1

Epitaksja 

(definicja, historia …)

Podłoża

dr  inż. Ryszard Korbutowicz

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Politechnika Wrocławska

Epitaksja 

Optoelektronika I

Dygresja rentgenowska

Dyfrakcja rentgenowska – rozwój lata dwudzieste XX w.
1912 r. – Laue zastosował w badaniach kryształów obliczenia 
stosowane w pomiarach optycznych siatek dyfrakcyjnych
1914 r. – nagroda Nobla dla Lauego w dziedzinie fizyki za 
odkrycie dyfrakcji promieni X w kryształach

Max Theodor Felix von Laue

(1879 – 1960 r.)

Optoelektronika I

Dygresja rentgenowska 

1915 r. – nagroda Nobla dla Braggów (Williama Henry’go
oraz Williama Lawrence’a) w dziedzinie fizyki za analizę 
struktury kryształów metodami rentgenowskimi

Sir William Henry Bragg
(1862 – 1942)

William Lawrence Bragg

(1890 – 1971)

Optoelektronika I

Epitaksja — definicja

Epitaksja

– dwa słowa z greki: 

epi

– na 

oraz

taxis

– uporządkowanie, 

rozkład 

Optoelektronika I

Rozważania Royera

Wykorzystanie w teoretycznych rozważaniach  koncep-
cji geometrycznego  dopasowania  pomiędzy  sieciami 
podłoża i narastającej warstwy. W wyniku tego opraco-
wał definicję epitaksji oraz sformułować zasady, z któ-
rych najważniejsza stwierdza, że: 

wzrost zorientowany zachodzi tylko wtedy, gdy pociąga 

to za sobą równoległość dwóch płaszczyzn sieciowych 

(podłożowej i krystalizującej warstwy), które mają sieć 

krystaliczną identycznej lub prawie identycznej formy 

i zbliżone stałe sieciowe

. 

Optoelektronika I

2

Różnica  pomiędzy  stałymi  sieciowymi  zwykle 
wyrażana  jest  poprzez  procentowe  niedopa-
sowanie, definiowane jako: 

gdzie  w  i  p  są parametrami  warstwy  i  podłoża, 
odpowiednio.

Według  Royera  niedopasowanie  nie  powinno  być
większe niż 15%. 

Rozważania Royera cd.

%

100

⋅

−

p

p

w

, 

Optoelektronika I

Wzrost zorientowany

Obecnie  terminu  wzrost  zorientowany  używa  się
raczej  na  określenie  krystalizacji  nie  warstwy 
epitaksjalnej,  ale  warstwy  osadzonej  na  podłożu 
krystalicznym i mającej jakiś określony (przeważa-
jący dla całej warstwy) kierunek krystaliczny. 

Typowe  cechy  to:  dużo  defektów,  dyslokacji, 
zrostów  itp.  Może  być to  warstwa  stekstury-
zowana, ale raczej nie ma ona orientacji wzajemnej 
z podłożem.

Optoelektronika I

Wzrost zorientowany cd.

Nośnik

a)

d)

b)

c)

Podłoże

Podłoże

Podłoże

Podłoże

Nośnik

Nośnik

Nośnik

YBCO

a

b

c

YBCO – tlenek 
itrowo-barowo-
mi edziany

Optoelektronika I

Ponownie epitaksja 

Ponownie epitaksja 

-

-

definicja

definicja

Epitaksja

- proces  fizyczny  lub  chemiczny 

krystalizacji  materiału  monokrystalicznego  na 
monokrystalicznym  podłożu  z  odwzorowaniem 
uporządkowania przestrzennego kryształu pod-
łoża – typu sieci krystalicznej, parametrów sie-
ciowych oraz orientacji powierzchni podłoża.

Termin  ten  odróżnia  wzrost  monokrystaliczny 
od polikrystalicznego lub amorficznego.

Optoelektronika I

Ponownie epitaksja cd.

Wprowadzono pojęcia:

* 

homoepitaksja

* 

heteroepitaksja

Można  powiedzieć,  że 

heterostruktura

jest  takim 

kryształem, w którym skład chemiczny zmienia się, 
podczas  gdy  sieć krystaliczna  pozostaje w  dużym 
stopniu nie zmieniona.

Optoelektronika I

Ponownie epitaksja cd.

