Введение
Эпитаксией (приставка epi означает "на поверхности") называют тип роста кристаллов или осаждения материала, при котором формируются новые кристаллические слои с одной или несколькими чётко определёнными ориентациями относительно кристаллического зародышевого слоя. Осаждённая кристаллическая плёнка называется эпитаксиальной плёнкой или эпитаксиальным слоем. Относительная ориентация(и) эпитаксиального слоя по отношению к зародышевому слою определяется в терминах ориентации кристаллической решётки каждого материала. Для большинства эпитаксиальных процессов новый слой обычно является кристаллическим, и каждый кристаллографический домен верхнего слоя должен иметь чётко определённую ориентацию относительно кристаллической структуры подложки. Эпитаксия может включать однокристаллические структуры, хотя эпитаксия "зерно к зерну" наблюдалась в гранулированных плёнках. Для большинства технологических применений предпочтительна однодоменная эпитаксия, представляющая собой рост кристаллического слоя с одной чётко определённой ориентацией относительно кристаллической структуры подложки. Эпитаксия также может играть важную роль при выращивании сверхрешёточных структур. Термин "эпитаксия" происходит от греческих корней epi (ἐπί), означающего "над", и taxis (τάξις), означающего "упорядоченный порядок". Одно из основных коммерческих применений эпитаксиального роста – полупроводниковая промышленность, где полупроводниковые плёнки выращиваются эпитаксиально на полупроводниковых подложках. В случае эпитаксиального роста плоской плёнки на подложке, кристаллическая решётка эпитаксиальной плёнки будет иметь определённую ориентацию относительно кристаллической решётки подложки, например, индекс Миллера плёнки будет совпадать с индексом подложки [001]. В простейшем случае эпитаксиальный слой может быть продолжением того же полупроводникового соединения, что и подложка; это называется гомоэпитаксией. В противном случае эпитаксиальный слой будет состоять из другого соединения; это называется гетероэпитаксией.
Epitaxy (prefix epi means "on top of”) refers to a type of crystal growth or material deposition in which new crystalline layers are formed with one or more well defined orientations with respect to the crystalline seed layer. The deposited crystalline film is called an epitaxial film or epitaxial layer. The relative orientation(s) of the epitaxial layer to the seed layer is defined in terms of the orientation of the crystal lattice of each material. For most epitaxial growths, the new layer is usually crystalline and each crystallographic domain of the overlayer must have a well defined orientation relative to the substrate crystal structure. Epitaxy can involve single crystal structures, although grain to grain epitaxy has been observed in granular films. For most technological applications, single domain epitaxy, which is the growth of an overlayer crystal with one well defined orientation with respect to the substrate crystal, is preferred. Epitaxy can also play an important role while growing superlattice structures. The term epitaxy comes from the Greek roots epi (ἐπί), meaning "above", and taxis (τάξις), meaning "an ordered manner". One of the main commercial applications of epitaxial growth is in the semiconductor industry, where semiconductor films are grown epitaxially on semiconductor substrate wafers. For the case of epitaxial growth of a planar film atop a substrate wafer, the epitaxial film's lattice will have a specific orientation relative to the substrate wafer's crystalline lattice, such as the [001] Miller index of the film aligning with the [001] index of the substrate. In the simplest case, the epitaxial layer can be a continuation of the same semiconductor compound as the substrate; this is referred to as homoepitaxy. Otherwise, the epitaxial layer will be composed of a different compound; this is referred to as heteroepitaxy.
Жидкая фаза
Эпитаксия жидкой фазы (LPE) – это метод выращивания полупроводниковых кристаллических слоев из расплава на твердых подложках. Этот процесс происходит при температурах, значительно ниже температуры плавления осаждаемого полупроводника. Полупроводник растворяется в расплаве другого материала. В условиях, близких к равновесию между растворением и осаждением, осаждение полупроводникового кристалла на подложке происходит относительно быстро и равномерно. Наиболее часто используемой подложкой является фосфид индия (InP). Для специальных применений могут использоваться и другие подложки, такие как стекло или керамика. Для облегчения зародышеобразования и предотвращения напряжения в выращенном слое, коэффициенты теплового расширения подложки и выращенного слоя должны быть близки друг к другу. Центробежная эпитаксия из жидкой фазы коммерчески используется для получения тонких слоев кремния, германия и арсенида галлия. Центрифужный метод формирования пленок – это процесс, используемый для создания тонких слоев материалов с помощью центрифуги. Он применяется для получения кремния для тонкопленочных солнечных элементов и фотодетекторов дальнего инфракрасного диапазона. Температура и скорость вращения центрифуги используются для контроля роста слоя.
