Эпитаксия

1.Терминология

Термин "эпитаксия" был введен в техническую литературу для обозначения процесса ориентированного наращивания монокристалли­ческого материала на монокристалл-подложку, в результате которого образующаяся новая фаза зако­номерно продолжает кристаллическую решетку подложки с образовани­ем переходного слоя, способствующего когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью атом­ной упаковки.

Переходный слой представляет собой промежуточную область между двумя срастающимися фазами, свойства которой определяются характером физико-химических взаимодействий в той системе реаген­тов (включая подложку), в которой протекает данный эпитаксиальный процесс.

Этот слой является переносчиком информации о структуре под­ложки в растущую кристаллическую фазу.

По природе взаимодействий "подложка - растущая кристалличес­кая фаза" эпитаксиальные процессы можно подразделить на несколько типов.

Автоэпитаксия (гомоэпитаксия) - процесс ориентированного на­ращивания кристаллического вещества, одинакового по структуре и не отличающегося химически (или незначительно) от вещества под­ложки. Отличие может заключаться в различном уровне легирования и типе примесей, что обусловливает возможность формирования гомо­генных электронно-дырочных структур.

Гетероэпитаксия - процесс ориентированного наращивания ве­щества, отличающегося по химическому составу от вещества подлож­ки, но подобного ему по структуре. Этот процесс происходит с об­разованием переходного слоя, протяженность которого может быть значительной. Гетероэпитаксия осуществима в системах элементов или соединений, не склонных к химическому взаимодействию друг с другом (образованию промежуточных фаз).

Хемоэпитаксия - процесс ориентированного нарастания, в ре­зультате которого образование новой кристаллической фазы - хемоэ­питаксиального слоя - происходит за счет химического взаимодейс­твия (например, реактивной диффузии) вещества подложки с вещест­вом, поступающим из исходной фазы. Полученный слой по химическому составу отличается как от подложки, так и от исходной фазы, но закономерно продолжает кристаллическую структуру подложки. Как правило, толщина хемоэпитаксиального слоя невелика.

Реотаксия - ориентированное наращивание кристаллического слоя в условиях, близких к равновесным, на подложке как механи­ческом носителе. Подложка может быть стеклообразной, аморфной или иметь структуру, отличную от структуры формирующейся кристалли­ческой фазы. Упорядочение формирующегося слоя происходит за счет высокой подвижности исходных структурных кластеров, попадающих на подложку из внешней среды.

По химическому состоянию вещества в период переноса от внеш­него источника к подложке (фактически по химическому составу ис­ходной фазы) эпитаксиальные процессы бывают следующими.

Прямые процессы, когда вещество переносится к подложке без промежуточных реакций. Химический состав вещества источника, его состав в процессе переноса и состав эпитаксиального слоя одинако­вы. Примерами таких процессов могут быть вакуумное испарение, сублимация, молекулярная эпитаксия. В ряде случаев в парообразном состоянии молекулярные формы вещества могут отличаться от молеку­лярного состава твердого или жидкого источника, например, возмож­на полимеризация (чаще димеризация) молекул источника.

Непрямые процессы, когда при переносе вещества от источника к подложке происходят химические превращения: пиролиз, восстанов­ление, окисление, диспропорционирование, различные стадии хими­ческого синтеза и др. Состав промежуточной фазы отличается и от состава источника, и от состава растущего эпитаксиального слоя. Такие процессы наиболее распространены.

По агрегатному состоянию исходной фазы все эпитаксиальные процессы делятся на четыре типа.

Газофазная (парофазная) эпитаксия. В прямых процессах этого типа осаждаемое вещество в исходной среде находится в виде атом­ного или молекулярного пара (молекулярных пучков) в вакууме или инертной атмосфере. В непрямых - осаждаемое вещество или его ком­поненты содержатся в исходной среде в виде пара (или газообраз­ных) химических соединений или их смесей с газовыми химически ак­тивными реагентами и инертными газами-носителями (часто химически активный газ выполняет и функцию газа-носителя).

Широкое распространение в практике получили газотранспортные процессы, когда вещество или его компонент переносится к подложке в потоке газа-носителя в форме легколетучих соединений, образуе­мых вне реактора или в зоне источника при взаимодействии одного из компонентов соединения с реагентом-транспортером (часто в этой роли выступает хлористый водород). Например, при эпитаксиальном синтезе арсенида галлия галлий переносится к подложке в виде лег­колетучего субхлорида GaCl, который образуется в зоне источника при взаимодействии расплава галлия и транспортера HCl. Мышьяк поступает в зону осаждения в виде арсина AsH₃. В хлоридном про­цессе эпитаксия кремния он поступает в зону осаждения в виде пара SiCl₄, увлекаемого из внешнего источника потоком водорода, выпол­няющего функции и газа-носителя, и реагента-восстановителя.

Эпитаксия в жидкой фазе. В этом случае осаждаемое вещество находится в исходной фазе либо в растворенном (раствор),либо в расплавленном (раствор - расплав) состоянии. Перенос вещества к подложке осуществляется при распаде пересыщенного раствора диффу­зионным путем, иногда при участии конвективного обмена в жидкой фазе. Особый случай представляет эпитаксия в жидкой фазе при на­личии градиента температуры в системе раствор-подложка.

Следует отметить, что в основном жидкостную эпитаксию приме­няют для получения слоев полупроводниковых соединений. В послед­нее время значительные успехи в применении этого метода к моноа­томным полупроводникам, таким как кремний.

Эпитаксия в системе пар - жидкость - кристалл (ПЖК). В неко­торых случаях газофазной эпитаксии термодинамически выгоден не прямой переход газ (пар) - твердое тело, а рост эпитаксиального слоя при переносе растворителем осаждаемого вещества из газовой фазы через тонкую пленку промежуточной стабильной или метаста­бильной жидкой фазы. В качестве растворителей применяют металлы, стимулирующие эпитаксиальный рост основного вещества: медь, се­ребро, золото, железо и др.

Методом ПЖК выращивают нитевидные кристаллы и реже эпитакси­альные слои полупроводников. В последнем случае существуют труд­ности в получении монокристаллических слоев большой площади с од­нородным распределением свойств.

Эпитаксия в твердой фазе. Этот метод сводится к перекристал­лизации вещества в поверхностном слое твердой фазы или к синтезу его в поверхностном слое.

Частным случаем эпитаксии является перекристаллизация стек­лообразной фазы на поверхности монокристалла за счет фазового пе­рехода II рода.

Для синтеза тонких слоев химических соединений вблизи по­верхности твердого тела иногда используют метод ионного внедрения одного из компонентов соединения с последующей кристаллизацией в процессе эпитаксиального отжига. Примерами служат образование слоя AlN на поверхности Al₂O₃ после имплантации азота или Si₃N₄ на поверхности Si.