Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из эпитаксиального роста )
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Эпитаксис» перенаправляется сюда. Не следует путать с носовым кровотечением .

Кристаллизация
Процесс-кристаллизации-200px.png
Основы
Кристалл  · Кристаллическая структура  · Зарождение
Концепции
Кристаллизация  · Рост кристаллов
Перекристаллизация  · Затравочный кристалл
Протокристаллический  · Монокристалл
Методы и технологии

Метод Булза Бриджмена – Стокбаргера
Процесс кристаллического бруса
Метод Чохральского
Эпитаксия  · Метод флюса
Фракционная кристаллизация
Фракционное замораживание
Гидротермальный синтез
Метод Киропулоса
Рост на пьедестале с лазерным нагревом Микроподтягивание
вниз
Процессы формообразования при выращивании кристаллов
Тигель черепа
Метод Вернейля
Зонная плавка

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 кристаллической подложке.. Осажденная кристаллическая пленка называется эпитаксиальной пленкой или эпитаксиальным слоем. Относительная ориентация (и) эпитаксиального слоя по отношению 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.

Термин эпитаксия происходит от греческих корней epi (ἐπί), что означает «выше», и taxis (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 плоской пленки поверх подложки решетка эпитаксиальной пленки будет иметь определенную ориентацию относительно кристаллической решетки подложки, такую ​​как индекс Миллера [001] пленки, совпадающий с [001 ] индекс 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 [ править ]

Гомоэпитаксия - это вид эпитаксии, выполняемой 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 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 илииридий , [2] и графен на гексагонального нитрида бора (HBN). [3]

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

Пендеоэпитаксия - это процесс, при котором гетероэпитаксиальная пленка растет вертикально и латерально одновременно. В двумерной кристаллической гетероструктуре графеновые наноленты, внедренные в гексагональный нитрид бора [4] [5], служат примером пендеоэпитаксии.

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, 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 [ править ]

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 . [6] Напротив, поверхностные дефекты и их геометрия оказывают значительное влияние на адсорбцию органических молекул [7]

Методы [ править ]

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

Парофазный [ править ]

Кремний чаще всего наносят легированием тетрахлоридом кремния и водородом при температуре примерно от 1200 до 1250 ° C: [8]

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 происходит при 650 ° C следующим образом:

SiH 4 → Si + 2H 2

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 частицам, которые просачиваются в реактор, загрязнять эпитаксиальный слой нежелательными соединениями, такими как диоксид кремния .

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

Жидкая фаза [ править ]

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 кремния , германия и арсенида галлия . [9] [10] Рост пленки центробежным способом - это процесс, используемый для формирования тонких слоев материалов с помощью центрифуги . Этот процесс был использован для создания кремния для тонкопленочных солнечных элементов [11] [12] и фотодетекторов дальнего инфракрасного диапазона. [13] Температура и скорость вращения центрифуги используются для контроля роста слоя. [10] Центробежный LPE имеет возможность создавать градиенты концентрации легирующей примеси, пока раствор поддерживается при постоянной температуре. [14]

Твердофазный [ править ]

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 [ править ]

Основная статья: 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. [16] [17]

Допинг [ править ]

Эпитаксиальный слой может быть легирован во время осаждения путем добавления примесей к исходному газу, таких как арсин , фосфин или 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 выполняется CVD, 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 («автолегирование»). Профили легирующих примесей нижележащих слоев также меняются, но не так значительно.

Минералы [ править ]

Рутиловый эпитаксиальный на гематите длиной около 6 см. Баия , Бразилия

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 . [18]

Если кристаллы обоих минералов хорошо сформированы, так что направления кристаллографических осей ясны, то эпитаксическая взаимосвязь может быть определена только 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 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 тот же материал. Однако для минералов, произведенных естественным путем, определение Международной минералогической ассоциации (IMA) требует, чтобы эти два минерала принадлежали к разным видам. [20]

Еще одно искусственное применение эпитаксии - это создание искусственного снега с использованием йодида серебра , что возможно, поскольку гексагональный йодид серебра и лед имеют схожие размеры ячеек. [19]

Изоморфные минералы [ править ]

Минералы, имеющие одинаковую структуру ( изоморфные минералы ), могут иметь эпитаксические отношения. Пример - альбит NaAlSi.
3О
8на микроклине KAlSi
3О
8. Оба эти минерала являются триклинными , 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 [ править ]

Рутил на гематите из Ново-Оризонти, Баия, Северо-Восточный регион, Бразилия
Гематит псевдоморфоза после магнетита, с террасным эпитаксиальных лицами. Ла-Риоха , Аргентина

Минералы, которые имеют одинаковый состав, но разные структуры ( полиморфные минералы ), также могут иметь эпитаксические отношения. Примерами являются пирит и марказит , оба FeS 2 , и сфалерит и вюрцит , оба ZnS. [18]

