MOCVD

La deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD) es un método para depositar películas cristalinas delgadas sobre un sustrato mediante la introducción de precursores químicos metalorgánicos en una cámara de reacción calentada. Los precursores se descomponen o reaccionan en la fase gaseosa, y sus productos se condensan sobre la superficie caliente del sustrato de manera controlada, capa por capa. Es la técnica dominante para fabricar semiconductores compuestos como el nitruro de galio (GaN), el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (InP), que alimentan los LED, los diodos láser y los transistores de alta frecuencia.

El proceso funciona haciendo fluir gases portadores (a menudo hidrógeno o nitrógeno) que transportan precursores metalorgánicos vaporizados a una cámara de reacción calentada, típicamente mantenida entre 500 y 1100 grados Celsius, dependiendo de los materiales que se estén cultivando. Los precursores comunes incluyen trimetilgalio (TMG) para el galio, trimetilindio (TMI) para el indio y arsina (AsH3) o fosfina (PH3) para los elementos del grupo V. Las moléculas precursoras se descomponen cerca de la superficie del sustrato, y los átomos se recombinan para formar el compuesto cristalino deseado. Los dopantes para el dopaje eléctrico (silicio para tipo n, magnesio para tipo p) se introducen como precursores gaseosos separados en concentraciones controladas.

Tipos de reactores y variantes de proceso

Los sistemas MOCVD varían ampliamente en escala y diseño. Los reactores a presión atmosférica operan a alrededor de 1 atm y son más simples y de menor costo; los reactores de baja presión (10 a 100 torr) ofrecen una mejor uniformidad y control del espesor en obleas más grandes. Los reactores de tubo horizontal colocan la oblea horizontalmente con el gas fluyendo sobre ella; los reactores verticales (como los diseños de barril o de cabezal de ducha acoplado) dirigen el gas hacia abajo sobre la oblea y son preferidos para la producción porque manejan tamaños de oblea más grandes y múltiples obleas por ciclo. Los sistemas de producción pueden cargar de seis a diez obleas de 2 pulgadas (50 mm) o obleas completas de 6 pulgadas (150 mm) u 8 pulgadas (200 mm) de diámetro.

La calidad de las películas depende críticamente de la uniformidad de la temperatura, las tasas de flujo de los precursores, la química en fase gaseosa y la pureza de los precursores. Errores de temperatura de solo unos pocos grados Celsius causan variaciones significativas en la tasa de crecimiento y la incorporación de dopantes en toda la oblea. El flujo de precursores se regula burbujeando gas portador a través de fuentes líquidas calentadas o utilizando evaporadores controlados por presión para precursores sólidos. Pueden ocurrir reacciones no deseadas si las mezclas de precursores reaccionan prematuramente en la fase gaseosa en lugar de solo en el sustrato, un fenómeno llamado nucleación en fase gaseosa que produce polvo y degrada la calidad de la película. Los precursores metalorgánicos son caros, peligrosos (muchos son pirofóricos o tóxicos), y su costo y la carga de manejo de seguridad son los principales inconvenientes del proceso en comparación con métodos de epitaxia más simples.

La MOCVD domina la industria de los semiconductores III-V porque permite un control preciso de la composición de la aleación y los niveles de dopantes en capas monocristalinas de solo decenas de nanómetros de espesor, y porque puede recubrir estructuras tridimensionales complejas (como las paredes laterales de las características grabadas). El término metalorgánico se refiere a los ligandos orgánicos (grupos metilo, típicamente) unidos a los átomos metálicos en las moléculas precursoras; la parte orgánica proporciona volatilidad para que el precursor pueda entregarse como vapor. La MOCVD compite con la epitaxia en fase líquida (LPE) para trabajos más antiguos de semiconductores compuestos y con la epitaxia de haz molecular (MBE) para investigación y aplicaciones de nicho que requieren ultra alta pureza o control ultra delgado, pero la MOCVD sigue siendo la herramienta principal de fabricación de LED y dispositivos optoelectrónicos.