אפטיקסיה מהפאזה הנוזלית

אפיטקסיה מהפאזה הנוזלית, liquid phase epitaxy - LPE היא שיטת גידול אפיטקסיאלית המתרחשת בממשק שבין נוזל ובין מצע מוצק, חד-גבישי . כבשאר שיטות האפיטקסיה משמשת LPE לגידול שכבות דקות חד-גבישיות על מצע חד-גבישי אחר עבה יותר. היא נבדלת מהשיטות האחרות בכך שחומר המוצא לגידול (פאזת ההזנה) נמצא במצב צבירה נוזלי. LPE היא אחת השיטות הוותיקות לגידול שכבות אפיטקסיאליות. גם כיום, לקראת סוף הרבע הראשון של המאה ה-21, מייצרים בשיטה זו כמויות גדולות של פרוסות של מוליכים למחצה, וחומרים אחרים.

היסטוריה

גידול ה-LPE הראשון של התקני מוליכים למחצה ממשפחת החומרים III-V בוצע ב-1963 על ידי ה. נלסון (Nelson) ממעבדות RCA בפרינסטון, ניו ג'רזי. נלסון גידל במערכת הטיה התקני צומת p-n ב-GaAs ללייזרים ולדיודות מינהור על ידי שימוש בתמיסת GaAs בבדיל לגידול שכבת GaAs מסוג n על מצע GaAs מסוג p. הוא פיתח גם את היכולת לגדל שכבות מסוממות n או p מתמיסות של GaAs בגליום עם תוספת קטנה של טלוריום או אבץ, בהתאמה. ב-1969 פיתחו חוקרים במעבדות בל בניו-ג'רזי את שיטת הסרגל לגידול GaAs לאותם צרכים.

במהלך שנות ה-70 של המאה ה-20, לפני שבשלו טכניקות האפיטקסיה החדשניות של אפיטקסיית קרן מולקולרית (MBE-molecular-beam-epitaxy), אפיטקסיה מפאזת אדים אורגנומתכתיים, (metalorganic vapor phase epitaxy - MOVPE או, בשם נוסף, MOCVD- metalorganic chemical vapor deposition), ועקב מוגבלות שיטות האפיטקסיה מהפאזה הגזית שהיו קיימות אז (Hydride vapour-phase epitaxy (HVPE) ו-Halogen vapor phase epitaxy), הפכה LPE לשיטה המועדפת לגידול סגסוגות מכילות אלומיניום, כמו AlGaAs , או זרחן, כמו InGaAsP , עבור מימוש דיודות פולטות אור (LEDs) ודיודות לייזר (LDs) לצעדי הפיתוח הראשונים של תקשורת אופטית מבוססת מוליכים למחצה ועבור טכנולוגית המיקרוגלים.

החל מסוף משנות ה-90 החלה לרדת קרנה של שיטת ה-LPE בעקבות התפתחויות בשיטות הגידול MOCVD (בעיקר לייצור) ו-MBE (בתחילה בעיקר למו"פ). בשתי שיטות אלו אפשר לייצר הטרו-מבנים מתוחכמים יותר, והן מוגבלות פחות על ידי האילוצים של התאמת פרמטר הסריג, או השפעות של חוסר שיווי משקל (המסה לאחור, meltback). יתרה מכך, MOCVD ועוד יותר MBE, הציעו שליטה טובה יותר בהרכב ובמורפולוגיה של פני השטח, ובקבלת אחידות בשטח גדול כמו גם ממשקים וצמתים חדים.

עקרון השיטה

למעלה: תיאור העיקרון של אפיטקסיה בשיטת LPE. למטה: מהלך תרמי סכמתי של תהליך הגידול. (T - טמפרטורה, T_m - נקודת ההיתוך של התמיסה, t - זמן.)

