Epitaksji jest techniką wzrostu zorientowane w stosunku do siebie, dwie kryształów o liczbie elementów symetrii powszechne w ich krystalicznej kraty . Rozróżnia się homoepitaksję , która polega na wyhodowaniu kryształu na krysztale o identycznym charakterze chemicznym, oraz heteroepitaksję , w której dwa kryształy mają różny charakter chemiczny.
Etymologicznie „ucho” po grecku oznacza „na” i „taksówki”, „układ”.
Epitaksja służy do wyhodowania cienkich warstw o grubości kilku nanometrów. W tym celu atomy są osadzane na idealnie wypolerowanej powierzchni pojedynczego kryształu, czyli podłożu . Podłoże dobiera się tak, aby wykazywały te parametry z siatki w pobliżu tych kryształów, które można byłoby uzyskać.
Istnieje kilka technik epitaksji:
Wzrost odbywa się w warunkach ultra-próżni. Elementy, które mają być osadzane, zawarte w tyglach w wysokiej temperaturze, są odparowywane i osadzają się w wyniku transportu termicznego na powierzchni podłoża, które jest zimniejsze, ale nadal ma temperaturę wystarczająco wysoką, aby umożliwić przemieszczenie i przegrupowanie atomów.
Jest to możliwe do obserwacji na wzrost kryształów in situ podczas epitaksji przez dyfrakcję z elektronami ( RHEED ). Grubość osadzonej warstwy (lub liczbę warstw atomowych) można sprawdzić za pomocą mikrowagi kwarcowej .
Epitaksja w fazie ciekłej wykorzystuje zasadę metody Czochralskiego . Podłoże kontaktuje się z fazą ciekłą przesyconą pożądanym pierwiastkiem, który wytrąca się i krystalizuje na podłożu. Ta technika ma tę zaletę, że jest szybka, ale jest mniej dokładna niż epitaksy w fazie gazowej. Epitaksja w fazie ciekłej (LPE) jest metodą wzrostu zbliżoną do równowagi. Faza macierzysta jest płynna. Podłoże kontaktuje się z ciekłą kąpielą o odpowiednim składzie w temperaturze nieco niższej od temperatury równowagi ciecz-ciało stałe. Wzrost zachodzi przez zestalenie, aby doprowadzić do fazy skondensowanej lub krystalicznej.
W przypadku krzemu szeroko stosowana jest technika osadzania cienkich warstw metodą epitaksjalnego wzrostu w fazie gazowej ( epitaksja z fazy gazowej , VPE lub chemiczne osadzanie z fazy gazowej , CVD ). Aby osadzić warstwę epitaksjalną, muszą być spełnione dwa warunki. Po pierwsze, atomy muszą znaleźć miejsce, w którym mogą stracić nadmiar energii, miejsca te nazywane są miejscami zarodkowania. Po drugie, atomy te znajdują miejsce w sieci, aby je pomieścić. Z gazowej fazy macierzystej i poprzez równowagę lub poza równowagową reakcją kondensacji tworzy się kryształ. Reakcja przebiega w reaktorze wyposażonym w wlot gazu i układ recyklingu. W przypadku półprzewodników III-V technikę tę można podzielić na trzy główne kategorie, wyróżniające się charakterem użytych źródeł gazu. Technika HVPE ( epitaksja z fazy gazowej wodorków) wykorzystuje cząsteczki typu wodorkowego, ClVPE ( epitaksja z fazy gazowej chlorków), chlorki i MOVPE ( epitaksja z fazy gazowo-organicznej ), związki metaloorganiczne. Każda technika ma określoną geometrię reaktorów VPE obejmującą różne temperatury wzrostu i różne szybkości osadzania.
W przypadku heteroepitaksji wzrost warstwy na powierzchni podłoża wiąże się z pojęciem grubości krytycznej. Dlatego mówimy o spójnym wzroście dla grubości warstwy mniejszej niż grubość krytyczna. W tym przypadku warstwa epitaksjalna jest zazębiona z podłożem, a wzrost jest dwuwymiarowy, monowarstwowy wzrost monowarstwy (MC).
Dla grubości epitaksjalnej większej niż grubość krytyczna można zaobserwować tak zwane zjawisko relaksacji. Zjawisko to może być dwojakiego rodzaju.
Elastyczna relaksacja prowadzi do powstania nanostruktur na powierzchni warstwy epitaksjalnej. Ten tryb wzrostu jest szczególnie poszukiwany przy opracowywaniu nanostruktur kwantowych, wysp kwantowych, drutów kwantowych i kropek kwantowych.
Jeśli natomiast warunki wzrostu (temperatura podłoża, temperatura komór wyparnych, jakość ultra-wysokiej próżni ) są słabo opanowane, mechanizm relaksacji wywołuje relaksację plastyczną prowadzącą do powstania dyslokacji i stanów międzyfazowych - granica między podłożem a warstwą epitaksjalną.
Istnieje wiele zastosowań epitaksji:
Istnieją również przypadki, w których wzrost epitaksjalny jest „przypadkowy” w tym sensie, że jest konsekwencją procesu, ale sam w sobie nie jest poszukiwany.
Na przykład w przypadku utleniania w wysokiej temperaturze ( korozji ) warstwa tlenku, która powstaje w wyniku reakcji metalu z atmosferą, jest często epitaksowana.