1

Epitaksja

(definicja, historia …)

Podłoża

dr inż. Ryszard Korbutowicz

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Politechnika Wrocławska

Epitaksja

Optoelektronika I

Dygresja rentgenowska

Dyfrakcja rentgenowska – rozwój lata dwudzieste XX w.
1912 r. – Laue zastosował w badaniach kryształów obliczenia
stosowane w pomiarach optycznych siatek dyfrakcyjnych
1914 r. – nagroda Nobla dla Lauego w dziedzinie fizyki za
odkrycie dyfrakcji promieni X w kryształach

Max Theodor Felix von Laue

(1879 – 1960 r.)

Optoelektronika I

Dygresja rentgenowska

1915 r. – nagroda Nobla dla Braggów (Williama Henry’go
oraz Williama Lawrence’a) w dziedzinie fizyki za analizę
struktury kryształów metodami rentgenowskimi

Sir William Henry Bragg
(1862 – 1942)

William Lawrence Bragg

(1890 – 1971)

Optoelektronika I

Epitaksja — definicja

Epitaksja

– dwa słowa z greki:

epi

– na

oraz

taxis

– uporządkowanie,

rozkład

Optoelektronika I

Rozważania Royera

Wykorzystanie w teoretycznych rozważaniach koncep-
cji geometrycznego dopasowania pomiędzy sieciami
podłoża i narastającej warstwy. W wyniku tego opraco-
wał definicję epitaksji oraz sformułować zasady, z któ-
rych najważniejsza stwierdza, że:

wzrost zorientowany zachodzi tylko wtedy, gdy pociąga

to za sobą równoległość dwóch płaszczyzn sieciowych

(podłożowej i krystalizującej warstwy), które mają sieć

krystaliczną identycznej lub prawie identycznej formy

i zbliżone stałe sieciowe

.

Optoelektronika I

2

Różnica pomiędzy stałymi sieciowymi zwykle
wyrażana jest poprzez procentowe niedopa-
sowanie, definiowane jako:

gdzie w i p są parametrami warstwy i podłoża,
odpowiednio.

Według Royera niedopasowanie nie powinno być
większe niż 15%.

Rozważania Royera cd.

%

100

⋅

−

p

p

w

,

Optoelektronika I

Wzrost zorientowany

Obecnie terminu wzrost zorientowany używa się
raczej na określenie krystalizacji nie warstwy
epitaksjalnej, ale warstwy osadzonej na podłożu
krystalicznym i mającej jakiś określony (przeważa-
jący dla całej warstwy) kierunek krystaliczny.

Typowe cechy to: dużo defektów, dyslokacji,
zrostów itp. Może być to warstwa stekstury-
zowana, ale raczej nie ma ona orientacji wzajemnej
z podłożem.

Optoelektronika I

Wzrost zorientowany cd.

Nośnik

a)

d)

b)

c)

Podłoże

Podłoże

Podłoże

Podłoże

Nośnik

Nośnik

Nośnik

YBCO

a

b

c

YBCO – tlenek
itrowo-barowo-
mi edziany

Optoelektronika I

Ponownie epitaksja

Ponownie epitaksja

-

-

definicja

definicja

Epitaksja

- proces fizyczny lub chemiczny

krystalizacji materiału monokrystalicznego na
monokrystalicznym podłożu z odwzorowaniem
uporządkowania przestrzennego kryształu pod-
łoża – typu sieci krystalicznej, parametrów sie-
ciowych oraz orientacji powierzchni podłoża.

Termin ten odróżnia wzrost monokrystaliczny
od polikrystalicznego lub amorficznego.

Optoelektronika I

Ponownie epitaksja cd.

Wprowadzono pojęcia:

*

homoepitaksja

*

heteroepitaksja

Można powiedzieć, że

heterostruktura

jest takim

kryształem, w którym skład chemiczny zmienia się,
podczas gdy sieć krystaliczna pozostaje w dużym
stopniu nie zmieniona.

Optoelektronika I

Ponownie epitaksja cd.