ב-LPE מתחילים בהכנת תערובת או תמיסה (בדרך כלל תמיסה מוצקה) של היסודות הרצויים. למשל לגידול שכבות של הסגסוגת אלומיניום גליום ארסניד (AlGaAs) מכינים תמיסה (מוצקה) של אלומיניום וארסן בגליום, ואילו לגידול שכבות של הסגסוגת כספית קדמיום טלוריד (MCT) מכינים תמיסה (מוצקה) של כספית וקדמיום בטלוריום או תמיסה של קדמיום וטלוריום בכספית. את התמיסה הזו מכניסים לכלי מתאים (באיור, באופן סכמתי, לכוס), ואותו לתנור (שלא מוראה באיור). מחממים עד להתכת התמיסה, וממתינים להומוגניזציה של הפאזה הנוזלית. לאחר מכן מקררים את התמיסה; כשמגיעים לנקודת הרוויה של התמיסה (לנקודת הליקווידוס , כלומר לטמפרטורה שבה, בשיווי משקל תרמודינמי, היא תתחיל להפריש מוצק) לא קורה דבר מפני שאין (כך מקווים) מרכז גרעון, שיתחיל את הגיבוש. בשלב זה אפשר להכניס את המצע לתמיסה. המצע מהווה נקודת גרעון גדולה, ולכן תתחיל ההתגבשות על פני המצע, כלומר גידול השכבה האפיטקסיאלית. אפשר גם לקרר את התמיסה עוד לפני הכנסת המוצק, כך שהתמיסה תימצא במצב של קירור יתר. בשני המקרים, אם המצע הוא בהרכב הכימי המבוקש, במבנה ובכיוון הגבישיים הרצויים, תגדל עליו השכבה האפיטקסיאלית המבוקשת. אפשר לקרר את התמיסה במהלך הגידול (כמו באיור) או להשאיר אותה קבועה. לאחר הזמן הנדרש להשגת עובי השכבה המבוקש, מוציאים את המוצק (המצע עם השכבה שגדלה עליו) מן התמיסה.

פרופילי טמפרטורה והתלות של עובי השכבה בזמן הגידול

דיאגרמות הרכב-טמפרטורה-זמן סכמתיות עבור גידול LPE של GaAs. משמאל למעלה: תיאור סכמתי של דיאגרמת הפאזות נוזל-מוצק של GaAs. משמאל למטה: הגדלה של הריבוע האדום – החלק מדיאגרמת הפאזות הרלוונטי ל‑LPE בקירור יתר מטמפרטורת ההומגניזציה (T_h) ל-T_SC, היכן שהפאזות בשיווי משקל הן תמיסה נוזלית בהרכב x_sce ו-GaAs (הרכב: x_s=50% As) מוצק המתגרען כשכבה אפיטקסיאלית על המצע. אינדקס תחתון (מ) מציין מוצק, ואינדקס תחתון (נ) מציין נוזל. m הוא שיפוע עקום הליקווידוס. מימין: פרופילים שונים של טמפרטורה הנהוגים ב-LPE: למעלה – "קירור מדרגה", באמצע – "קירור משופע", ולמטה – "קירור יתר". קפיצת המדרגה בפרופילים העליון והתחתון היא ΔT_sc מעלות; קצב הקירור במהלך הגידול בפרופילים האמצעי והתחתון הוא α מעלות לדקה.

תהליך הגידול ב-LPE קרוב מאוד לשיווי משקל, כך שהרכב התמיסה הרצוי להשגת מוצק בהרכב הנדרש נקבע מתוך דיאגרמת הפאזות המתאימה. תנאי הגידול ב-LPE הם כאלו שקצב הגידול מוגבל על ידי דיפוזיה של המומס מהתמיסה אל הממשק תמיסה-מצע, היכן שהוא מתגבש למוצק האפיטקסיאלי. מגבלה זו ביחד עם פרופיל הטמפרטורה המיושם במהלך הגידול קובעים איך גדל עובי השכבה (d) עם הזמן (t). מבחינים בין שלושה מהלכים תרמיים כאלו (בכולם מניחים שעובי השכבה קטן יחסית לעובי תמיסת הגידול - "קירוב השכבה הדקה"):

