Эпитаксия - Epitaxy

«Эпитаксис» перенаправляется сюда. Не следует путать с Носовое кровотечение.

Кристаллизация
Процесс-кристаллизации-200px.png
Основы
Кристалл  · Кристальная структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов
Перекристаллизация  · Семенной кристалл
Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии
Буль
Метод Бриджмена – Стокбаргера
Процесс хрустального стержня
Метод Чохральского
Эпитаксия  · Метод флюса
Фракционная кристаллизация
Фракционное замораживание
Гидротермальный синтез
Киропулос метод
Рост пьедестала с лазерным нагревом
Микро-вытягивание вниз
Формирующие процессы при росте кристаллов
Тигель черепа
Метод Вернейля
Зона плавления

Эпитаксия относится к типу роста кристаллов или отложению материала, при котором новые кристаллический слои сформированы с одной или несколькими четко определенными ориентациями по отношению к кристаллической субстрат. Осажденная кристаллическая пленка называется эпитаксиальной пленкой или эпитаксиальным слоем. Относительная ориентация эпитаксиального слоя к кристаллической подложке определяется в терминах ориентации кристаллической решетки каждого материала. Для эпитаксиального роста новый слой должен быть кристаллическим, и каждый кристаллографический домен верхнего слоя должен иметь четко определенную ориентацию относительно кристаллической структуры подложки. Аморфный рост или мультикристаллический рост со случайной ориентацией кристаллов не соответствует этому критерию. Для большинства технологических применений предпочтительна однодоменная эпитаксия, которая представляет собой рост кристалла верхнего слоя с одной четко определенной ориентацией по отношению к кристаллу подложки.

Период, термин эпитаксия исходит из Греческий корни эпи (ἐπί), что означает «выше», и Таксис (τάξις), что означает «упорядоченный способ».

Одно из основных коммерческих применений эпитаксиального выращивания - это полупроводниковая промышленность, где полупроводниковые пленки выращивают эпитаксиально на полупроводниковых подложках.[1] В случае эпитаксиального роста планарной пленки поверх подложки решетка эпитаксиальной пленки будет иметь определенную ориентацию относительно кристаллической решетки подложки, такую ​​как [001] Индекс Миллера пленки по индексу [001] подложки. 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 представляет собой разновидность эпитаксии, проводимую 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 чище, чем подложка, и для изготовления слоев, имеющих разные допинг уровни. В академической литературе термин «гомоэпитаксия» часто сокращается до «homoepi».

Гомотопотаксия процесс похож на гомоэпитаксия 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 материалов, для которых невозможно получить кристаллы иным способом, и для изготовления интегрированных кристаллических слоев из различных материалов. Примеры включают кремний на сапфире, нитрид галлия (GaN ) на сапфир, фосфид алюминия, галлия, индия (AlGaВп ) на арсенид галлия (GaВ качестве ) или алмаз или иридий,[2] и графен на гексагональный нитрид бора (hBN).[3]

Гетеротопотаксия представляет собой процесс, аналогичный гетероэпитаксии, за исключением того, что рост тонкой пленки не ограничивается двумерным ростом; подложка только по структуре похожа на тонкопленочный материал.

Пендеоэпитаксия представляет собой процесс, в котором гетероэпитаксиальная пленка растет одновременно по вертикали и по горизонтали. В 2D-кристаллической гетероструктуре графеновые наноленты, внедренные в гексагональный нитрид бора[4][5] приведите пример пендеоэпитаксии.

Эпитаксия используется в кремний -основанные производственные процессы для биполярные переходные транзисторы (БЮТ) и современные комплементарные металл-оксид-полупроводники (CMOS), но это особенно важно для составные полупроводники Такие как арсенид галлия. Производственные проблемы включают контроль количества и однородности удельного сопротивления и толщины осаждения, чистоту и чистоту 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 нанотехнологии И в производство полупроводников. Действительно, эпитаксия - единственный доступный метод высококачественного выращивания кристаллов для многих полупроводниковых материалов. В наука о поверхности, эпитаксия используется для создания и изучения монослой и многослойные пленки адсорбированный Органические молекулы на монокристаллический поверхности. Адсорбированные молекулы образуют упорядоченные структуры на атомно-плоских террасах монокристаллических поверхностей, и их можно непосредственно наблюдать через сканирующая туннельная микроскопия.[6] Напротив, поверхностные дефекты и их геометрия оказывают значительное влияние на адсорбцию органических молекул.[7]

Методы

Эпитаксиальный кремний обычно выращивают с использованием парофазной эпитаксии (VPE), модификации химическое осаждение из паровой фазы. Молекулярный пучок и жидкофазная эпитаксия (MBE и LPE) также используются, в основном для составные полупроводники. Твердофазная эпитаксия используется в основном для лечения повреждений кристаллов.

