Эпитаксия - Epitaxy

Кристаллизация
Основы
Кристалл  · Кристаллическая структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов Перекристаллизация  · Затравочный кристалл Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии
Кряж Бриджмен-Стокбаргер метод иодидного метод Чохральский Метод эпитаксия  · Флюс метод фракционная кристаллизация Фракционного замораживание гидротермального синтеза Киропулос метод лазерного нагретого роста пьедестала Микро-тягового вниз Shaping процессов роста кристаллов в Черепе Тигель Верной метод зонных плавках
v т е

Эпитаксия относится к типу роста кристаллов или осаждения материала, при котором формируются новые кристаллические слои с одной или несколькими четко определенными ориентациями по отношению к кристаллическому затравочному слою. Осажденная кристаллическая пленка называется эпитаксиальной пленкой или эпитаксиальным слоем. Относительная ориентация (и) эпитаксиального слоя к затравочному слою определяется в терминах ориентации кристаллической решетки каждого материала. Для большинства эпитаксиальных ростков новый слой обычно является кристаллическим, и каждый кристаллографический домен верхнего слоя должен иметь четко определенную ориентацию относительно кристаллической структуры подложки. Эпитаксия может включать монокристаллические структуры, хотя эпитаксия от зерна к зерну наблюдалась в гранулированных пленках. Для большинства технологических применений предпочтительна однодоменная эпитаксия, которая представляет собой рост кристалла верхнего слоя с одной четко определенной ориентацией по отношению к кристаллу подложки. Эпитаксия также может играть важную роль при выращивании сверхрешеточных структур.

Термин эпитаксия происходит от греческих корней epi (ἐπί), что означает «выше», и taxis (τάξις), что означает «упорядоченный способ».

Одним из основных коммерческих применений эпитаксиального роста является полупроводниковая промышленность, где полупроводниковые пленки выращивают эпитаксиально на пластинах полупроводниковой подложки. В случае эпитаксиального роста плоской пленки поверх подложки решетка эпитаксиальной пленки будет иметь определенную ориентацию относительно кристаллической решетки подложки, такую ​​как индекс Миллера [001] пленки, совпадающий с индексом [001] субстрат. В простейшем случае эпитаксиальный слой может быть продолжением того же самого полупроводникового соединения, что и подложка; это называется гомоэпитаксией. В противном случае эпитаксиальный слой будет состоять из другого соединения; это называется гетероэпитаксией.

Типы

Гомоэпитаксия - это вид эпитаксии, проводимой только с одним материалом, при которой кристаллическая пленка выращивается на подложке или пленке из того же материала. Эта технология часто используется для выращивания пленки, которая более чистая, чем подложка, и для изготовления слоев с различными уровнями легирования . В академической литературе термин «гомоэпитаксия» часто сокращается до «homoepi».

Гомотопотаксия - это процесс, подобный гомоэпитаксии, за исключением того, что рост тонкой пленки не ограничивается двумерным ростом. Здесь подложка - это тонкопленочный материал.

Гетероэпитаксия - это разновидность эпитаксии, проводимая с использованием материалов, которые отличаются друг от друга. При гетероэпитаксии кристаллическая пленка растет на кристаллической подложке или пленке из другого материала. Эта технология часто используется для выращивания кристаллических пленок из материалов, для которых невозможно получить кристаллы иным способом, и для изготовления интегрированных кристаллических слоев из различных материалов. Примеры включают кремний на сапфире , нитрид галлия ( Ga N ) на сапфире , фосфид алюминия-галлия-индия ( Al Ga In P ) на арсениде галлия ( Ga As ) или алмаз или иридий , а также графен на гексагональном нитриде бора (hBN).

