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.

Kasvumeetodid
Epitaksiaalset räni kasvatatakse enamasti läbi aurufaasi olevate lähteainete, mis on modifikatsioon keemilisele aurufaas-sadestamisele. Kasutatakse ka molekulaarjuga ja vedelikfaase epitaksiat, peamiselt liitpooljuhtide tootmiseks. Tahkefaasepitaksiat kasutatakse peamiselt kristalli kahjustuste parandamiseks.

Aurufaasepitaksia
Räni sadestatakse peamiselt SiCl4 (ränitetrakloriid) ja H2 (vesinik) omavahelisel reaktsioonil ~1200 °C juures:
SiCl4(g) + 2H2(g) ↔ Si(t) + 4HCl(g)

Antud reaktsioon on pöörduv ning tahke räni kasvu kiirus sõltub oluliselt kahe prekursori omavahelisest suhtest. Kasvukiirustel üle 2 mikromeetrit minutis on lähteaine tulv alusele epitaksiaalse kihi tekkimiseks liiga suur ning tekib epitaksiaalse kihi asemel polükristalliline räni. Reaktsiooni kõrvalsaadusena tekkiv vesinikkloriid on söövitav ning kokkupuutel kasvava räniga hakkab söövitusreaktsioon konkureerima räni kasvamisreaktsiooniga. Vesinikkloriidi võidakse lisada ka tahtlikult materjali keemiliseks eemaldamiseks. Järgnevalt söövitusreaktsioon: 
SiCl4(g) + Si(t) ↔ 2SiCl2(g)

Räni aurufaasepitaksia puhul kasutatakse lähtegaasidena ka silaane. Räni sadestamine, kasutades lähtematerjalideks silaane, toimub 650 °C juures järgmiselt:
SiH4 → Si(t) + 2H2(g)

Aurufaasepitaksiat liigitatakse sageli alggaaside keemia järgi, näiteks hüdriid aurufaasepitaksia ja metallorgaaniliste ühendite aurufaasepitaksia.

Vedelfaasepitaksia on pooljuht-kristallkihtide kasvatamine tahke substraadi sulandile. See toimub temperatuuridel, mis on oluliselt madalamad kui sadestatava pooljuhi sulamistemperatuur. Pooljuht lahustatakse teise materjali sulandis. Tingimustel, kus lahustumisprotsess konkureerib sadestumisprotsessiga ehk on lähedal tasakaalule on pooljuhtkristallide sadestumine substraadile üsna kiire ja ühtlane. Levinuim substraat on indiumfosfiid (InP). Selleks, et hõlbustada nukleatsiooni ja vältida pingeid kasvatatavas kihis, peaksid substraadi ja kasvatatava kihi soojuspaisumiskoefitsiendid olema sarnased.

Tahkefaasepitaksia on üleminek materjali amorfse ja kristallfaasi vahel. Peamiselt sadestatakse esmalt amorfse materjali kile kristallstruktuuriga substraadile. Seejärel kuumutatakse substraati, mis võimaldab amorfsel struktuuril kristalliseeruda. Seega käitub substraat kristallograafilise šabloonina, mis kuumutamisel amorfset materjali orienteerib. Tahke faasi epitaksiaks loetakse ka karastamist, mida tehakse amorfseks muutunud ränikihtide rekristalliseerimiseks või parandamiseks. Kuumutamist kasutatakse ka lisandi aatomite kontsentratsiooni ühtlustamiseks.

Molekulaarjuga-epitraksia (Molekulkiir-epitaksia, MBE) puhul kuumutatakse algmaterjali, et tekiks aurustunud osakeste kiir. Osakesed liiguvad läbi ülikõrge vaakumi (10−8 Pa) substraadini, kus kondenseeruvad. MBE-l on väiksem sadestuskiirus kui teistel epitaksia alaliikidel. Seda tehnoloogiat kasutatakse laialdaselt, et kasvatada perioodilisustabeli III, IV ja V rühma pooljuhtide kristalle.

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.

Viited

Materjaliteadus