• פרופיל קירור מדרגה (step-cooled growth): לאחר שלב החימום של התמיסה מייצבים את הטמפרטורה (על T_h באיור) לצורך הומוגנזיציה, כך שמתקבל ריכוז אחיד של המומס, x_eh, בתמיסת הגידול. ערך זה הוא ריכוז שיווי המשקל המתאים לטמפרטורת הליקוידוס T_h הזו. להתחלת הגידול מונמכת הטמפרטורה בקפיצה של ΔT_sc מעלות ל-T_sc (כמוראה באיור). ריכוז שיווי המשקל משתנה ל-x_esc, הניתן על ידי עקום הליקווידוס בטמפרטורה T_esc. ריכוז זה נמוך מהריכוז שעדיין קיים בתמיסה, x_eh. לכן התמיסה נמצאת בעל-רוויה (סופרסטורציה), כלומר בקירור יתר. בגלל הפרש הטמפרטורה הקטן, ΔT_sc, המיושם ב‑LPE עקום הליקווידוס ליניארי עם הטמפרטורה, ושיפועו: m. בתנאים אלו גדל עובי השכבה עם משך הגידול בצורה הבאה: $d_{super-cool.}={\operatorname {2\Delta } \!T_{sc} \over \operatorname {m} \!x_{s}}{\sqrt {D \over \pi }}t^{1/2}$. במשוואה זו x_s הוא הריכוז במוצק, שנקבע על ידי עקום הסולידוס , ו-D הוא מקדם הדיפוזיה של המומס בתמיסת הגידול.
• פרופיל קירור משופע (ramp-cooling growth): במקרה זה, כבקודם, מתחיל התהליך בשלב הומוגניזציה בטמפרטורה T_h הגורם שוב לריכוז שיווי משקל x_eh בתמיסת הגידול. בתום שלב זה לא מיישמים בפרופיל זה קפיצת טמפרטורה מטה, אלא מורידים את הטמפרטורה בהדרגה בקצב קבוע α, כך שמתקיים: T(t) = T_h - αt. אם אינטרוול הקירור הכולל קטן, אז עדיין השיפוע של עקום הליקווידוס, m, כמעט קבוע, והרכב שיווי המשקל על עקום הליקווידוס הוא פונקציה ליניארית של הטמפרטורה. עבור תנאים אלו מקבלים שעובי השכבה משתנה עם הזמן על פי:

$d_{ramp-cool.}={4\alpha \over 3mx_{s}}{\sqrt {D \over \pi }}t^{3/2}$.

• פרופיל קירור יתר (supercooling growth): טכניקת גידול זו היא שילוב של השתיים הקודמות. לאחר שלב ההומוגניזציה, מתחיל הקירור ביצירת קירור יתר על ידי קפיצת טמפרטורה של ΔT_sc מטה, ובנוסף מיישמים לאחריה קירור בקצב קבוע α. התלות של העובי בזמן הגידול תתקבל, לכן, מחיבור שתי המשוואות הקודמות:

$d_{supercool.}={\operatorname {1} \over \operatorname {} \!mx_{s}}{\sqrt {D \over \pi }}(2\Delta {T_{sc}}t^{3/2}+{\operatorname {4} \over \operatorname {3} }\alpha t^{3/2})$.

הבחירה באחד מבין שלושה פרופילים אלו של הטמפרטורה עבור הגידול ב-LPE של מערכת חומרים מסוימת תלויה, בין היתר, בדרישות ממערכת החומרים הזו, מדיאגרמת הפאזות הרלוונטית, ומהמורפולוגיה ומהסימום הנדרשים מהשכבה. בכל שלושת הפרופילים עובי השכבה אינו גדל ליניארית בזמן. זה מסבך, במידה מסוימת, את חישוב הזמן הדרוש לקבלת שכבה בעובי רצוי. סיבוך נוסף, נובע מכך שלא תמיד ידוע הרכב תמיסת הגידול במדויק, ולכן גם לא את טמפרטורת הליקווידוס המדויקת שלה. כתוצאה מכך קיימת שגיאה מובנית בקביעת משך הגידול; ובפרופילים המתאימים יש גם שגיאה בקביעת ΔT_sc.

סוגי המערכות לגידול LPE

ללא קשר לפרופיל הטמפרטורה המיושם ב-LPE, קיימות בה מספר טכניקות של גידול:

• 

  תיאור סכמתי של הרכיבים העיקריים במערכת הגידול, ושל שלבי הגידול ב-LPE בשיטת ההטיה (tipping, למעלה) ובשיטת ההטיה-הסיבובית (rotating-tipping, למטה). ריאקטור הקוורץ נמצא בתנור חימום שאינו מוראה באיור.

