Эпитаксия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Эпитаксия (от греч. epi - на, над, при и taxis-расположение, порядок) - процесс наращивания монокристал-лич. слоев вещества на подложку (кристалл), при к-ром кристаллографич. ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографич. ориентацию подложки. Э. позволяет получать такие тонкие (1 нм-10 мкм) однородные мо-нокристаллич. слои - т.н. эпитаксиальные слои (ЭС) - любого типа проводимости и любого уд. электрич. сопротивления, какие невозможно создать иным способом. Различают гетероэпитаксию, когда вещества подложки и наращиваемого слоя различны по хим. составу и кристаллич. структуре, и гомоэпитаксию (автоэпита-ксию), когда подложка и наращиваемый слой одинаковы по хим. составу или отличаются только примесным составом. Э. используется в технологии производства широкого класса электронных приборов и устройств для получения (в виде плёнок и многослойных структур) эпитаксиальных слоев элементарных полупроводников, соединений типа A^III B^V, A^II B^VI, A^IV B^VI, гранатов, ортоферритов и др. материалов.

Свойства ЭС во многом определяются условиями сопряжения кристаллич. решёток наращиваемого слоя и подложки, причём существенно их структурно-геом. соответствие; легче всего сопрягаются вещества, кристаллич. структуры к-рых одинаковы или близки (напр., вещества с кристаллич. структурой сфалерита и алмаза). Э. легко осуществляется, если разность постоянных решёток не превышает 10%; в этом случае тонкий наросший ЭС продолжает атомные плоскости подложки (возникает псевдо-морфный слой). При больших расхождениях сопрягаются наиб. плотно упакованные плоскости. При разл. решётках сопрягаемых веществ в ЭС возникают дислокации несоответствия. Плотностью дислокаций несоответствия можно управлять, меняя параметры решётки растущего кристалла (напр., введением примесей) и получая т.о. бездислока-ционные ЭС с высокой подвижностью и малой плотностью носителей заряда. Помимо структурно-геом. соответствия сопряжение пар веществ зависит от температуры процесса (температурой Э. наз. предельно низкая темп-pa, при к-рой ещё возможно ориентированное нарастание вещества), степени пересыщения осаждаемого вещества, совершенства подложки и чистоты её поверхности. Поэтому подложку перед Э. обычно подвергают механич., хим. или радиац. обработке. ЭС растёт за счёт атомов и молекул, составляющих адсорбц. слой, и скорость роста зависит от пересыщения в этом слое.

Э. возможна из любой фазы: газовой (газофазная Э.- ГФЭ), жидкой (жидкостная, или жидкофазная, Э.- ЖФЭ) и твёрдой (твердофазная Э.- ТФЭ). Преимуществ. развитие получили ГФЭ и ЖФЭ.

Методы ГФЭ делятся на химические и физические. Хим. методы ГФЭ основаны на осаждении из газовой фазы вещества, полученного в результате след. хим. реакций: восстановления хлоридов Si и Ge водородом (напр., SiCl₄ + 2H₂ = Si + 4HCl - т.н. хлоридный процесс); пиро-литич. разложения моносилана (SiH₄ = Si + 2H₂); диспро-порционирования дииодидов и дихлоридов Si и Ge (напр., 2SiCl₂

Si + SiCl₄) и др. Процессы осуществляются в реакторах (рис. 1); газовая система обеспечивает подачу в реакторную камеру газовой смеси требуемого состава. Добавляя к газовой смеси соединения легирующих элементов (напр., AsCl₃, B₂H₆), выращивают ЭС п- или p-типа соответственно. Темп-pa процесса определяется кинетикой хим. реакции и обычно находится в пределах 800-1300° С.

Рис. 1. Схемы горизонтальной (вверху) и вертикальной (внизу) реакторных камер для эпитаксии из газовой фазы хлоридным методом: 1-реакторная камера; 2-нагреватель; 3 -подставка для подложек; 4-подложка.

