1

Mechanizmy epitaksji

Rodzaje epitaksji

dr inż. Ryszard Korbutowicz

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Politechnika Wrocławska

Etapy krystalizacji powierzchniowej

Optoelektronika I

I

Tworzenie się zarodków na powierzchni podłoża

II

Koalescencja (zlewanie się) zarodków

III

Rozrost kryształu (tworzenie ciągłej warstwy)

Uwarunkowania

Optoelektronika I

Szybkość zarodkowania warstw epitaksjalnych
w początkowej fazie osadzania i szybkość ich
wzrostu zależą od:

a) temperatury,

b) przesycenia (lub przechłodzenia) fazy, z której
jest realizowany proces wzrostu kryształu,

c) rodzaju stosowanego podłoża.

Tryby wzrostu epitaksjalnego

Tryby wzrostu epitaksjalnego

Kryształ powierzchniowy (warstwa epitaksjalna)
może tworzyć się (narastać) w różny sposób.

Sposób narastania decyduje o jakości kryształu.
Jest pochodną zaś między innymi z:

* typu materiału podłoża i warstwy

* warunków krystalizacji (stężeń/przesyceń)

Optoelektronika I

Podejście klasyczne

Podejście klasyczne

Podstawowe kryterium – kierunek wzrostu warstwy
epitaksjalnej w stosunku do powierzchni podłoża

Większość zajmujących się krystalizacją powierzchniową
wyróżnia za Ernstem Bauerem (1958) 3 mechanizmy,
(tryby) wzrostu:

♦ Trójwymiarowy tryb wzrostu – Volmera-Webera (VM)

♦ Dwuwymiarowy wzrost warstwa po warstwie – Franka-
van-der-Merve (FM)

♦ Mieszany tryb wzrostu – Stranskiego-Krastanowa (SK)

Optoelektronika I

3 tryby, modele, klasy wzrostu

3 tryby, modele, klasy wzrostu

1

2

3

4

a)

b)

c)

Optoelektronika I

2

3 tryby, modele, klasy wzrostu

3 tryby, modele, klasy wzrostu

Optoelektronika I

trójwymiarowy wzrost

Volmera–Webera

warstwa po warstwie
Franka-van der Merwe

tryb Stranskiego-Krastanowa

Dygresja

Dygresja

Ernst Bauer

1953 – dyplom magisterski

1955 – doktorat

1958 – klasyfikacja stosowana do dzisiaj

Obecnie (od 1996 r.):

Distinguished Research Professor
Department of Physics and Astronomy
Arizona State University, USA

Tel: [phone]
Fax: [phone]
E-mail: [e-mail]

Optoelektronika I

Epitaksja wg Scheela

Epitaksja wg Scheela

W systemach heteroepitaksjalnych, wraz z powrotem do
ź

ródeł – czyli pierwotnej definicji Royera, powstała konie-

czność dodatkowego rozróżnienia modeli wzrostu.

Hans-Jörg Scheel podaje siedem trybów – trzy klasyczne
zdefiniowane jeszcze przez Ernsta Bauera w 1958 roku
oraz cztery wynikające z obserwacji wzrostu epitaksjal-
nego kryształów par epitaksjalnych z dużym niedopaso-
waniem sieciowym.

Optoelektronika I

Epitaksja wg Scheela

Epitaksja wg Scheela

„Epitaksja jest (takim) obszarem, gdzie zrozumienie
trybów wzrostu i roli parametrów wzrostu może
prowadzić do

(otrzymania) wysokiej jakości warstw

GaN i nadprzewodników wysokotemperaturowych,
jako niezbędnych do rozwoju przyrządów o najwyż-
szych wydajnościach.

”

Według H.-J.Scheela:

Optoelektronika I

Siedem trybów wzrostu

Siedem trybów wzrostu

Rozszerzony opis sposobów krystalizacji i wzrostu
warstw epitaksjalnych zawiera odniesienia do:
* termodynamicznej siły napędowej procesu –
przesycenia,
* niedopasowania sieciowego pomiędzy warstwą
a podłożem
oraz
* odorientowania podłoża, czyli kątowego odchy-
lenia powierzchni podłoża od idealnej płaszczyzny
krystalograficznej.