  שיטת ההטיה (tipping): לתוך סירה מחומר אינרטי (גרפיט, בדרך כלל) מכניסים בצד אחד את המצע ובצד השני את תמיסת הגידול. הסירה מוכנסת לריאקטור קוורץ צינורי, המצוי בתנור חימום. בתחילה התנור מוטה כך שצד התמיסה נמוך יותר ממצע הגידול. מחממים את התנור להתכת התמיסה, וממתינים להומוגינזציה שלה. בהתאם לפרופיל הגידול מקררים לקירור יתר, אם צריך. כשטמפרטורת התמיסה הגיעה לערך הרצוי, מטים את התנור סביב צירו האופקי הניצב לציר האורך של הסירה, ועל ידי כך "מזרימים" את התמיסה אל המצע, והגידול מתחיל. בסיום הגידול מטים את התנור למצבו ההתחלתי לצורך שפיית התמיסה מהמצע שעליו גדלה השכבה האפיטקסיאלית, ומקררים את התנור, לצורך הוצאת השכבה המגודלת. אחד החסרונות של השיטה הוא האפשרות לגדל רק על מצע אחד (או מספר קטן של מצעים קטנים). כדי להתגבר על חסרון זה פותחה נגזרת של השיטה שבה ההטיה היא סביב ציר המקביל לציר האורך של הריאקטור: שיטת ההטיה הסיבובית (rotating-tipping). בשיטה זו מטעינים לתוך הריאקטור הצינורי סירה היכולה להכיל מספר רב של מצעים ניצבים לציר האורך של הריאקטור. המחזיק מחובר לדופן הצינור, כך שבהתחלה המצעים נמצאים מעל לתמיסת הגידול. בשלב זה מחממים את התנור להתכה של תמיסת הגידול ולהומוגניזציה שלה, ומתחילים בקירור כנדרש. בשלב המתאים מסובבים את הצינור סביב ציר האורך שלו, כך שכל המצעים נטבלים בתמיסת הגידול, והגידול מתחיל. בסיום הזמן הדרוש מסובבים את הצינור בחזרה למצבו ההתחלתי, כך שהתמיסה מחליקה מפני השטח של השכבות המגודלות באמצעות כוח הכבידה, ומקררים את המערכת. לצורך הוצאת השכבות האפיטקסיאליות שגודלו. לשני הווריאנטים של שיטת ההטיה יש חסרונות בולטים: ניתן לגדל רק סוג אחד של שכבה על כל מצע, סילוק התמיסה מפני השטח האפיטקסיאליים אינו מושלם, כמות התמיסה מוגבלת והיישום החוזר שלה מסובך. עם זאת, היכולת לגדל בפעם אחת על מספר רב של מצעים בשיטת ההטיה-הסיבובית היא יתרון תעשייתי משמעותי.

• 

  תיאור סכמתי של הרכיבים העיקריים במערכת הגידול, ושל שלבי גידול LPE בשיטת הטבילה (dipping). ריאקטור הקוורץ נמצא בתנור חימום שאינו מוראה באיור.

