epitaksi

Epitaksi, (af epi- og taksi(o)-), dyrkning af enkrystallinske atomare eller molekylære lag på et enkrystallinsk substrat (wafer), således at perioderne i de to enkrystaller passer sammen. Er det dyrkede lag af samme sammensætning som substratet, taler man om homoepitaksi, ellers om heteroepitaksi.

Halvlederindustrien anvender epitaksi til fremstilling af komponenter inden for højhastighedselektronik og optoelektronik, hvor der stilles krav om sammensatte enkrystallinske lag (heterostrukturer) med forskellige elektriske egenskaber.

Man skelner mellem tre epitaksimetoder: 1) Væskefaseepitaksi, hvor de epitaksielle lag udfældes fra en overmættet væske. Ved væskefaseepitaksien udlægges et tyndt væskelag mekanisk på en enkrystal og størkner som en enkrystal, før næste væskelag mekanisk påføres. Selvom metoden er gammel, anvendes den stadig til fremstilling af halvlederlysdioder og lasere.

2) Kemisk dampfaseepitaksi, hvor reaktive molekyler på overfladen af en enkrystal giver anledning til en kemisk reaktion, hvorved der udfældes enkrystallinske lag. Ved den kemiske dampfaseepitaksi ledes de reaktive molekyler hen over det enkrystallinske substrat, hvor den enkrystallinske film dannes. Metoden har været anvendt inden for halvlederteknikken siden 1975. TeleDanmark Research fremstillede i 1989, som de første i Danmark, komponenter til halvlederlasere med denne metode.

3) Molekylstråleepitaksi, som er fordampning af atomer eller molekyler i ultrahøjt vakuum på et enkrystallinsk substrat. Molekylstråleepitaksien er den mest avancerede metode, og den har især haft betydning for udvikling af nye halvlederkomponenter og ny fysik. Fordampningen af gallium, aluminium og arsen samt donor- og acceptormaterialerne silicium og beryllium foregår i et ultrahøjvakuumsystem, hvis vægge har samme temperatur som flydende kvælstof. Det enkrystallinske substrat roteres under dyrkningen for at opnå størst mulig homogenitet. Substratoverfladen holdes på en konstant høj temperatur, for at atomerne kan bevæge sig rundt på substratet og finde den optimale gitterposition. Den epitaksielle dyrkning kan ved elektrondiffraktion følges atomlag for atomlag. De mest perfekte epitaksilag og grænselag mellem forskellige halvledere opnås ved molekylstråleepitaksi.

En af de mest studerede heterostrukturer er høj-elektron-mobilitets-transistorstrukturen. Den har været forudsætningen for studier af kvante-Hall-effekten (se Hall-effekt), kvantepunktkontakten og mange andre vigtige grundvidenskabelige opdagelser i 1980'erne. Det første danske molekylstråleepitaksianlæg blev opstillet ved Niels Bohr Institutet i København i 1989.