Твердая фаза
Эпитаксия твердой фазы (SPE) – это переход между аморфной и кристаллической фазами материала. Обычно она достигается путем нанесения аморфной пленки на кристаллический субстрат с последующим нагревом для кристаллизации пленки. Монокристаллический субстрат служит шаблоном для роста кристаллов. Отжиг, используемый для рекристаллизации или восстановления слоев кремния, аморфизированных в процессе ионной имплантации, также рассматривается как разновидность эпитаксии твердой фазы. Сегрегация и перераспределение примесей на границе раздела растущего кристаллического и аморфного слоев в ходе этого процесса используются для внедрения слаборастворимых легирующих добавок в металлы и кремний.
Допинг
Эпитаксиальный слой может быть легирован во время осаждения путем добавления примесей к исходному газу, таких как арсин, фосфин или диборан. Легирующие вещества в исходном газе, высвобождаемые при испарении или химическом травлении поверхности, также могут диффундировать в эпитаксиальный слой и вызывать автолегирование. Концентрация примеси в газовой фазе определяет ее концентрацию в осажденной пленке. Легирование также может быть достигнуто с помощью метода конкуренции позиций, при котором соотношения прекурсоров роста оптимизируются для увеличения включения вакансий, определенных видов легирующих веществ или вакантных кластеров легирующих веществ в кристаллическую решетку. Кроме того, высокие температуры, при которых выполняется эпитаксия, могут позволить легирующим веществам диффундировать в растущий слой из других слоев подложки (выходная диффузия).
Минералы
В минералогии эпитаксией называют упорядоченный нарастание одного минерала на другом, при котором определенные кристаллические направления двух минералов выстраиваются в линию. Это происходит, когда некоторые плоскости в кристаллических решетках нарастающего минерала и подложки имеют близкие межатомные расстояния. Некоторые авторы полагают, что нарастание второго поколения того же минерального вида также следует рассматривать как эпитаксию, и такая терминология широко используется среди исследователей полупроводников, которые индуцируют эпитаксиальный рост пленок с различной степенью легирования на полупроводниковой подложке из того же материала. Однако, согласно определению Международной минералогической ассоциации (IMA), для природных минералов эпитаксией считается нарастание двух минералов разных видов. Другим искусственным применением эпитаксии является создание искусственного снега с использованием йодида серебра, что возможно благодаря схожим параметрам элементарной ячейки гексагонального йодида серебра и льда. Рутил имеет тетрагональную сингонию, а гематит – тригональную, но в плоскости (100) рутила (перпендикулярной оси *a*) и плоскости (001) гематита (перпендикулярной оси *c*) существуют направления с близкими межатомными расстояниями. В процессе эпитаксии эти направления стремятся выровняться, в результате чего ось нарастания рутила становится параллельной оси *c* гематита, а ось *c* рутила – параллельной одной из осей гематита. Если бы катионы были достаточно малы, чтобы поместиться в плотноупакованную структуру кислородных анионов, расстояние между ближайшими кислородными позициями было бы одинаковым для обоих минералов. Однако радиус кислородного иона составляет всего 1,36 Å, а ионы Fe достаточно велики, чтобы вызывать некоторые отклонения. Радиусы Fe варьируются от 0,49 Å до 0,92 Å в зависимости от заряда (2+ или 3+) и координационного числа (4 или 8). Тем не менее, расстояния между кислородами в обоих минералах близки, поэтому гематит легко нарастает на гранях (111) магнетита, при этом плоскость (001) гематита параллельна плоскости (111) магнетита.