Pytanie:

czy  krystalizacja  materiału  o  innym  parametrze 
sieci  lub  nawet  innym  typie  komórki  elementarnej 
(np.  osadzanie  azotków  III  grupy  układu  okreso-
wego na podłożach alternatywnych) można jeszcze 
nazywać epitaksją? 

Optoelektronika I

3

Wymagania względem podłoży   1

Co różni epitaksję od innych metod krystalizacji? 

Przede wszystkim istnienie podłoża, które najczęś-
ciej jest  monokrystaliczną,  cienka  płytką,  wypole-
rowaną przynajmniej z jednej strony. 

Podłoże,  na  którym  zachodzi  epitaksja  nie  musi 
jednak być monokryształem – stosowane są czasem 
podłoża  typu ceramika lub  sprasowany  nanokrysta-
liczny proszek. 

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży   1a

1. Struktura  krystalograficzna  podłoża  i  warstwy 
należą do tej samej grupy przestrzennej, czyli oba 
materiały krystalizują w tej samej strukturze. 

2. Wymiary komórek elementarnych podłoża i war-
stwy są  do  siebie  zbliżone.  Dopuszczalna  różnica 
parametrów  komórek  zależy  od  właściwości  mate-
riałów (wytrzymałość  mechaniczna  – odporność  na 
stres,  różnica  współczynników  liniowej  rozsze-
rzalności cieplnej, itp.).

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży   1a

Definiuje się niedopasowanie sieciowe εεεε:

p

p

w −

=

ε

gdzie 

w i p są odpowiednio parametrami sieci warstwy 

i podłoża. 

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży   1b

W technice epitaksji z fazy ciekłej LPE dla: 
♥

ε

≤

10

-3 –

osadzanie  nie  powoduje  powstawania 

nowych defektów w rosnącej warstwie,
♥

ε

≥

10

-3

– w  warstwie  przejściowej  między 

podłożem  a  osadzaną  warstwą  generowane  są 
dyslokacje lub utrudnione jest zarodkowanie.

W  technikach  VPE,  MOVPE  i  MBE,  w  których 
możliwe  jest  uzyskanie  dużo  większych  przesy-
ceń niż w LPE, granicą jest 

ε

≤

0,1 

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży   1c

Optoelektronika I

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

               

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

GaN

AlN

InN

Szafir

SiC

S i

Ga As

Zn O

YSZ

NdGaO

LiNb O

LiGaO

LiTa O

LS AT

LNS AT

NSAT

Mg O

S pin el

S rLa AlO

TiO2

LaAlO

R

ó

żn

ic

a

 w

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

ó

w

 r

o

z

s

z

e

rz

a

ln

o

ś

c

i 

c

ie

p

ln

e

j 

p

o

d

ło

ż

e

-G

a

N

 [

1

0

-6

/K

]

Niedo pas owan ie sieciowe po dłoże -GaN [%]

Wymagania względem podłoży   2

3. Zarodki  najchętniej  lokują  się  w  miejscach  energetycznie 
najbardziej korzystnych, tzn. na defektach sieci i zanieczysz-
czeniach (zerwane  wiązania  w  krysztale  np.  stopnie  atomowe 
na  powierzchni,  defekty  sieci).  Ogólnie  rzecz  biorąc,  defekty 
są  odtwarzane  przez  rosnącą  warstwę.  Podłoże  powinno  być 
więc możliwie bezdefektowe i mieć czystą powierzchnię.

4. Możliwie  zbliżone  współczynniki  liniowej  rozszerzalności 
cieplnej podłoża i warstwy.

5. Konieczna stabilność temperaturowa podłoża w temperatu-
rze epitaksji.

6. Stabilność chemiczna podłoża w obecności reagentów.

Optoelektronika I

4

Wymagania względem podłoży   3

W  krystalizującej  warstwie  odwzorowywane  są 
defekty.

W  szczególności  powtarzane  są  defekty  śrubowe, 
na  których  proces  zarodkowania  zachodzi  szcze-
gólnie chętnie,  ze względu  na  najniższą  potrzebną 
energię formowania zarodka. 

Praktycznie  rzecz  biorąc  zawsze  obserwuje  się 
w warstwach epitaksjalnych  defekty  śrubowe. 
Rosną one aż do powierzchni warstwy.

Optoelektronika I

Wymagania względem podłoży   4

Optoelektronika I

Ciąg dalszy nastąpi …

Ciąg dalszy nastąpi …

wkrótce

wkrótce

Optoelektronika I