  שיטת הטבילה (dipping): תמיסת הגידול נמצאת בתוך כורית המצויה בריאקטור שבתוך תנור. בדרך כלל מוזרם דרך הריאקטור מימן או גז אינרטי כדי למנוע תגובה של התמיסה והמצעים עם אווירת החדר. המצע או המצעים מורכבים באמצעות מחזיקים על מוט הסעה וסיבוב, אותו מורידים אנכית לתוך "אמבט" התמיסה להתחלת הגידול, כשטמפרטורת האמבט הגיע לערך הרצוי (עם או בלי קירור יתר). בזכות הגיאומטריה הזו מכונה השיטה גם LPE אנכי (VLPE). במקרים בהם צפיפות התמיסה גבוהה יותר מאשר הצפיפות המשוקללת של המצע ומחזיקו, צפים האחרונים על גבי פני הנוזל, בזכות הציר המחבר את המחזיק אל המוט. במהלך הגידול מישמים לעיתים סיבוב של מוט המצעים על מנת להשיג אחידות של הריכוז בתמיסה על ידי פיצוי הבדלי החימום באזורים שונים של הכורית, והבדלי ריכוז בגלל קונבקציות בנוזל. בתום הזמן הנדרש להשגת העובי הרצוי של השכבה, מעלים את המוט להוצאת המצעים מן התמיסה. בזכות הציר המחבר את מחזיקי המצעים למוט, הם חוזרים למצב ניצב לקרקע, ושאריות התמיסה ניגרות מפני השטח של המצעים באמצעות כוח הכבידה. אם צפיפות הנוזל נמוכה, מרכיבים מראש את המחזיקים על המוט כך שפני המצעים מקבילים לפני השטח של הנוזל. בהוצאת המצעים בתום הגידול קשה, במקרה זה, לסלק את כל שאריות התמיסה, ולכן מיישמים לעיתים סיבוב מהיר של מוט ההסעה והסיבוב על מנת לסלקן באפקט הצנטריפוגה. שיטת הטבילה שימושית בעיקר בגידול שכבות עבות, שכן בגלל הנפח הגדול של התמיסה, ריכוזה כמעט שאינו משתנה בגלל הפרשת מומסים לגידול האפיטקסיאלי. יתרה מכך, אותה תמיסה יכולה לשמש למספר ריצות גידול עוקבות, כך שחוסכים בזמן הנדרש לפריקה, הטענה וחימום של החומר שבכורית. התמיסה נשארת בדרך כלל חמה, כשכל מספר גידולים מוסיפים לה כמויות קטנות של המומסים, על מנת לשמור על ריכוז התמיסה בערך הרצוי. יתרונות נוספים של השיטה הם: האפשרות לגדל על מספר מצעים בו זמנית (אם כי לא גדול כמו בשיטת ההטיה הסיבובית), והאפשרות לשמור את המצעים בטמפרטורה נמוכה יחסית עד להתחלת הגידול עצמו. זה משמעותי בעיקר לחומרים שנוטים להתפרק בחום גבוה כמו תחמוצות. החסרון העיקרי של השיטה נעוץ בכך שאפשר לגדל רק שכבה אחת בהרכב קבוע על כל מצע.

• 

  תיאור סכמתי של סירת הגידול, ושל השלבים בגידול LPE של מבנה דו-שכבתי על שני מצעים נפרדים בשיטת הסרגל (slider method). התנור הנע שבמרכזו עובר ריאקטור קוורץ צינורי ושבו מצויה הסירה אינם מוראים באיור.

