Un’Introduzione per Epitassia

Da Kerry Taylor-Smith, B. Sc. (Hons)Feb 14 2019

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Epitassia è una tecnica importante in cristallografia, dove, naturale o artificiale, i cristalli sono coltivate su un substrato cristallino; il substrato sottostante agisce come un seme di cristallo e determina l’orientamento dei cristalli che crescono su di esso.

Che cos’è l’epitassia?

Derivato dal greco epi, che significa sopra, e taxi, un modo ordinato, il processo si traduce nella formazione di uno o più film sottili cristallini che possono essere delle stesse o diverse composizioni chimiche e struttura come substrato. Il film depositato si blocca in uno o più orientamenti cristallografici rispetto al cristallo del substrato e il film o lo strato epitassiale risultante ha un particolare registro o posizione rispetto allo strato sottostante.

Il processo è utilizzato nelle nanotecnologie e nella fabbricazione di semiconduttori dove è di importanza commerciale; infatti, l’epitassia è l’unico metodo economico di crescita dei cristalli di alta qualità per molti materiali semiconduttori. Per la maggior parte delle applicazioni a film sottile-rivestimenti duri o morbidi o rivestimenti ottici-è di scarsa importanza, ma è fondamentale nella tecnologia a film sottile a semiconduttore, dove la crescita di materiali semiconduttori forma strati e pozzi quantici in dispositivi elettronici e fotonici come schermi video per computer e applicazioni di telecomunicazione. Per la maggior parte delle applicazioni tecnologiche, il desiderio è che il materiale depositato formi un film cristallino che abbia un orientamento ben definito rispetto alla struttura cristallina del substrato.

Tipi di epitassia

Esistono vari tipi di epitassia:

• Homoepitaxy – Questo viene eseguito con un materiale, quindi il substrato e il film sottile sono gli stessi, spesso silicio su silicio. Questo è spesso usato per coltivare film più puri del substrato e che possono essere drogati indipendentemente da esso.
• Eteroepitaxy – Questo viene eseguito con materiali diversi e spesso utilizzato per coltivare film di materiali per i quali i cristalli non possono essere altrimenti ottenuti, ad esempio silicio su zaffiro o grafene su nitruro di boro esagonale. Questo metodo consente strutture optoelettroniche e dispositivi ingegnerizzati bandgap.
• Eterotopotassia-Questo metodo è simile all’eteroepitassia tranne che la crescita non è limitata alla crescita bidimensionale; il substrato è simile solo nella struttura al materiale a film sottile.
• Pendeo-epitassia – In questo processo, un film eteroepitassiale cresce verticalmente e lateralmente simultaneamente. Viene utilizzato nei processi di produzione a base di silicio ed è particolarmente importante per semiconduttori composti come l’arseniuro di gallio.

L’eteroepitaxy è usata spesso per la crescita del metallo-semiconduttore; molte strutture del metallo-semiconduttore sono usate per le applicazioni del contatto e la crescita epitassiale tiene conto il movimento aumentato dell’elettrone attraverso una giunzione. Tuttavia, cercare di far crescere uno strato di cristalli in cima a un substrato diverso da esso può presentare problemi; i reticoli corrispondenti sono importanti per ridurre al minimo i difetti e aumentare la mobilità degli elettroni, ma il processo può portare a reticoli ineguagliati. Questa mancata corrispondenza può causare una crescita tesa o rilassata, innescando così difetti interfacciali, e allontanarsi da ciò che è considerato “normale” può portare a cambiamenti nelle proprietà elettroniche, ottiche, termiche e meccaniche del film.

Crescita epitassiale di materiali a film sottile e sue applicazioni

La crescita epitassiale di materiali a film sottile ha numerose applicazioni in elettronica, optoelettronica e magneto-ottica. La crescita può avvenire in diversi modi, il più comune è l’epitassia in fase vapore (una modifica della deposizione chimica da vapore), dove gli atomi per la deposizione sul substrato provengono dal vapore e la crescita avviene all’interfaccia gassosa/solida. L’epitassia in fase solida deposita un sottile film non cristallino sul substrato che viene poi riscaldato per formare uno strato cristallino, mentre l’epitassia in fase liquida vede strati cresciuti da una fonte liquida.

Quest’ultimo è di gran lunga il percorso più economico e più semplice per la produzione di strati di qualità del dispositivo, ma metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) e molecular beam epitaxy (MBE) stanno crescendo in uso. I costi iniziali sono costosi, ma MOCVD e MBE sono più versatili e possono facilmente produrre strutture multistrato con controllo a strato atomico, che è fondamentale per la nanoingegneria ora necessaria per produrre strutture di dispositivi in multistrato come cresciuto.

Riferimenti e ulteriori letture

• Che cos’è l’epitassia?
• Epitassia
• Crescita dei cristalli epitassiali: Metodi e materiali
• Epitaxy
• Epitaxy / Crystallography

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Scritto da

Kerry Taylor-Smith

Kerry è stato uno scrittore freelance, editore e correttore di bozze dal 2016, specializzato in scienze e materie relative alla salute. Ha una laurea in Scienze Naturali presso l’Università di Bath e ha sede nel Regno Unito.

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