Eine Einführung in die Epitaxie

Von Kerry Taylor-Smith, B.Sc . (Hons)Februar 14 2019

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Die Epitaxie ist eine wichtige Technik in der Kristallographie, bei der natürliche oder künstliche Kristalle auf einem kristallinen Substrat gezüchtet werden.

Was ist Epitaxie?

Abgeleitet vom griechischen epi, was oben bedeutet, und in geordneter Weise führt das Verfahren zur Bildung eines oder mehrerer kristalliner dünner Filme, die die gleiche oder unterschiedliche chemische Zusammensetzung und Struktur wie das Substrat aufweisen können. Der abgeschiedene Film rastet in eine oder mehrere kristallographische Orientierungen in Bezug auf den Substratkristall ein, und der resultierende Epitaxiefilm oder die resultierende Epitaxieschicht weist eine bestimmte Ausrichtung oder Position relativ zu der darunter liegenden Schicht auf.

Das Verfahren wird in der Nanotechnologie und in der Halbleiterfertigung eingesetzt, wo es von kommerzieller Bedeutung ist; In der Tat ist die Epitaxie die einzige erschwingliche Methode des hochwertigen Kristallwachstums für viele Halbleitermaterialien. Für die meisten Dünnschichtanwendungen – harte oder weiche Beschichtungen oder optische Beschichtungen – ist es von geringer Bedeutung, aber es ist kritisch in der Halbleiter-Dünnschichttechnologie, wo das Wachstum von Halbleitermaterialien Schichten und Quantentöpfe in elektronischen und photonischen Bauelementen wie Computervideodisplays und Telekommunikationsanwendungen bildet. Für die meisten technologischen Anwendungen besteht der Wunsch darin, dass das abgeschiedene Material einen kristallinen Film bildet, der eine genau definierte Orientierung in Bezug auf die Substratkristallstruktur aufweist.

Arten von Epitaxie

Es gibt verschiedene Arten von Epitaxie:

• Homoepitaxie – Dies wird mit einem Material durchgeführt, so dass das Substrat und der Dünnfilm gleich sind, oft Silizium auf Silizium. Dies wird häufig verwendet, um Filme zu züchten, die reiner als das Substrat sind und unabhängig davon dotiert werden können.
• Heteroepitaxie – Dies wird mit verschiedenen Materialien durchgeführt und oft verwendet, um Filme von Materialien zu züchten, für die Kristalle sonst nicht erhalten werden können, z. Silizium auf Saphir oder Graphen auf hexagonalem Bornitrid. Dieses Verfahren ermöglicht optoelektronische Strukturen und Bandgap-konstruierte Bauelemente.
• Heterotopotaxie – Diese Methode ähnelt der Heteroepitaxie, außer dass das Wachstum nicht auf zweidimensionales Wachstum beschränkt ist.
• Pendeo-Epitaxie – Bei diesem Verfahren wächst ein heteroepitaxialer Film vertikal und lateral gleichzeitig. Es wird in siliziumbasierten Herstellungsprozessen eingesetzt und ist besonders wichtig für Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid.

Heteroepitaxie wird häufig für das Metall-Halbleiter-Wachstum verwendet; Viele Metall-Halbleiter-Strukturen werden für Kontaktanwendungen verwendet, und das epitaktische Wachstum ermöglicht eine erhöhte Elektronenbewegung durch einen Übergang. Der Versuch, eine Kristallschicht auf einem anderen Substrat zu züchten, kann jedoch Probleme bereiten; passende Gitter sind wichtig, um Defekte zu minimieren und die Elektronenbeweglichkeit zu erhöhen, aber der Prozess kann zu unübertroffenen Gittern führen. Diese Fehlanpassung kann zu verspanntem oder entspanntem Wachstum führen, wodurch Grenzflächendefekte ausgelöst werden, und ein Abweichen von dem, was als ’normal‘ angesehen wird, kann zu Änderungen der elektronischen, optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Films führen.

Epitaktisches Wachstum von Dünnschichtmaterialien und ihre Anwendungen

Epitaktisches Wachstum von Dünnschichtmaterialien hat zahlreiche Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik und Magneto-Optik. Das Wachstum kann auf verschiedene Arten erfolgen, am gebräuchlichsten ist die Dampfphasenepitaxie (eine Modifikation der chemischen Gasphasenabscheidung), bei der Atome für die Abscheidung auf dem Substrat aus Dampf stammen und das Wachstum an der gasförmigen / festen Grenzfläche stattfindet. Die Festphasenepitaxie legt einen dünnen nichtkristallinen Film auf das Substrat, der dann erhitzt wird, um eine kristalline Schicht zu bilden, während die Flüssigphasenepitaxie Schichten sieht, die aus einer flüssigen Quelle gewachsen sind.

Letzteres ist bei weitem der billigste und einfachste Weg zur Herstellung von Schichten in Gerätequalität, aber die Verwendung von Metallorganisch-chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) und Molekularstrahlepitaxie (MBE) nimmt zu. Anfangskosten sind teuer, aber MOCVD und MBE sind vielseitiger und können mehrschichtige Strukturen mit Atomschichtsteuerung bereitwillig produzieren, die zum Nanoengineering grundlegend ist, das jetzt erfordert wird, um Gerätestrukturen in gewachsenen mehrschichtigen Schichten zu produzieren.

Referenzen und weiterführende Literatur

• Was ist Epitaxie?
• Epitaxie
• Epitaktisches Kristallwachstum: Methoden und Materialien
• Epitaxie
• Epitaxie / Kristallographie

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Geschrieben von

Kerry Taylor-Smith

Kerry ist seit 2016 freiberufliche Autorin, Redakteurin und Korrektorin und spezialisiert sich auf naturwissenschaftliche und gesundheitsbezogene Themen. Sie hat einen Abschluss in Naturwissenschaften an der University of Bath und lebt in Großbritannien.

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