  שיטת הסרגל (slider): המצע (או המצעים) והתמיסה (או התמיסות) מוצבים בשקעים (או חורים) שבתוך חלקים זחיחים - ה"סרגלים". במהלך הגידול הסרגלים מוזזים אופקית האחד ביחס לשני, כדי להביא את התמיסה במגע עם המצע בזמן הנכון לפי פרופיל הטמפרטורה, וכדי לסלקה ממנו בתום הגידול. לגידול מבנה דו-שכבתי על שני מצעים נפרדים, כמו בדוגמה שבאיור, מניחים בשקעים שבסרגל המצעים שני מצעי גידול זהים, ומניחים אותו על בסיס הסירה. על סרגל המצעים מניחים את סרגל הבארות כך שהאזורים האטומים שבו מכסים את המצעים, והבארות עצמן נמצאות משמאל לכל מצע. מכניסים לארבע הבארות את הרכיבים בכמויות המתאימות ליצירת תמיסות גידול בריכוזים המתאימים על פי דיאגרמת הפאזות (או את תמיסות הגידול המוצקות שהוכנו מראש). לבארות הקרובות למצעים מכניסים את התמיסות בהרכב המתאים לגידול השכבה הראשונה במבנה, ואילו לאחרות את התמיסות בהרכב המתאים לגידול השכבה השנייה במבנה. מכסים את הבארות במכסים למניעת התנדפות רכיבי התמיסה במהלך החימום, מכניסים את הסירה על כל רכיביה לריאקטור הקוורץ הצינורי, סוגרים אותו, ומזרימים דרכו מימן או גז אינרטי. מסיעים את תנור החימום לאורך צינור הקוורץ, כך שמרכזו יחפוף את הסירה, ומתחילים בחימומו. לאחר הזמן הדרוש להתכה של תמיסות הגידול, ולהומוגוניזציה שלהם, מקררים את התמיסה בהתאם לפרופיל הטמפרטורה הרצוי. כשטמפרטורת התמיסה הגיעה לערך שנקבע מראש, מושכים את מוט המשיכה של סרגל הבארות ימינה עד שהבאר הראשונה מתייצבת מעל המצעים. מחכים את הזמן הדרוש להשגת העובי הרצוי של השכבה האפיטקסיאלית הראשונה, ומושכים שוב את סרגל הבארות עד שהאזורים האטומים שבין שני הבארות מכסים את המצעים. באמצעות משיכה זו "נוגבה" תמיסת הגידול מהמצעים. כעת מייצבים את התנור על הטמפרטורה המתאימה לתמיסת הגידול השנייה על פי דיאגרמת הפזות, וממתינים להומוגניזציה. בהתאם לפרופיל הטמפרטורה הנבחר מורידים שוב את הטמפרטורה לערך המתאים, ומשזה הושג מושכים את סרגל הבארות שוב ימינה עד שהבארות של תמיסת הגידול השנייה ניצבות מעל המצעים. בתום הזמן הדרוש, מושכים את סרגל הבארות ימינה, לניגוב התמיסה עד שהמצעים יעמדו מתחת לאזורים האטומים שבין הבארות (אפשר, לחלופין, לדחוף את סרגל הבארות חזרה לעמדה זו, או למשוך אותו כך שהאזורים האטומים שמשמאל לבארות של תמיסת הגידול השנייה יהיו מעל למצעים). כעת מקררים את התנור בקצב שנבחר. בסיום, לצורך קרור מהיר יותר, החשוב בעיקר במקרים של שכבות שרכיביהן נדיפים בטמפרטורות גבוהות, מסיעים את התנור לאורך הריאקטור הצינורי כך שלא יקיף יותר את סירת הגידול. היתרון הגדול ביותר של שיטת הסרגל על פני שיטות ההטיה והטבילה הוא האפשרות לגדל מבנים המכילים מספר שכבות אפיטקסיאליות זו על גבי זו. לשם כך מכינים בארות ותמיסות כמספר השכבות הרצויות. יתרה מכך, הנעת הסרגלים אחד ביחס לשני בסיום הגידול של כל שכבה, גורם ל"חיתוך" ול"ניגוב" יזום של תמיסת הגידול מהשכבה. יתרון נוסף הוא האפשרות לגדל על יותר ממצע אחד, אך מאחר שהמערכת ליניארית והמצעים אופקיים, מספרם קטן בהרבה מהאפשרי בשיטת ההטיה הסיבובית. החסרון של השיטה הוא הנפח הקטן יחסית של תמיסת הגידול. זה לא מאפשר גידול של שכבות עבות מאוד, כי הרכב התמיסה עלול להשתנות יותר מדי במהלך הגידול, ואיתו ישתנה גם הרכב השכבה. זה מצריך גם החלפת התמיסות עבור כל ריצת גידול.

יישומים

בשיטת ה-LPE משתמשים באפיטקסיה של מוליכים למחצה מרוכבים (compound semiconductors), בעיקר כשהגידול שלהם באחת משיטות האפיטקסיה מהפאזה הגזית קשה בגלל לחצים חלקיים שונים מאוד של הרכיבים הבודדים; וכן כאשר נדרש ייצור המוני במחיר שאינו גבוה. LPE משמשת, למשל, לייצור בקנה מידה גדול של דיודות פולטות אור (LEDs) מבוססות GaAs ו-GaP , כמו גם לאפיטקסיה של סגסוגות של HgCdTe בהרכבים שונים לצורך מימוש גלאי תת-אדום. משתמשים ב-LPE כדי לגדל שכבות של SiC ושל ניטרידים של מתכות מהמשפחה III-V כמצעים "וירטואליים" לגידול מבנים של ניטרידים בשיטות אפיטקסיה אחרות. כמו כן, משתמשים ב-LPE ביצור שכבות מגנטו-אופטיות.

השימוש ב-LPE עבור מוליכים למחצה של יסודות כמו סיליקון, שכיח פחות, שכן הממיסים האפשריים הם בדיל, אלומיניום וגליום, כולם מסממים בחומרים מקבוצה IV בטבלה המחזורית. עם זאת, נעשה שימוש ב-LPE בגידול שכבות לתאים סולריים זולים מבוססי סיליקון.