К физ. методам относят методы термич. осаждения из молекулярных пучков в вакууме, мгновенного испарения, "горячей стенки", а также методы катодного распыления и осаждения. По методу термич. осаждения из молекулярных пучков испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры (выше или ниже температуры плавления испаряемого вещества в зависимости от упругости пара в точке плавления) в сверхвысоком вакууме (<=1,3^.10^-8 Па), при этом его атомы и молекулы попадают на подложку, где и происходит их конденсация. Наиб. совершенным является электронно-лучевой способ нагрева, отчего такой метод получил название м о л е к у л я р н о-л у ч е в о й э п и т а кс и и (МЛЭ). Этот метод позволяет в процессе осаждения контролировать структуру и состояние поверхности подложек, регулировать плотность молекулярного потока, т. е. скорость роста кристаллов, обеспечивать возможность при помощи маски выполнять локальную кристаллизацию, получать резкие межслойные границы, выращивать сверхтонкие (1 -100 нм) эпитаксиальные слои (плёнки) полупроводников, диэлектриков и металлов, создавать сверхрешётки (последовательность большого числа чередующихся слоев разного состава толщиной 5-10 нм), осуществлять многослойную застройку решётки. На основе плёнок, полученных методом молекулярно-лучевой эпита-ксии, создают оптоэлектронные интегральные схемы, сверхбыстродействующие большие интегральные схемы, фотоприёмники и лазеры на гетероструктурах, фотокатоды с отрицат. электронным сродством, др. приборы и устройства.

Метод мгновенного испарения близок к методу осаждения из молекулярных пучков и заключается в том, что исходное вещество непрерывно и равномерно поступает в испаритель, между ним и составом газовой фазы поддерживается термодинамич. равновесие. Обычно этот метод используют для получения ЭС материалов, компоненты к-рых обладают разл. упругостями пара (напр., GaP, GaAlAs, GaAsP).

Метод катодного распыления отличается от термич. методов тем, что исходным веществом служит вещество нагреваемого твёрдого тела. В осн. применяют катодное распыление с помощью тлеющего разряда (рис. 2). Процесс идёт в среде инертного газа при давлениях 0,133- 13,3 Па, при более низкой, чем в методах термич. испарения, эпитаксиальной температуре.

Рис. 2. Схема камеры для катодного распыления: 1-катод; 2-подложка; 3 - анод; 4 -плазма Ar⁺.

Метод катодного осаждения сочетает методы катодного распыления и осаждения из молекулярных пучков. Вещество (рис. 3) испаряется термич. путём, подложка служит отрицат. электродом и располагается в зоне плазмы, поддерживаемой постоянным током или ВЧ-разрядом. Испарившиеся атомы ионизируются в плазменном пространстве и осаждаются на катоде подложки. С сер. 1980-х гг. развивается метод осаждения веществ из ионизир. пучков, позволяющий получить ЭС, легированные летучими примесями при сравнительно низких температурах.

Рис. 3. Схема метода катодного осаждения: 1 - источник; 2 - подложка; 3 -плазма.

Методы ЖФЭ основаны на кристаллизации из раствора в расплаве и различаются в зависимости от способа удаления раствора с поверхности плёнки [простым сливом (рис. 4, а), принудительным удалением (рис. 4, б) и без удаления]. ЖФЭ можно проводить при относительно невысоких температурах (400-500 °С). ЖФЭ позволяет получить многослойные эпитаксиальные структуры и плёнки определённой конфигурации (с помощью маски из SiO₂).

Методы ТФЭ основаны на процессах ориентированного роста ЭС в двух-, трёхслойных системах при изотермич. отжиге. Один из слоев - монокристаллич. подложка, другие- аморфные и поликристаллич. слои полупроводников и металлов. Для сохранения расположенных в подложке приборных структур применяют импульсную термич. обработку.

Рис. 4. Схема устройства для жидкофазной эпитаксии со сливом раствора с поверхности плёнки (вверху) и принудительным удалением раствора (внизу): 1 - подложка; 2-контейнер; 3-печь сопротивления; 4-кварцевая ампула; 5 - термопара; 6-9-растворы; 10-ползунок; 11-кассета.

За последние годы получили широкое распространение разл. методы газофазной Э. из металлоорганич. соединений (МОС). Метод МОС-гидридной Э. при пониженном давлении в реакторе является наиб. универсальным для синтеза большинства соединений A^IIIB^V и по основным параметрам не уступает МЛЭ, а по производительности, степени совершенства поверхности эпитакси-альных плёнок, относительно более простому аппаратному оформлению выгодно отличается от последнего. Данный метод используется для новейших разработок и производства полупроводниковых СВЧ- и оптоэлектрон-ных приборов, напр. транзисторов с высокой подвижностью электронов, где реализуется эффект двумерного электрон. газа на гетерограницах GaAlAs/GaAs, InGaAs/InP, лазеров на основе гетероструктур GaAlAs/GaAs, InGaAs/InP с квантовыми ямами, приборов на основе четверных соединений типа InGaAsP с напряжёнными слоями, разл. наноразмерных гетероструктур с чередующимися слоями и др. Освоение разл. модификаций методов МОС-гидридной Э. и МЛЭ в сочетании с хим. пучковой Э. и атомно-слоевой Э. позволяет охватить практически все новые задачи полупроводникового материаловедения.

Литература по эпитаксии

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.