Эпитаксия

Типичная форма эпитаксиального срастания куменгеитов (тетрагональных пирамид) на кубах Болейта
Эпитаксиальный рост нефелина на гематите
Звездчатая эпитаксия рутила на гематите
Эпитаксиальное срастание двух поколений кристаллов галенита образуют «узор в елочку».

Эпитаксия (от древнегреческого ἐπί epí «на, над» и τάξις taxis , «порядок, выравнивание») - это форма роста кристаллов, которая может происходить, когда кристаллы растут на кристаллических подложках. Об эпитаксии говорят, когда по меньшей мере одна кристаллографическая ориентация растущего кристалла (ов) соответствует ориентации кристаллической подложки.

В естественных процессах эпитаксия работает таким образом, что несколько маленьких кристаллов растут на большом кристалле на пространственном расстоянии друг от друга. В технических процессах растущие кристаллы обычно не отделены друг от друга пространственно, а образуют сплошной слой. В зависимости от того, состоят ли подложка и растущие кристаллы или слой из одного или разных материалов, также используются термины гомо- или гетероэпитаксия .

Эпитаксия в природе

В природе эпитаксия происходит как ориентированное сплавление двух минералов . Но это также может быть срастание одного и того же минерала (например , как в рутила различных Sagenite). Классическими примерами эпитаксии являются письменный гранит (срастание кварца и полевого шпата , где кварц напоминает письменность), срастание рутила и гематита и звездообразное срастание тетрагонально-пирамидального куменгейта и кубического болеита .

Эпитаксия в технологии

В технике эпитаксия в основном используется в микроэлектронике и полупроводниковой технике. Примером гомоэпитаксиальных слоев являются слои монокристаллического кремния на кремниевой подложке, используемые, например, Б. Эпитаксиальный транзистор (1960 г.). Таким образом могут быть созданы специальные профили легирования для транзисторов, например резкий переход в концентрации легирующей примеси, что невозможно с помощью традиционных методов, таких как диффузия и ионная имплантация . Кроме того, эпитаксиальные слои намного чище, чем обычные кремниевые подложки Чохральского . Примерами гетероэпитаксии, то есть роста слоя, материал которого отличается от подложки, являются кремний на сапфировых подложках или слои GaAs 1 - x P x на GaAs, например проводящие слои на подложках КНИ . Полученные слои монокристаллические, но имеют кристаллическую решетку, отличную от подложки.

Эпитаксиальный процесс

Существуют различные технологические процессы изготовления эпитаксиальных слоев или тел:

  • Атомно-слойная эпитаксия ( Atomic Layer Epitaxy , ALE)
  • Специальные методы физического осаждения из паровой фазы ( физическое осаждение из паровой фазы , PVD) ионно-лучевое осаждение , IBAD)
  • Смешанные формы

    • Пример: химическая газофазная эпитаксия кремниевых слоев.

    Получение слоев монокристаллического кремния на кремниевых подложках может осуществляться с помощью химической газофазной эпитаксии. Подложку нагревают в вакуумной камере до температур в диапазоне от 600 ° C до 1200 ° C. Для осаждения вводятся газообразные соединения кремния (такие как силан , дихлорсилан или трихлорсилан ) в сочетании с водородом, которые термически разлагаются вблизи подложки. «Освободившиеся» атомы кремния хаотично накапливаются на поверхности подложки и образуют зародыши кристаллизации. Затем на этих зародышах происходит дальнейший рост слоя. По энергетическим причинам рост происходит в латеральном направлении до тех пор, пока уровень не будет полностью заполнен, только после этого начинается рост на следующем уровне. Путем добавления газообразного соединения бора ( диборана ) можно получить p-проводящие слои или n-проводящие слои кремния с использованием соединения фосфора ( фосфина ) или соединения мышьяка ( арсина ).

    Скорость роста в эпитаксиальном реакторе ограничена двумя факторами. Используя представление Аррениуса (логарифмическая скорость роста представлена ​​как 1 / ( абсолютная температура )), можно выделить две области:

    • область с ограниченной скоростью реакции, в которой достаточно атомов доступно для реакции на поверхности подложки, но процесс адсорбции протекает слишком медленно, потому что десорбция водорода с поверхности кремния является ограничивающим процессом. Реакцию можно ускорить за счет повышения температуры; рост кривой Аррениуса является линейным и более крутым, чем в области, ограниченной переносом.
    • транспортно-ограниченная область (при более высоких температурах) . Здесь новые атомы газа не могут достаточно быстро диффундировать к месту реакции, диффузия газа является ограничивающим процессом. Кривая Аррениуса является линейной и относительно плоской, что означает, что скорость роста лишь незначительно зависит от температуры. В результате процесс роста слоя относительно устойчив к колебаниям температуры поверхности подложки.

    Смотри тоже

    веб ссылки

    Commons : Epitaxy  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

    Индивидуальные доказательства

    1. ^ Энтони С. Джонс, Пол О'Брайен: CVD сложных полупроводников: синтез прекурсоров, разработка и применение . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-61462-2 , раздел 1.8.3 Основные принципы MOVPE, CBE, ALE.
    2. ↑ Ульрих Хиллингманн: кремниевые полупроводниковые технологии . Vieweg + Teubner Verlag, 2004, ISBN 978-3-519-30149-3 , стр. 120 .