Pytanie:

czy krystalizacja materiału o innym parametrze
sieci lub nawet innym typie komórki elementarnej
(np. osadzanie azotków III grupy układu okreso-
wego na podłożach alternatywnych) można jeszcze
nazywać epitaksją?

Optoelektronika I

3

Wymagania względem podłoży 1

Co różni epitaksję od innych metod krystalizacji?

Przede wszystkim istnienie podłoża, które najczęś-
ciej jest monokrystaliczną, cienka płytką, wypole-
rowaną przynajmniej z jednej strony.

Podłoże, na którym zachodzi epitaksja nie musi
jednak być monokryształem – stosowane są czasem
podłoża typu ceramika lub sprasowany nanokrysta-
liczny proszek.

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży 1a

1. Struktura krystalograficzna podłoża i warstwy
należą do tej samej grupy przestrzennej, czyli oba
materiały krystalizują w tej samej strukturze.

2. Wymiary komórek elementarnych podłoża i war-
stwy są do siebie zbliżone. Dopuszczalna różnica
parametrów komórek zależy od właściwości mate-
riałów (wytrzymałość mechaniczna – odporność na
stres, różnica współczynników liniowej rozsze-
rzalności cieplnej, itp.).

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży 1a

Definiuje się niedopasowanie sieciowe εεεε:

p

p

w −

=

ε

gdzie

w i p są odpowiednio parametrami sieci warstwy

i podłoża.

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży 1b

W technice epitaksji z fazy ciekłej LPE dla:
♥

ε

≤

10

-3 –

osadzanie nie powoduje powstawania

nowych defektów w rosnącej warstwie,
♥

ε

≥

10

-3

– w warstwie przejściowej między

podłożem a osadzaną warstwą generowane są
dyslokacje lub utrudnione jest zarodkowanie.

W technikach VPE, MOVPE i MBE, w których
możliwe jest uzyskanie dużo większych przesy-
ceń niż w LPE, granicą jest

ε

≤

0,1

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży 1c

Optoelektronika I

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

GaN

AlN

InN

Szafir

SiC

S i

Ga As

Zn O

YSZ

NdGaO

LiNb O

LiGaO

LiTa O

LS AT

LNS AT

NSAT

Mg O

S pin el

S rLa AlO

TiO2

LaAlO

R

ó

żn

ic

a

w

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

ó

w

r

o

z

s

z

e

rz

a

ln

o

ś

c

i

c

ie

p

ln

e

j

p

o

d

ło

ż

e

-G

a

N

[

1

0

-6

/K

]

Niedo pas owan ie sieciowe po dłoże -GaN [%]

Wymagania względem podłoży 2

3. Zarodki najchętniej lokują się w miejscach energetycznie
najbardziej korzystnych, tzn. na defektach sieci i zanieczysz-
czeniach (zerwane wiązania w krysztale np. stopnie atomowe
na powierzchni, defekty sieci). Ogólnie rzecz biorąc, defekty
są odtwarzane przez rosnącą warstwę. Podłoże powinno być
więc możliwie bezdefektowe i mieć czystą powierzchnię.

4. Możliwie zbliżone współczynniki liniowej rozszerzalności
cieplnej podłoża i warstwy.

5. Konieczna stabilność temperaturowa podłoża w temperatu-
rze epitaksji.

6. Stabilność chemiczna podłoża w obecności reagentów.

Optoelektronika I

4

Wymagania względem podłoży 3

W krystalizującej warstwie odwzorowywane są
defekty.

W szczególności powtarzane są defekty śrubowe,
na których proces zarodkowania zachodzi szcze-
gólnie chętnie, ze względu na najniższą potrzebną
energię formowania zarodka.

Praktycznie rzecz biorąc zawsze obserwuje się
w warstwach epitaksjalnych defekty śrubowe.
Rosną one aż do powierzchni warstwy.

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży 4

Optoelektronika I

Ciąg dalszy nastąpi …

Ciąg dalszy nastąpi …

wkrótce

wkrótce

Optoelektronika I