Паровая фаза

Кремний чаще всего осаждается путем допирования тетрахлорид кремния и водород примерно от 1200 до 1250 ° C:[8]

SiCl4 (г) + 2H2 (г) ↔ Si(s) + 4HCl(грамм)

Эта реакция обратима, и скорость роста сильно зависит от соотношения двух исходных газов. При скорости роста более 2 микрометров в минуту образуется поликристаллический кремний, а при отрицательной скорости роста (травление ) может произойти, если слишком много хлористый водород присутствует побочный продукт. (Фактически, хлористый водород может быть добавлен специально для травления пластины.) Дополнительная реакция травления конкурирует с реакцией осаждения:

SiCl4 (г) + Si(s) ↔ 2SiCl2 (г)

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

SiH4 → Si + 2H2

Эта реакция не приводит к непреднамеренному травлению пластины и протекает 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, например: гидрид ВПЭ и металлоорганический ВПЭ.

Жидкая фаза

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) - это метод выращивания слоев полупроводниковых кристаллов 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 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 кремний, германий, и арсенид галлия.[9][10] Рост пленки центробежным способом - это процесс, используемый для формирования тонких слоев материалов с использованием центрифуга. Этот процесс был использован для создания кремния для тонкопленочных солнечных элементов.[11][12] и фотодетекторы дальнего инфракрасного диапазона.[13] Температура и скорость вращения центрифуги используются для контроля роста слоя.[10] Центробежный LPE обладает способностью создавать градиенты концентрации легирующей примеси, пока раствор поддерживается при постоянной температуре.[14]

Твердофазный

Твердофазная эпитаксия (ТФЭ) - это переход между аморфной и кристаллической фазами материала. Обычно это делается путем нанесения пленки аморфного материала на кристаллическую подложку. Затем подложку нагревают 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 одним из типов 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.[15]

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Основная статья: Молекулярно-лучевая эпитаксия

При молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) материал источника нагревается для получения испарился пучок частиц. Эти частицы проходят через очень высокий вакуум (10−8 Па; практически свободное пространство) на подложку, где они конденсировать. MBE имеет меньшую пропускную способность, чем другие формы эпитаксии. Этот прием широко используется для выращивания периодические группы Полупроводниковые кристаллы III, IV и V.[16][17]

Допинг

Эпитаксиальный слой может быть легирован во время осаждения путем добавления примесей к исходному газу, таких как арсин, фосфин, или же диборан. Концентрация примеси в газовой фазе определяет ее концентрацию в нанесенной пленке. Как и при химическом осаждении из паровой фазы (CVD), примеси изменяют скорость осаждения. Кроме того, высокие температуры, при которых проводится химическое осаждение из паровой фазы, могут позволить легирующим добавкам размытый в растущий слой из других слоев пластины («выходящая 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

текст
Рутиловый эпитаксиальный на гематите длиной около 6 см. Bahia, Бразилия

В минералогии эпитаксия - это упорядоченное зарастание одного минерала другим, так что определенные кристаллические направления из двух минералов выровнены. Это происходит, когда некоторые самолеты в решетки нарастания и субстрата имеют одинаковые расстояния между атомы.[18]

Если кристаллы обоих минералов хорошо сформированы так, что направления движения кристаллографические оси ясны, то эпитаксическое отношение может быть установлено просто визуальным осмотром.[18]

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.[18]

Некоторые авторы[19] считают, что нарастание второго поколения тех же минеральных видов также следует рассматривать как эпитаксию, и это общая терминология для полупроводник ученые, которые вызывают эпитаксический рост пленки с другим допинг уровень на полупроводниковой подложке из того же материала. Однако для минералов естественного происхождения Международная минералогическая ассоциация (IMA) определение требует, чтобы два минерала принадлежали к разным видам.[20]

Еще одно искусственное применение эпитаксии - это создание искусственного снега из серебра. йодид, что возможно, потому что шестиугольник йодид серебра и лед имеют схожие размеры ячеек.[19]

