Epitaksia

Epitaksia on materjaliteaduses kristallilise materjali kasvamine, mille käigus kasvav materjal järgib alusmaterjali kristallstruktuuri. Epitaksiaalse kasvamise käigus moodustunud materjali nimetatakse epitaksiaalseks kileks või kihiks. Enamiku tehnoloogiliste kasutusviiside puhul on soovitatav, et sadestuv materjal moodustaks kristallstruktuuriga kihi, millel on hästi defineeritud kristallograafiline orientatsioon, mis tuleneks substraadi struktuurist. Epitaksiaalset kilet on võimalik kasvatada gaasilises või vedelas olekus lähteainetest. Kuna alusmaterjal ehk substraat käitub kristalli kasvamisel seemnena, võib sadestuv aine substraadist lähtudes moodustada erineva kristallograafilise orientatsiooniga kristallstruktuuri. Juhul kui kasvanud kile on suvalise või ebakorrapärase struktuuriga, nimetatakse seda mitte-epitaksiaalseks kasvamiseks.

Etümoloogia

Termin epitaksia tuleb kreekakeelsetest sõnadest epi (ἐπί) ("peal", "kohal") ja taxis (τάξις) ("korrapärane viis").

Tüübid

Homoepitaksia on epitaksia alaliik, kus kristallstruktuuriga kile kasvatatakse samast materjalist substraadile või kilele. Sellist tehnoloogiat kasutatakse, saavutamaks kilet, mis on puhtam kui substraat. Homoepitaksia kasvutüüpi kasutatakse veel erinevate dopeerimise astmetega kihtide kasvatamisel.
Heteroepitaksia on epitaksia alaliik, kus protsess viiakse läbi üksteisest erinevate materjalidega. Heteroepitaksia puhul kasvatatakse kilet kristallstruktuuriga substraadile või kilele, mis on sadestatava materjali koostisest erineva koostisega. Sellist tehnoloogiat kasutatakse sageli selleks, et kasvatada kristallstruktuuriga kilet materjalist, mille kristalle ei ole muul moel võimalik tekitada, ning et toota vahelduva keemilise koostisega kristallilistest kihtidest koosnevaid komposiitmaterjale. Näidete hulgas on galliumnitriid (GaN) safiiril, alumiiniumgalliumindiumfosfiid (AlGaInP) galliumarseniid(GaAs), teemandil või iriidiumil.
Pendeoepitaksia on epitaksia alaliik, kus protsessi kägus kasvab materjal samaaegselt nii lateraalselt (üle kogu pinna) kui ka vertikaalselt (kõrgusse)

Rakendused

Epitaksiat kasutatakse nanotehnoloogias ning pooljuhttehnoloogias. Täpsemalt kasutatakse antud meetodit laialdaselt ränipõhiste bipolaartransistoride, CMOS-struktuuride ning erinevate pooljuhtmaterjalide, nagu GaAs tootmisprotsessides. Tootmisprobleemide hulka kuulub sadestatava aine takistuse ja paksuse ühtluse kontrollimine, pinna ja ruumiõhu puhtus ning alusmaterjalisse lisandiaatomite difundeerumine kasvavasse kihti. Epitaksia on üks väheseid meetodeid kõrgekvaliteedilise kristallstruktuuri kasvatamiseks mitmetele pooljuhtidele. Pinnamikroskoopias kasutatakse epitaksiat loomaks ühe- või mitmekihilisi monokristallilisi pindu, millele sadestatud orgaanilisi ühendeid on aluspinna sileduse tõttu võimalik uurida näiteks skaneeriva tunnelmikroskoobiga.

Dopeerimine

Epitaksiaalsele kilele saab lisada lisandeid ehk kilet saab dopeerida sadestamise ajal. Lisanditeks kasutatakse selliseid ühendeid nagu näiteks arsiin, fosfiin ja diboraan. Lisandi aatomite kontsentratsioon gaasifaasis määrab ka nende kontsentratsiooni sadestatud kiles. Nagu keemilise aurufaassadestamise (CVD) puhul, muudavad lisaühendid sadestumise kiirust. Kuna kasvuprotsess toimub kõrgetel temperatuuridel, võivad dopandid difundeeruda substraadist kasvatatavase kihti. Samuti võivad alggaasides sisalduvad dopandi molekulid aurumisel epitaksilisse kihti difundeeruda muutes sellega lisandite profiili kasvatatavas kiles.

Mineraalid

Mineraloogias tähendab epitaksia ühe mineraali kasvatamist teisele korrapärasel viisil, kus kahe mineraali kindlad kristallograafilised orientatsioonid on samasihilised. Seda esineb juhul, kui mineraalide aatomite vahekaudused kristallvõres on sarnased.
Isomorfsed mineraalid
Sama struktuuriga mineraalid võivad kasvada üksteise peal epitaksiaalselt. Näiteks mikrokliinile (KAlSi₃O₈) sadestatud albiit (NaAlSi₃O₈). Mõlemad mineraalid on trikliinsed ning mõlema mineraali kristallograafilise ühikraku suurused on sarnased.
Polümorfsed mineraalid
Sama koostise, aga erineva struktuuriga mineraalid võivad samuti kasvada üksteise peale epitaksiaalselt. Näiteks püriit ja markasiit (FeS₂) ning sfaleriit ja vürtsiit (ZnS).
Rutiil hematiidil
Epitaksiaalne kasv võib esineda ka mõne mineraali vahel, mis ei ole omavahel struktuurilt ega koostiselt sarnased. Näiteks rutiil TiO₂ hematiidil Fe₂O₃. Rutiil on tetragonaalne, hematiit on trigonaalne, epitaksiaalse kasvu tagavad rutiili (100) ja hematiidi (001) tasandil olevate aatomite sarnased vahekaugused, mis joondavad edasist epitaksiaalset kasvu.