Depósito y cristalización de Silicio-Germanio-Carbono mediante técnicas láser

Resumo

La búsqueda de nuevos materiales sigue siendo uno de los objetivos prioritarios para mejorar la calidad de nuevos dispositivos en nanoelectrónica y fotónica. Debido a los buenos resultados logrados hasta la fecha con los semiconductores del grupo IV Si, Ge y C y sus aleaciones (SiGe y SiC) en la fabricación de células solares, transistores, fotodiodos o fotodetectores, ha surgido como nuevo reto la aleación ternaria SiGeC. Introducir Carbono sustitucional dentro de la estructura de SiGe supone la posibilidad de modificar el ancho de la banda prohibida para incrementar su valor y lograr la reducción del estrés generado por el Ge en SiGe eitaxial, al compensarse los diferentes tamaños atómicos de C y Ge. Además se observó que el C permite obstaculizar la difusión de elementos dopantes a través de la estructura, algo muy a tener en cuenta en los dispositivos modernos de dimensiones tan reducidas. Se ha intentado producir esta aleación ternaria con técnicas convencionales tanto físicas (SPE, MBE) como químicas (CVD, RTCVD), encontrándose con algunos inconvenientes como pueden ser el alto coste y la complejidad del procesamiento, la baja eficiencia a la hora de incorporar el C en la capa de SiGe, o las limitaciones a la hora de escoger los sustratos por las altas temperaturas requeridas. Dentro de las posibles técnicas alternativas, las técnicas asistidas por láser han demostrado ser eficientes a la hora de conseguir de forma rápida y sencilla capas de buena calidad sin tener que usar altas temperaturas. Para poder producir nuestras películas utilizaremos la técnica denominada Depósito Químico en fase Vapor asistido por Laser de ArF (ArF-LCVD) y la Epitaxía inducida por Láser Pulsado (PLIE)l Depósito. En la técnica ArF-LCVD el láser utilizado fue el láser de excímero ArF, el cual emite fotones con energía suficiente (6.4 eV) para conseguir la fotolisis de los gases elegidos como precursores (Si2H6, GeH4, C2H4). Los productos resultantes se van depositando sobre el sustrato siguiendo una serie de reacciones secundarias en fase gaseosa, las cuales nos llevarán al crecimiento de un recubrimiento homogéneo. Hemos obtenido depósitos uniformes amorfos e hidrogenado de materiales del sistema SiGeC mediante la técnica ArF-LCVD en geometría paralela e inclinada utilizando sustratos de vidrio Corning (7059) y de Silicio. Se ha estudiado cómo influyen distintos parámetros experimentales en el crecimiento de la capa sobre el sustrato. Entre ellos nos hemos centrado en la mezcla de flujos de los gases precursores, la temperatura del sustrato usada en el procesamiento, la distancia del haz láser al sustrato y para algún material en concreto hemos estudiado también la influencia de la presión total dentro de la cámara de vacío. Estos parámetros veremos que determinarán la estequiometría de la película obtenida, su estructura microscópica, la velocidad de crecimiento y la morfología del depósito. El dispositivo experimental que se utilizó para el depósito de las capas, también ha sido diseñado de tal forma, que permitió modificar la estructura de las capas amorfas depositadas. Se abre así la posibilidad de conseguir procesos de deshidrogenación, cristalización inducida por láser excímero (ELC) o epitaxia inducida por laser pulsado (PLIE). Para lograr dicho objetivo, se hizo incidir el haz del láser de manera directa sobre la superficie de capas, previamente depositadas por ArF-LCVD. El estudio de la densidad de energía, para el caso particular de las películas de SiGeC depositadas sobre Si (100), nos permitió conocer los distintos fenómenos físicos que pueden ocurrir en la capa: deshidrogenación, fusión de la capa o parte de la misma, epitaxia o ablación. Se estudió en detalle el proceso PLIE y el efecto que tienen los principales parámetros experimentales, la fluencia del láser y el numero de pulsos, en la composición y estructura de las capas irradiadas. El uso de técnicas láser nos ha permitido conseguir la cristalización epitaxial de capas amorfas e hidrogenadas de una estequiometría concreta, dando lugar a heteroestructuras SiGeC/Si de gran calidad cristalina. Hemos estudiado la influencia de la fluencia del haz láser en la estructura epitaxial de las capas, en la aparición de islas de germanio policristalino y en la presencia de carbono sustitucional. Así mismo hemos podido demostrar la importancia de interfases libres de óxido nativo para conseguir un buen crecimiento heteroepitaxial mediante PLIE pues sí influye en la presencia de defectos en las capas, disminuyendo de forma importante la calidad cristalina.