Эпитаксиальное выращивание представляет собой метод формирования монокристаллических слоёв полупроводников на подложках с заранее заданной кристаллической ориентацией. Основная цель эпитаксии — получить слой материала с кристаллической решёткой, идентичной подложке, что обеспечивает минимизацию дефектов, высокую электронную однородность и возможность создания высококачественных гетероструктур.
Гетероэпитаксия Гетероэпитаксия заключается в выращивании одного полупроводника на подложке из другого материала. Классическим примером является выращивание GaAs на подложке GaP или InGaAs на GaAs. Основные проблемы гетероэпитаксии связаны с разницей параметров решётки и термических коэффициентов расширения, что может приводить к образованию дефектов, таких как дислокации или микротрещины.
Гомоэпитаксия Гомоэпитаксия предполагает выращивание одного и того же полупроводника на одноимённой подложке, например, Si на Si или GaAs на GaAs. Такой подход позволяет получить слой с минимальной концентрацией дефектов и идеально согласованной кристаллической решёткой.
Металлоорганическая эпитаксия (MOVPE/MOCVD) Используется в основном для III–V полупроводников. Процесс основан на химическом осаждении из газовой фазы органических металлокомплексных прекурсоров при высоких температурах. Преимущества метода: высокая скорость роста, возможность создания многослойных структур с различным составом и градиентами легирования.
Молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE) Метод, основанный на испарении чистых элементов в вакууме с последующим их осаждением на подложку. Обеспечивает исключительную точность контроля толщины слоя и состава. Используется для создания квантовых структур, сверхтонких многослойных гетероструктур и квантовых точек.
Гидридная эпитаксия (HVPE) Основной метод выращивания нитридов, таких как GaN и AlN. В процессе используется химическая реакция между газообразными гидридами и металлическими прекурсорами. Отличается высокой скоростью роста и применим для производства массивных подложек.
Подготовка подложки Подложка тщательно очищается от органических и неорганических загрязнений. Часто применяются химические травления и термическая обработка для удаления оксидного слоя.
Выравнивание и установка подложки Подложка устанавливается на держатель в реакционной камере с точной ориентацией кристаллической решётки, чтобы обеспечить правильную эпитаксию.
Рост эпитаксиального слоя В зависимости от выбранного метода (MBE, MOVPE, HVPE) осуществляется осаждение атомов или молекул на поверхность подложки. Важнейшие параметры процесса: температура подложки, скорость подачи прекурсоров, давление в камере.
Контроль качества После роста выполняются контрольные измерения, включающие:
Адсорбция и десорбция атомов Атомы прекурсоров адсорбируются на поверхности подложки, диффундируют до энергетически выгодных позиций и включаются в кристаллическую решётку. Часть атомов может десорбироваться обратно в газовую фазу, что зависит от температуры и давления.
Поверхностная диффузия Атомы перемещаются по поверхности подложки до мест с низкой энергией поверхности —, например, шагов кристаллической решётки. Эффективная диффузия критична для формирования гладких слоёв без дефектов.
Направленная кристаллизация Упорядочение атомов в решётку подложки происходит за счёт минимизации поверхностной энергии. Это обеспечивает когерентность слоёв и снижение плотности дефектов.
Микроэлектроника Эпитаксия используется для создания транзисторов, интегральных схем и светодиодов с высокой подвижностью носителей заряда.
Оптоэлектроника Метод позволяет получать лазерные диоды, светодиоды и фотодетекторы с высокой квантовой эффективностью, используя гетероструктуры и квантовые ямы.
Сенсорные устройства и фотоника Эпитаксиальные слои с заданным легированием применяются для фотоприёмников, солнечных элементов и фотонных кристаллов.
Толщина слоёв Контролируется на уровне единиц ангстрем или нанометров, что особенно важно при создании квантовых структур.
Дефекты кристаллической решётки Дислокации, вакансии и краевые дефекты могут ухудшать электрофизические свойства. Методы низкотемпературного роста и правильного выбора подложки позволяют минимизировать их концентрацию.
Состав и градиенты легирования Применение точных источников элементов и контроль потока прекурсоров обеспечивают однородность состава и возможность создания сложных гетероструктур с различными свойствами по толщине слоя.
Эпитаксиальное выращивание остаётся фундаментальной технологией современной физики полупроводников, обеспечивая производство высококачественных монокристаллических структур, необходимых для микроэлектроники, оптоэлектроники и нанотехнологий. Контроль всех стадий процесса, начиная с подготовки подложки и заканчивая измерением свойств слоёв, критически важен для обеспечения функциональности и надёжности конечных устройств.