Defectos en sustratos, aliados inesperados en el crecimiento de cristales semiconductores

Un equipo de investigadores liderado por Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) realizó un avance significativo en el desarrollo de semiconductores que podría transformar la producción de chips de computadora, optoelectrónica y dispositivos de computación cuántica.

El equipo, que incluye a investigadores del National High Magnetic Field Laboratory, Florida State University y SUNY Buffalo, publicó sus hallazgos el mes pasado en la revista Nature. Su trabajo profundizó la comprensión de la epitaxia remota, una técnica de fabricación que consiste en cultivar películas semiconductoras de alta calidad sobre un sustrato y luego transferirlas a otro.

La epitaxia remota funciona colocando una delgada capa de amortiguación entre un sustrato y una película de cristal en crecimiento. La estructura atómica del sustrato guía el crecimiento del cristal a través de la capa de amortiguación, pero esta última evita el enlace permanente, lo que significa que la capa de cristal terminada puede ser despegada y trasladada a otro lugar.

Hasta ahora, se creía que la técnica de epitaxia remota solo funcionaba con capas de amortiguación de menos de un nanómetro de grosor, y que una capa más gruesa oscurecería casi por completo las sutiles fuerzas electrostáticas del sustrato que guían el crecimiento de la película de cristal.

Sin embargo, la estudiante de doctorado en ciencia de materiales de RPI, Ru Jia, y sus compañeros de laboratorio cultivaron cristales a través de capas de amortiguación de carbono de hasta siete nanómetros de grosor, lo que representa una mejora del 600%, y encontraron que aún se alineaban bien con el sustrato subyacente.

"Este trabajo muestra que la epitaxia remota podría ser mediada por defectos en el sustrato, como las dislocaciones", afirmó Jian Shi, profesor de ciencia de materiales e ingeniería en RPI, asesor de doctorado de Jia y autor principal del artículo. "Prácticamente, esto amplía las opciones de materiales, mejora las ventanas de proceso y ayuda en estrategias escalables de liberación de membranas y reciclaje de obleas en dispositivos reales".

Utilizando un sistema modelo de óxido de zinc/nitruro de galio en conjunto con el equipo de Yan Xin en el National High Magnetic Field Laboratory, Jia y sus colegas descubrieron que los defectos estructurales en el sustrato pueden permitir interacciones electrostáticas de larga distancia que pueden influir en la estructura de la capa de cristal. El profesor de ciencia de materiales de RPI, Yunfeng Shi, y su equipo validaron los hallazgos con cálculos que mostraron que los defectos llamados dislocaciones pueden mediar la epitaxia remota a larga distancia.

"Este trabajo no habría sido posible sin la estrecha colaboración entre expertos en crecimiento y caracterización de materiales, caracterización avanzada y simulaciones computacionales a escala atómica", comentó Jian Shi.

Los investigadores probaron su enfoque con múltiples combinaciones de cristal/sustrato, demostrando la universalidad de sus hallazgos. Como prueba de concepto, construyeron detectores de luz funcionales al transferir películas de cristal de perovskita a sustratos flexibles, demostrando la viabilidad práctica de la técnica.

El trabajo sugiere que los defectos en el sustrato, tradicionalmente vistos como problemas de control de calidad, podrían ser deliberadamente diseñados para controlar los procesos de epitaxia remota. Los fabricantes podrían, por ejemplo, utilizar la técnica para programar "islas" funcionales o epicapas en ubicaciones específicas de sus películas de cristal, un grado de precisión necesario para fabricar dispositivos cuánticos que requieren un control fino del crecimiento del cristal.

"El artículo ofrece un mecanismo—interacciones electrostáticas remotas asistidas por defectos a larga distancia—que los ingenieros pueden aprovechar intencionalmente para lograr nucleación y alineación en películas de cristal", concluyó Jian Shi.