Гетероэпитаксия происходит при выращивании пленки с другим составом и / или кристаллической структурой, чем подложка. В этом случае степень деформации пленки определяется рассогласованием решеток:

${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {a_ {f} -a_ {s}} {a_ {f}}}}$

Где и - постоянные решетки пленки и подложки. Пленка и подложка могут иметь одинаковые интервалы решетки, но также иметь очень разные коэффициенты теплового расширения. Если пленку затем выращивать при высокой температуре, она может испытывать большие деформации при охлаждении до комнатной температуры. На самом деле это необходимо для получения эпитаксии. Если больше, пленка испытывает объемную деформацию, которая нарастает с каждым слоем до критической толщины. С увеличением толщины упругая деформация в пленке снижается за счет образования дислокаций, которые могут стать центрами рассеяния, что ухудшает качество структуры. Гетероэпитаксия обычно используется для создания так называемых систем с запрещенной зоной благодаря дополнительной энергии, вызванной деформацией. Система Si – Ge - очень популярная система с большим потенциалом для применения в микроэлектронике. ${\ displaystyle a_ {f}}$${\ displaystyle a_ {s}}$${\ Displaystyle \ varepsilon <9 \%}$${\ displaystyle \ varepsilon}$

Гетеротопотаксия - это процесс, подобный гетероэпитаксии, за исключением того, что рост тонких пленок не ограничивается двумерным ростом; подложка только по структуре похожа на тонкопленочный материал.

Пендеоэпитаксия - это процесс, при котором гетероэпитаксиальная пленка растет одновременно вертикально и латерально. В двумерной кристаллической гетероструктуре графеновые наноленты, внедренные в гексагональный нитрид бора, служат примером пендеоэпитаксии.

Зерно к эпитаксии зерну включает в себя эпитаксиальный рост между зернами поликристаллического эпитаксиальным и затравочным слоем. Обычно это может происходить, когда исходный слой имеет только внеплоскостную текстуру, но не имеет текстуры в плоскости. В таком случае затравочный слой состоит из зерен с различной структурой в плоскости. Затем эпитаксиальный оверлейный слой создает определенные текстуры вдоль каждого зерна затравочного слоя за счет согласования решеток. В этом виде эпитаксиального роста не используются монокристаллические пленки.

Эпитаксия используется в процессах изготовления на основе кремния транзисторов с биполярным переходом (BJT) и современных комплементарных металл-оксид-полупроводников (CMOS), но она особенно важна для сложных полупроводников, таких как арсенид галлия . Производственные проблемы включают контроль количества и однородности удельного сопротивления и толщины осаждения, чистоты и чистоты поверхности и атмосферы камеры, предотвращение диффузии легирующей примеси на новые слои обычно более высоколегированной подложки, несовершенства процесса роста и защиты поверхностей во время производства и обращения.

Приложения

Эпитаксия используется в нанотехнологиях и производстве полупроводников . Действительно, эпитаксия - единственный доступный метод высококачественного выращивания кристаллов для многих полупроводниковых материалов. В науке о поверхности эпитаксия используется для создания и изучения однослойных и многослойных пленок адсорбированных органических молекул на монокристаллических поверхностях. Адсорбированные молекулы образуют упорядоченные структуры на атомно-плоских террасах монокристаллических поверхностей, и их можно непосредственно наблюдать с помощью сканирующей туннельной микроскопии . Напротив, поверхностные дефекты и их геометрия оказывают значительное влияние на адсорбцию органических молекул.

Методы

Эпитаксиальный кремний обычно выращивают с использованием парофазной эпитаксии (VPE), модификации химического осаждения из паровой фазы . Молекулярно-лучевая и жидкофазная эпитаксия (MBE и LPE) также используются, в основном для сложных полупроводников . Твердофазная эпитаксия используется в основном для лечения повреждений кристаллов.

Паровая фаза

Кремний чаще всего наносят легированием тетрахлоридом кремния и водородом при температуре примерно от 1200 до 1250 ° C:

SiCl _{4 (г)} + 2H _{2 (г)} ↔ Si _(т) + 4HCl _(г)

где (g) и (s) представляют газовую и твердую фазы соответственно. Эта реакция обратима, и скорость роста сильно зависит от соотношения двух исходных газов. При скорости роста выше 2 микрометров в минуту образуется поликристаллический кремний, а при слишком большом количестве побочного продукта хлористого водорода может возникнуть отрицательная скорость роста ( травление ) . (Фактически, хлористый водород может быть добавлен специально для травления пластины.) Дополнительная реакция травления конкурирует с реакцией осаждения:

SiCl _{4 (г)} + Si ₍ тв ₎ ↔ 2SiCl _{2 (г)}

Кремний VPE может также использовать исходные газы силан , дихлорсилан и трихлорсилан . Например, реакция силана протекает при 650 ° C следующим образом:

SiH ₄ → Si + 2H ₂

Эта реакция не приводит к непреднамеренному травлению пластины и происходит при более низких температурах, чем осаждение из тетрахлорида кремния. Однако он будет образовывать поликристаллическую пленку, если не будет строго контролироваться, и позволяет окисляющим веществам, которые просачиваются в реактор, загрязнять эпитаксиальный слой нежелательными соединениями, такими как диоксид кремния .