Рутил на гематите [ править ]

Некоторые пары минералов, не связанных структурно или композиционно, также могут проявлять эпитаксию. Типичный пример - рутил TiO 2 на гематите Fe 2 O 3 . [18] [21] Рутил является тетрагональным, а гематит - тригональным , но есть направления с аналогичным расстоянием между атомами в плоскости (100) рутила (перпендикулярно оси a ) 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 [ править ]

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. [22]

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 видов. Однако радиус иона кислорода составляет всего 1,36 Å [23], а катионы Fe достаточно велики, чтобы вызывать некоторые изменения. Радиусы Fe варьируются от 0,49 до 0,92 Å [24] 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) . [22]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Удо В. Пол (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); DOI : 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 : 2015NatCo ... 6E6499T . DOI : 10.1038 / ncomms7499 . PMC 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 : 2017NatCo ... 814703C . DOI : 10.1038 / ncomms14703 . PMC 5347129 . PMID 28276532 .  
  5. ^ Чен, Линсю; Ван, Хаомин; Тан, Шуцзе (2017). «Контроль края графеновых доменов, выращенных на гексагональном нитриде бора». Наноразмер . 9 (32): 1–6. arXiv : 1706.01655 . Bibcode : 2017arXiv170601655C . DOI : 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 ... 1320724W . DOI : 10.1039 / C1CP22546D . PMID 21952443 . 
  7. ^ Вальдман, Т. (2012). «Роль поверхностных дефектов в адсорбции больших органических молекул: эффекты конфигурации подложки». Физическая химия Химическая физика . 14 (30): 10726–31. Bibcode : 2012PCCP ... 1410726W . DOI : 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. Проверено 3 октября 2017 года .
  10. ^ a b Фэрроу, RFC; Паркин, ССП; Добсон, П.Дж.; Neave, JH; Арротт, AS (2013). Методы выращивания тонких пленок для низкоразмерных структур . Springer Science & Business Media. С. 174–176. ISBN 9781468491456. Проверено 3 октября 2017 года .
  11. ^ Кристенсен, Арнфинн. «Быстрое производство кремния для солнечных элементов» . sciencenordic.com . ScienceNordic . Проверено 3 октября 2017 года .
  12. ^ Luque, A .; Sala, G .; Пальц, Виллеке; Сантос, Г. дос; Хельм, П. (2012). Десятый EC фотоэлектрическая солнечная энергия конференция: Труды международной конференции, состоявшейся в Лиссабоне, Португалия, 8-12 апреля 1991 года . Springer. п. 694. ISBN 9789401136228. Проверено 3 октября 2017 года .
  13. ^ Каттерлохер, Рейнхард О.; Якоб, Герд; Конума, Мицухару; Краббе, Альфред; Haegel, Nancy M .; Samperi, SA; 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 . DOI : 10.1117 / 12.455132 . S2CID 137003113 . 
  14. ^ Pauleau, Y. (2012). Химическая физика процессов осаждения тонких пленок для микро- и нанотехнологий . Springer Science & Business Media. п. 45. ISBN 9789401003537. Проверено 3 октября 2017 года .
  15. ^ Кастер, JS; Polman, A .; Pinxteren, HM (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 . DOI : 10.1063 / 1.356173 .
  16. ^ AY Cho, "Рост полупроводников III \ –V молекулярно-лучевой эпитаксией и их свойства", Thin Solid Films, vol. 100. С. 291–317, 1983.
  17. ↑ Cheng, KY (ноябрь 1997 г.). «Технология молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых соединений AIIIBV для оптоэлектронных приложений». Труды IEEE . 85 (11): 1694–1714. DOI : 10.1109 / 5.649646 . ISSN 0018-9219 . 
  18. ^ a b c d e f Ракован, Джон (2006) Rocks & Minerals 81: 317 - 320
  19. ^ a b Уайт и Ричардс (2010) Rocks & Minerals 85: 173-176
  20. ^ Acta Crystallographica Section A Кристаллография, дифракция, теоретическая и общая кристаллография Том 33, часть 4 (июль 1977 г.)
  21. ^ "FMF - Форум друзей полезных ископаемых, дискуссия и доска объявлений :: Указатель" . www.mineral-forum.com/message-board/ .
  22. ^ a b Нессе, Уильям (2000). Введение в минералогию. Издательство Оксфордского университета. Стр.79
  23. ^ Кляйн, Корнелис; Херлбут, Корнелиус Сирл; Дана, Джеймс Дуайт (1993). Учебное пособие по минералогии . Вайли. ISBN 978-0-471-57452-1.
  24. ^ "База данных Имперского колледжа" .

Библиография [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

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