界面與面缺陷

磊晶

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磊晶(epitaxy)是把一顆晶體長在另一顆晶體上、讓新長出的層複製它所落腳表面之排列的技藝,就像鋪一排新磚,讓它和底下那一層完全對齊。這個字源自希臘文:epi 意為在……之上、taxis 意為排列,所以 epitaxy 字面上就是依上排列。沉積上去的薄膜原子不是隨機堆疊;它們順著基板晶體的暗示,和它的晶格對齊。

在同質磊晶(homoepitaxy)中,薄膜和基板是同一種材料(矽長在矽上),所以貼合完美。有趣又有用的情形是異質磊晶(heteroepitaxy),把一種材料長在另一種材料上(例如把半導體合金長在矽或砷化鎵晶圓上)。這時兩個晶格常數通常不同,失配用 delta = (a_film - a_substrate)/a_substrate 衡量。若 delta 小,薄膜會帶著應變、但共格地成長,拉伸自己去匹配基板;一過臨界厚度,它就靠形成失配差排來鬆弛、變成半共格。所以磊晶是成長過程,而共格/半共格界面的觀念描述的是它的界面。

磊晶是整個半導體與光電產業的基石:LED、雷射二極體、高速電晶體、太陽能電池全都是用精確晶格匹配的磊晶層建成的,靠的是分子束磊晶(MBE)與金屬有機化學氣相磊晶(MOCVD)這類技術。工程師甚至刻意利用剩下的應變(應變矽)來提升元件速度。誠實提醒:失配太大會毀掉薄膜,因為用來釋放應變的失配差排,同時也是對電性有害的缺陷,所以元件層會被控制在臨界厚度以下,或挑選能把失配降到最小的基板。

把一層砷化鎵長在砷化鎵晶圓上(完美匹配),或把一層薄而帶應變的矽鍺長在矽上(小失配),都仰賴磊晶:沉積上去的原子鎖進基板晶格、延續它的圖案。

磊晶:長出一層複製基板晶格的晶體薄膜;失配小維持共格,失配大則需要失配差排。

磊晶不是一種界面,而是一種成長過程。最後得到的界面是共格、帶應變、還是靠失配差排鬆弛,取決於晶格失配與薄膜厚度。

又稱
epitaxial growth外延磊晶成長