Изоморфные минералы

Минералы, имеющие одинаковую структуру (изоморфные минералы ) могут иметь эпитаксические отношения. Примером является альбит NaAlSi
3О
8 на микроклин КАЛСИ
3О
8. Оба эти минерала триклинический, с космическая группа 1, и с аналогичными ячейка параметров, 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

текст
Рутил на гематите из Ново-Оризонти, Баия, Северо-Восточный регион, Бразилия
текст
Гематит псевдоморф после магнетита, с террасированными эпитаксиальными гранями. Ла-Риоха, Аргентина

Минералы, имеющие одинаковый состав, но разную структуру (полиморфные минералы ) также могут иметь эпитаксические отношения. Примеры пирит и марказит, как FeS2, и сфалерит и вюрцит, как ZnS.[18]

Рутил на гематите

Некоторые пары минералов, не связанных структурно или композиционно, также могут проявлять эпитаксию. Типичный пример: рутил TiO2 на гематит Fe2О3.[18][21] Рутил четырехугольный а гематит тригональный, но есть направления с одинаковым расстоянием между атомами в (100) плоскость рутила (перпендикулярная плоскости а ось ) и (001) плоскость гематита (перпендикулярна 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.[18]

Гематит на магнетите

Другой пример гематит Fe3+
2О
3 на магнетит Fe2+
Fe3+
2О
4. Структура магнетита основана на плотноупакованном кислород анионы сложены в последовательности ABC-ABC. В этой упаковке плотноупакованные слои параллельны (111) (плоскость, симметрично «отсекающая» угол куба). Структура гематита основана на плотноупакованных анионах кислорода, расположенных в последовательности AB-AB, что приводит к кристаллу с гексагональной симметрией.[22]