Optoelektronika I

Siedem trybów wzrostu 2

Siedem trybów wzrostu 2

Wprowadza się takie modele wzrostu:

1) Tryb wzrostu Franka-van der Merwe FM (FvdM)

2) Tryb wzrostu Stranskiego-Krastanowa SK

3) Tryb wzrostu Volmera-Webera VM

4) Tryb wzrostu kolumnowego CG

5) Tryb wzrostu płynących stopni FS

6) Tryb grupowania stopni SB

7) Tryb wzrostu wysp spiralnych SI lub tryb wzrostu wysp
ś

rubowych SI

Optoelektronika I

3

Siedem trybów wzrostu 3

Siedem trybów wzrostu 3

Franka-van der Merwe

FM

(warstwa-po-warstwie)

Stranskiego-Krastanowa SK

Volmera-Webera VW

Optoelektronika I

Siedem trybów wzrostu 4

Siedem trybów wzrostu 4

Kolumnowy CG

Płynących stopni FS

Grupowania stopni SB

Wysp śrubowych (spiralnych) SI

Dyslokacje i granice

antyfazowe

Optoelektronika I

Tryb Stranskiego

Tryb Stranskiego

-

-

Krastanowa

Krastanowa

M .Hanke et al., Appl. Phys. Lett. 86, 142101 (2005)

Optoelektronika I

Tryb wzrostu kolumnowego CG

Tryb wzrostu kolumnowego CG

Łączenia się trójwymiarowych wysp powstałych we
wzroście VW, który przy odpowiednio grubych warstwach
przechodzi z reguły w tryb wzrostu kolumnowego.

Warstwy takie charakteryzują się dużą ilością granic ziaren,
granic domen antyfazowych, czy też dyslokacji śrubowych
(wzrost spiralny).

Przejście w tryb wzrostu CG jest typowe dla epitaksji GaN,
diamentu i nadprzewodników wysokotemperaturowych.
Wynika to z ograniczonej stabilności termodynamicznej
osadzanych związków w wysokiej temperaturze.

Optoelektronika I

Tryb wzrostu kolumnowego CG

Tryb wzrostu kolumnowego CG

Optoelektronika I

Grupowanie stopni SB

Grupowanie stopni SB

Step bunches on
Si(111) / UHV-STM

Optoelektronika I

4

Wyspy spiralne/wzrost śrubowy

Wyspy spiralne/wzrost śrubowy

PbTe STM

Optoelektronika I

Wyspy spiralne/wzrost śrubowy

Wyspy spiralne/wzrost śrubowy

Optoelektronika I

Wyspy spiralne/wzrost śrubowy

Wyspy spiralne/wzrost śrubowy

Optoelektronika I

Osadzanie a epitaksja

Osadzanie a epitaksja

Czy można zamiennie stosować terminy

osadzanie i epitaksja?

Optoelektronika I

Osadzanie a epitaksja

Osadzanie a epitaksja

Czy można zamiennie stosować terminy

osadzanie i epitaksja?

To zależy przede wszystkim od kontekstu.

Optoelektronika I

Osadzanie a epitaksja

Osadzanie a epitaksja

Czy można zamiennie stosować terminy

osadzanie i epitaksja?

To zależy przede wszystkim od kontekstu.

Podczas procesu epitaksji zachodzi

krystalizacja, osadzania materiału fazy

niekrystalicznej na krystalicznym podłożu.

Optoelektronika I

5

Osadzanie a epitaksja

Osadzanie a epitaksja

Epitaksja zawiera się w osadzaniu.

Przy używaniu terminu

osadzanie

trzeba mieć

ś

wiadomość ograniczeń opisywanego procesu oraz

zdawać sobie sprawę z obszerności terminu

osadzanie

.

Optoelektronika I

Osadzanie a epitaksja

Osadzanie a epitaksja

Podłoże czy nośnik?

A może composite substrate czy active substrate?

Optoelektronika I

Podłoże aktywne

Optoelektronika I

Wymagania:
• jednorodność składu i grubości na

podłożu o średnicy 3-4 cale,

• gładkość granicy rozdziału (między-

powierzchni),

• jednorodność

właściwości optycz-

nych i elektrycznych,

• możliwość strukturyzacji przestrzen-

nej,

• kompatybilność z technologią wyt-

warzania

przyrządów dyskretnych

oraz układów scalonych,

• możliwość realizacji połączeń opty-

cznych

i elektrycznych zarówno

wewnętrznych, jak i zewnętrznych.