy
elevada:

– En este caso se cumple que la mayor parte del dopante es reevaporado y

p
Dp´D.
• Por tanto, aplicando la ecuación (2.4) obtenemos que:

• En general, por la expresión (2.4) sabemos

– que
xS
D
=kp´D y,
– además, el dopaje (
ND) es proporcional a la fracción molar de dopante en el
sólido (
ND~xS
D
).
– De estas dos consideraciones se deduce directamente que:

• Nuestro interés principal será relacionar la concentración de dopante
con los flujos,

– de constituyentes y
– dopantes,

a la entrada del reactor.
– Dichas relaciones se encuentran resumidas en la tabla II.3

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