Если катионы были достаточно малы, чтобы вписаться в действительно плотно упакованную структуру анионов кислорода, тогда расстояние между ближайшими соседними участками кислорода было бы одинаковым для обоих видов. Однако радиус иона кислорода составляет всего 1,36 Å.[23] и катионы Fe достаточно велики, чтобы вызывать некоторые вариации. Радиусы Fe варьируются от 0,49 до 0,92 Å,[24] в зависимости от обвинять (2+ или 3+) и координационный номер (4 или 8). Тем не менее, интервалы O одинаковы для двух минералов, поэтому гематит может легко расти на поверхности. (111) грани магнетита, с гематитом (001) параллельно магнетиту (111).[22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Удо В. Поль (11 января 2013 г.). Эпитаксия полупроводников: введение в физические принципы. Springer Science & Business Media. С. 4–6. ISBN  978-3-642-32970-8.
  2. ^ M. Schreck et al., Appl. Phys. Lett. 78, 192 (2001); Дои:10.1063/1.1337648
  3. ^ Тан, Шуцзе; Ван, Хаомин; Ван, Хуэйшань (2015). «Катализируемый силаном быстрый рост крупного монокристаллического графена на гексагональном нитриде бора». Nature Communications. 6 (6499): 6499. arXiv:1503.02806. Bibcode:2015 НатКо ... 6E6499T. Дои:10.1038 / ncomms7499. ЧВК  4382696. PMID  25757864.
  4. ^ Чен, Линсю; Он, Ли; Ван, Хуэйшань (2017). «Ориентированные графеновые наноленты, внедренные в канавки гексагонального нитрида бора». Nature Communications. 8 (2017): 14703. arXiv:1703.03145. Bibcode:2017НатКо ... 814703C. Дои:10.1038 / ncomms14703. ЧВК  5347129. PMID  28276532.
  5. ^ Чен, Линсю; Ван, Хаомин; Тан, Шуцзе (2017). «Контроль края графеновых доменов, выращенных на гексагональном нитриде бора». Наномасштаб. 9 (32): 1–6. arXiv:1706.01655. Bibcode:2017arXiv170601655C. Дои:10.1039 / C7NR02578E. PMID  28580985. S2CID  11602229.
  6. ^ Вальдманн, Т. (2011). «Рост олигопиридинового адслоя на Ag (100) - исследование с помощью сканирующей туннельной микроскопии». Физическая химия Химическая физика. 13 (46): 20724–8. Bibcode:2011PCCP ... 1320724 Вт. Дои:10.1039 / C1CP22546D. PMID  21952443.
  7. ^ Вальдманн, Т. (2012). «Роль поверхностных дефектов в адсорбции больших органических молекул: эффекты конфигурации подложки». Физическая химия Химическая физика. 14 (30): 10726–31. Bibcode:2012PCCP ... 1410726 Вт. Дои:10.1039 / C2CP40800G. PMID  22751288.
  8. ^ Морган, Д. В .; Доска, К. (1991). Введение в полупроводниковую микротехнологию (2-е изд.). Чичестер, Западный Сассекс, Англия: John Wiley & Sons. п. 23. ISBN  978-0471924784.
  9. ^ Каппер, Питер; Маук, Майкл (2007). Жидкофазная эпитаксия электронных, оптических и оптоэлектронных материалов. Джон Вили и сыновья. С. 134–135. ISBN  9780470319499. Получено 3 октября 2017.
  10. ^ а б Farrow, R. F. C .; Паркин, С. С. П .; Добсон, П. Дж .; Neave, J. H .; Арротт А.С. (2013). Методы роста тонких пленок для низкоразмерных структур. Springer Science & Business Media. С. 174–176. ISBN  9781468491456. Получено 3 октября 2017.
  11. ^ Кристенсен, Арнфинн. «Быстрое производство кремния для солнечных элементов». sciencenordic.com. Наука. Получено 3 октября 2017.
  12. ^ Luque, A .; Sala, G .; Пальц, Виллеке; Сантос, Г. дос; Хельм, П. (2012). Десятая конференция ЕС по фотоэлектрической солнечной энергии: материалы международной конференции, проходившей в Лиссабоне, Португалия, 8–12 апреля 1991 г.. Springer. п. 694. ISBN  9789401136228. Получено 3 октября 2017.
  13. ^ Katterloher, Reinhard O .; Якоб, Герд; Конума, Мицухару; Краббе, Альфред; Haegel, Nancy M .; Сампери, С. А .; Биман, Джеффри У .; Халлер, Юджин Э. (8 февраля 2002 г.). «Центрифуга жидкофазной эпитаксии для выращивания сверхчистого арсенида галлия для фотопроводников в дальней инфракрасной области». Инфракрасное дистанционное зондирование из космоса Ix. 4486: 200–209. Bibcode:2002SPIE.4486..200K. Дои:10.1117/12.455132. S2CID  137003113.
  14. ^ Пауло, Ю. (2012). Химическая физика процессов осаждения тонких пленок для микро- и нанотехнологий. Springer Science & Business Media. п. 45. ISBN  9789401003537. Получено 3 октября 2017.
  15. ^ Custer, J.S .; Polman, A .; Пинкстерен, Х. М. (15 марта 1994 г.). «Эрбий в кристаллическом кремнии: сегрегация и захват во время твердофазной эпитаксии аморфного кремния». Журнал прикладной физики. 75 (6): 2809. Bibcode:1994JAP .... 75.2809C. Дои:10.1063/1.356173.
  16. ^ Чо А.Ю. Рост полупроводников AIIIBV методом молекулярно-лучевой эпитаксии и их свойства // Тонкие твердые пленки. 100. С. 291–317, 1983.
  17. ^ Ченг, К. Ю. (ноябрь 1997 г.). «Технология молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых соединений AIIIBV для оптоэлектронных приложений». Труды IEEE. 85 (11): 1694–1714. Дои:10.1109/5.649646. ISSN  0018-9219.
  18. ^ а б c d е ж Ракован, Джон (2006) Камни и минералы 81: 317–320
  19. ^ а б Уайт и Ричардс (2010) Rocks & Minerals 85: 173–176
  20. ^ Acta Crystallographica Section A "Физика кристаллов, дифракция, теоретическая и общая кристаллография" Том 33, часть 4 (июль 1977 г.)
  21. ^ "FMF - Форум друзей полезных ископаемых, дискуссия и доска объявлений :: Index". www.mineral-forum.com/message-board/.
  22. ^ а б Нессе, Уильям (2000). Введение в минералогию. Издательство Оксфордского университета. Стр.79
  23. ^ Кляйн, Корнелис; Херлбат, Корнелиус Сирл; Дана, Джеймс Дуайт (1993). Учебное пособие по минералогии. Вайли. ISBN  978-0-471-57452-1.
  24. ^ "База данных Имперского колледжа".

Библиография

внешняя ссылка