epitaksjalne warstwy

epitaksjalne warstwy,

cienkie warstwy krystaliczne wytwarzane na powierzchni krystalicznego podłoża przy użyciu różnych metod wykorzystujących zjawisko epitaksji.

Rozróżnia się e.w. homoepitaksjalne, gdy skład chem. i struktura krystaliczna warstwy są takie same jak podłoża, i e.w. heteroepitaksjalne, gdy są one inne niż w przypadku podłoża.

Do otrzymywania w.e. stosuje się gł. metody: epitaksji z fazy ciekłej (LPE, ang. Liquid Phase Epitaxy), chem. osadzania z fazy gazowej (CVD, ang. Chemical Vapour Deposition) oraz epitaksji z wiązek molekularnych (MBE, ang. Molecular Beam Epitaxy). W metodzie LPE krystalizacja cienkiej warstwy na podłożu zachodzi podczas chłodzenia ciekłego roztworu zawierającego substancje tworzące warstwę. Metoda CVD polega na umieszczeniu podłoża (ogrzewanego do wysokiej temperatury) w strumieniu przepływającego nad nim gazu, zawierającego pary związków chemicznych (gł. związków metaloorg., karbonylków, wodorków, chlorków), które, rozkładając się na gorącym podłożu i reagując z innymi składnikami gazowej atmosfery, wytwarzają warstwę o żądanym składzie chem. i określonej strukturze krystalicznej. W metodzie MBE na podłoże krystaliczne umieszczone w komorze ultrawysokiej próżni zostają skierowane strumienie atomów lub cząsteczek pochodzące z oddzielnych źródeł o wysokiej temperaturze. Precyzyjna kontrola strumienia cząsteczek w każdej z molekularnych wiązek i sterowanie czasem „otwarcia” źródeł pozwala na dokładną regulację szybkości wzrostu warstwy. Wzrost warstwy i jej jakość są monitorowane w trakcie procesu za pomocą odbiciowej dyfrakcji elektronów, których źródło i detektor są umieszczone w komorze roboczej urządzenia MBE. Metoda MBE pozwala na najbardziej precyzyjną kontrolę procesu wzrostu warstwy, jest jednak najmniej wydajna i dlatego jest stosowana gł. w laboratoriach badawczych.

W procesie wzrostu w.e. łatwiej wprowadza się do niej atomy innych pierwiastków chem. niż pierwiastki tworzące warstwę (zwykle o innej wartościowości; domieszkowanie), zmieniając w ten sposób jej właściwości (elektr., opt., mech. i in.). W przypadku warstw półprzewodnikowych wprowadzenie określonej domieszki prowadzi do uzyskania określonego typu przewodnictwa elektr. warstwy — elektronowego (warstwa typu n) lub dziurowego (warstwa typu p), a także do zmiany koncentracji nośników prądu (elektronów lub dziur). Jest to wykorzystywane przy otrzymywaniu złączy p–n (złącze prostujące) oraz elementów półprzewodnikowych, tj. diod, tranzystorów, laserów półprzewodnikowych i in.

W półprzewodnikowych warstwach heteroepitaksjalnych lub silnie domieszkowanych występuje niedopasowanie sieci krystalicznych warstwy i podłoża prowadzące do powstawania w nich naprężeń powodujących zmianę struktury pasmowej materiału warstwy (pasmowa teoria ciała stałego). Domieszkowanie i kontrolowane wprowadzanie naprężeń stały się podstawą inżynierii materiałów optoelektronicznych, w której wytwarza się nie tylko pojedyncze warstwy, ale także tzw. supersieci — periodyczne układy nałożonych jedna na drugą warstw różnych półprzewodników, o właściwościach elektr. lub opt. dostosowanych do określonych potrzeb.

Wytwarzanie bardzo cienkich w.e. jest też wykorzystywane przy otrzymywaniu nanostruktur.