VPE иногда классифицируют по химическому составу исходных газов, таких как гидридный VPE и металлоорганический VPE .

Жидкая фаза

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) - это метод выращивания полупроводниковых кристаллических слоев из расплава на твердых подложках. Это происходит при температурах значительно ниже точки плавления осажденного полупроводника. Полупроводник растворяется в расплаве другого материала. В условиях, близких к равновесию между растворением и осаждением, осаждение кристалла полупроводника на подложку происходит относительно быстро и равномерно. Наиболее часто используемый субстрат - фосфид индия (InP). Для особых целей могут применяться и другие субстраты, такие как стекло или керамика. Чтобы облегчить зародышеобразование и избежать напряжения в выращенном слое, коэффициент теплового расширения подложки и выращенного слоя должен быть одинаковым.

Центробежная жидкофазная эпитаксия коммерчески используется для изготовления тонких слоев кремния , германия и арсенида галлия . Рост пленки центробежным способом - это процесс, используемый для формирования тонких слоев материалов с помощью центрифуги . Этот процесс использовался для создания кремния для тонкопленочных солнечных элементов и фотоприемников дальнего инфракрасного диапазона. Температура и скорость вращения центрифуги используются для контроля роста слоя. Центробежный LPE может создавать градиенты концентрации легирующей примеси, пока раствор поддерживается при постоянной температуре.

Твердофазный

Твердофазная эпитаксия (ТФЭ) - это переход между аморфной и кристаллической фазами материала. Обычно его получают путем нанесения пленки аморфного материала на кристаллическую подложку с последующим ее нагреванием для кристаллизации пленки. Монокристаллическая подложка служит шаблоном для роста кристаллов. Стадия отжига, используемая для рекристаллизации или восстановления слоев кремния, аморфизированных во время ионной имплантации, также считается разновидностью твердофазной эпитаксии. Сегрегация и перераспределение примесей на границе раздела кристалл-аморфный слой во время этого процесса используется для включения низкорастворимых легирующих добавок в металлы и кремний.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

При молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) исходный материал нагревается для получения испаренного пучка частиц. Эти частицы проходят через очень высокий вакуум ( ^10-8 Па ; практически свободное пространство) к подложке, где они конденсируются . MBE имеет меньшую пропускную способность, чем другие формы эпитаксии. Этот метод широко используется для выращивания полупроводниковых кристаллов периодических групп III, IV и V.

Допинг

Эпитаксиальный слой можно легировать во время осаждения путем добавления примесей к исходному газу, таких как арсин , фосфин или диборан . Концентрация примеси в газовой фазе определяет ее концентрацию в осаждаемой пленке. Как и при химическом осаждении из паровой фазы (CVD), примеси изменяют скорость осаждения. Кроме того, высокие температуры, при которых выполняется химическое осаждение из паровой фазы, могут позволить легирующим добавкам диффундировать в растущий слой из других слоев пластины («наружная диффузия»). Кроме того, легирующие примеси в исходном газе, высвобождаемые при испарении или влажном травлении поверхности, могут диффундировать в эпитаксиальный слой («автодопирование»). Профили легирующих примесей нижележащих слоев также меняются, но не так значительно.

Минералы

В минералогии эпитаксия - это упорядоченное зарастание одного минерала на другом, так что определенные направления кристаллов двух минералов совпадают. Это происходит, когда некоторые плоскости в решетках нароста и подложки имеют одинаковые расстояния между атомами .

Если кристаллы обоих минералов хорошо сформированы, так что направления кристаллографических осей ясны, то эпитаксическая взаимосвязь может быть установлена ​​просто визуальным осмотром.

Иногда много отдельных кристаллов образуют наросты на единой подложке, и тогда, если происходит эпитаксия, все кристаллы нароста будут иметь одинаковую ориентацию. Однако обратное не всегда верно. Если кристаллы разрастания имеют аналогичную ориентацию, вероятно, существует эпитаксическая взаимосвязь, но это не определенно.

