Термин эпитаксия происходит от греческого epi – на, над и taxis – расположение.
Эпитаксия - процесс наращивания на пластину (подложку) монокристаллического слоя (эпитаксиальной пленки), повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию.
Эпитаксиальная пленка создается на всей поверхности подложки, одновременно в нее вводятся примеси, распределяющиеся равномерно по объему пленки. На границе раздела пленки с подложкой можно сформировать p-n, n+ -n, p+-p переходы. Проведя несколько последовательных эпитаксий, можно создавать многослойные структуры.
Рассмотрим газофазную эпитаксию кремния. Она проводится в эпитаксиальном реакторе – рис. 4.7.
Рис. 4.7. Схема установки для эпитаксиального наращивания кремния
Пластины 1 на графитовом держателе 2 помещаются в кварцевую трубу 3 с высокочастотным нагревателем 4. Через трубу пропускается поток водорода с небольшим (доли процента) содержанием тетрахлорида кремния SiCl4, а также газообразных соединений доноров – PH3, PCl3 или акцепторов – BBr3, B2H6.
При высокой температуре (1200 ± 3 ℃) на поверхности пластин происходит реакция
SiCl4 + H2 → Si↓ + HCl↑.
Образующиеся атомы кремния перемещаются по поверхности, занимая положения в узлах кристаллической решетки, вследствие чего растущая пленка продолжает кристаллическую решетку подложки. Атомы доноров (Р) или акцепторов (В) образуются также в результате химических реакции восстановления водородом или разложения (пиролиза).
Скорость роста пленки 0,1 – 1 мкм/мин зависит от температуры, содержания тетрахлорида кремния, скорости потока газа, кристаллографической ориентации поверхности. Вследствие высокой температуры примеси диффундируют из пленки в подложку и обратно. Это затрудняет создание резких переходов и тонких эпитаксиальных пленок (менее 0,5 мкм). Толщина пленок обычно составляет 1 – 15 мкм.
Более низкую температуру эпитаксии (1000 ℃ ) имеет реакция разложения силана SiH4:
SiH4 → Si↓ + H2↑,
но и в этом случае получить эпитаксиальные пленки тоньше 0,1 – 0,2 мкм невозможно.
Для получения очень тонких пленок (в несколько нанометров) и резких переходов используют молекулярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ). Она основана на взаимодействии молекулярных пучков с подложкой, имеющей не очень высокую температуру (600 – 800 ℃), в условиях сверхвысокого вакуума (10-7 – 10-5 Па).
На рис. 4.8 показана эпитаксия пленки твердого раствора арсенида галлия-алюминия AlxGa1-xAs на подложке арсенида галлия.
Рис. 4.8. Схема молекулярно-лучевой эпитаксии
твердого раствора AlxGa1-xAs на подложке GaAs
Несколько тиглей 1 содержат составные элементы пленки (Al, Ga, As) и легирующие примеси (Si – донор, Mn - акцептор). При нагревании эти вещества испаряются, образуя молекулярные пучки 2, и переносятся на подложку 3, конденсируясь на ней.
Подбором температуры источников и подложки получают пленки с нужным химическим составом. Время процесса и толщину пленок регулируют заслонками 4, прерывающими попадание пучков на подложку.
Этим методом выращиваются сверхтонкие (10 – 100 нм) эпитаксиальные пленки полупроводников, диэлектриков и металлов, создаются свехрешетки, осуществляется многослойная застройка решетки, то есть можно управлять составом пленки вплоть до моноатомных слоев. Поэтому это метод наноэлектронной технологии.