Некоторые авторы считают, что разрастание второго поколения тех же минералов также следует рассматривать как эпитаксию, и это общая терминология для ученых- полупроводников, которые вызывают эпитаксический рост пленки с другим уровнем легирования на полупроводниковой подложке из того же материала. Однако для минералов, добываемых естественным путем, определение Международной минералогической ассоциации (IMA) требует, чтобы эти два минерала принадлежали к разным видам.

Еще одно искусственное применение эпитаксии - это создание искусственного снега с использованием йодида серебра , что возможно, потому что гексагональный йодид серебра и лед имеют схожие размеры ячеек.

Изоморфные минералы

Минералы, имеющие одинаковую структуру ( изоморфные минералы ), могут иметь эпитаксические отношения. Примером может служить альбит NaAlSi.
₃О
₈на микроклине KAlSi
₃О
₈. Оба эти минерала триклинные , с пространственной группой 1 и с аналогичными параметрами элементарной ячейки : a = 8,16 Å, b = 12,87 Å, c = 7,11 Å, α = 93,45 °, β = 116,4 °, γ = 90,28 ° для альбита и a = 8,5784 Å, b = 12,96 Å, c = 7,2112 Å, α = 90,3 °, β = 116,05 °, γ = 89 ° для микроклина.

Полиморфные минералы

Минералы, имеющие одинаковый состав, но разную структуру ( полиморфные минералы ), также могут иметь эпитаксические отношения. Примерами являются пирит и марказит , оба FeS ₂ , и сфалерит и вюрцит , оба ZnS.

Рутил на гематите

Некоторые пары минералов, не связанных структурно или композиционно, также могут проявлять эпитаксию. Типичным примером является рутил TiO ₂ на гематите Fe ₂ O ₃ . Рутил является тетрагональным, а гематит - тригональным , но существуют направления с одинаковым расстоянием между атомами в плоскости (100) рутила (перпендикулярно оси a ) и плоскости (001) гематита (перпендикулярно оси c). При эпитаксии эти направления имеют тенденцию совпадать друг с другом, в результате чего ось зарастания рутила параллельна оси c гематита, а ось c рутила параллельна одной из осей гематита.

Гематит на магнетите

Другой пример - гематит Fe³⁺
₂О
₃на магнетите Fe²⁺
Fe³⁺
₂О
₄. Структура магнетита основана на плотноупакованных анионах кислорода, расположенных в последовательности ABC-ABC. В этой упаковке плотноупакованные слои параллельны (111) (плоскость, которая симметрично «срезает» угол куба). Структура гематита основана на плотноупакованных анионах кислорода, расположенных в последовательности AB-AB, что приводит к кристаллу с гексагональной симметрией.

Если бы катионы были достаточно маленькими, чтобы вписаться в действительно плотно упакованную структуру анионов кислорода, то расстояние между ближайшими соседними кислородными центрами было бы одинаковым для обоих частиц. Однако радиус иона кислорода составляет всего 1,36 Å, а катионы Fe достаточно велики, чтобы вызывать некоторые изменения. Радиусы Fe варьируются от 0,49 до 0,92 Å в зависимости от заряда (2+ или 3+) и координационного числа (4 или 8). Тем не менее, интервалы O одинаковы для двух минералов, поэтому гематит может легко расти на гранях (111) магнетита, причем гематит (001) параллелен магнетиту (111) .

Смотрите также

• Атомно-слойная эпитаксия
• Барьер Эрлиха-Швёбеля
• Эпитаксиальная пластина
• Предвзятость биржи
• Нитрид галлия
• Гетеропереход
• Островной рост
• Нано-RAM
• Квантовый каскадный лазер
• Избирательная эпитаксия
• Кремний на сапфире
• Одно событие расстроено
• Тонкая пленка / Топотаксия
• Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором
• Wake Shield Facility
• Жорес Алферов
• Термическая лазерная эпитаксия

использованная литература

Библиография

• Джегер, Ричард С. (2002). «Пленочное осаждение» . Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Река Верхнее Седл: Зал Прентис. ISBN 978-0-201-44494-0.

внешние ссылки

• epitaxy.net : центральный форум эпитаксиальных сообществ
• Процессы осаждения
• CrystalXE.com : специализированное программное обеспечение для эпитаксии