תחום יישום נוסף הוא ייצור תחמוצות של מתכות, מפני שללא הטמפרטורות הנמוכות יותר הקשורות בגידול מתמיסה ב-LPE, יש קשיים בשמירה על ההרכב הסטויכימטרי של התחמוצות, לדוגמה בגידול של ZnO .

יתרונות וחסרונות השיטה

היתרון של שיטת ה-LPE ביחס לגידול גבישים כמו בשיטות ברידג'מן וצ'וחרלסקי נובע מכך שנוזל ההזנה ב-LPE הוא התמיסה של החומר אותו רוצים לגדל ולא הנתך (melt) שלו. לכן, הטמפרטורות המעורבות בתהליך נמוכות יותר. יש לכך יתרונות כלכליים הן בצריכת אנרגיה מופחתת, והן בלחץ עבודה נמוך יותר. יש לכך גם יתרונות טכנולוגיים, כמו איכות גבישית טובה יותר.

טרסות גידול על פני השטח של שכבת HgCdTe מגודלת על מצע CdTe חתוך בזווית קטנה מהמישור (111). צילום במיקרוסקופ אופטי עם מקטב נומרסקי . אורך הצלעות: 1 מ"מ.

ביחס לשיטות האפיטקסיה המתחרות ב-LPE, כמו MBE וMOCVD, היא פועלת בקרבת שיווי משקל תרמודינמי, ולכך יש יתרונות וחסרונות. למשל, הקרבה לשיווי המשקל התרמודינמי מאפשרת המסה של המצע בתחילת הגידול (תהליך הקרוי המסה לאחור, meltback). זה קורה אפילו כאשר מיושם קירור יתר בפרופיל הטמפרטורה בגידול אם קיים אי-תאום בפרמטרי הסריג של השכבה והמצע. להמסה לאחור זו יש יתרון בכך שתהליך סילוק התחמוצות מפני המצע בטרם הגידול קריטי פחות מאשר בשיטות האפיטקסיה מפאזה גזית. אבל היא מהווה חסרון שכן אי אפשר לקבל ממשק מצע-שכבה מישורי לגמרי. הקרבה לשיווי משקל תרמודינמי בתהליך ה-LPE מאפשרת תיאור תרמודינמי מהימן, יחסית, של תהליך הגידול האפיטקסיאלי, אבל, היישום של הפרמטרים התאורטיים השולטים בגידול קשה, וגורם לכך שתהליך הגידול רגיש מאוד לסטיות מהפרמטרים האופטימליים של התהליך. זה גורם, למשל, להתפתחות מדרגות גידול גבוהות (הקרויות גם טרסות), ולפני שטח שאינם חלקים כבשיטות הגידול האפיטקסיאלי מהפאזה הגזית.

היתרונות של LPE:

• מחיר נמוך יחסית של הציוד הדרוש לגידול
• קצב גידול גבוה
• איכות חומר טובה מאוד, בעיקר בהקשר של יעילות לומינסנציה
• סלקטיביות גבוהה באפיטקסיה אזורית סלקטיבית (גידול על מצעים מכוסים במסכה עם תבניות).

החסרונות של LPE:

• שליטה נמוכה באחידות בעובי השכבה
• קושי בקבלת שכבות דקות מאוד
• קושי בגידול הטרו-מבנים רבים עקב אי-התאמה של פרמטרי הסריג, או חוסר שיווי משקל בין המצע והשכבה האפיטקסיאלית
• קושי בקבלת שינויי הרכב וסימום חדים בממשקים
• ממשק מצע-שכבה מחוספס
• מורפולוגית פני שטח ירודה.

ראו גם

• אפיטקסיה
• גידול גבישים

לקריאה נוספת

• P. Capper and M. Mauk (Eds.), Liquid Phase Epitaxy of Electronic, Optical and Optoelectronic Materials, John Wiley & Sons, Chichester, UK, 2007, ISBN 978-0-470-85290-3
• M.A. Herman, W. Richter and H. Sitter, Epitaxy - Physical Principles and Technical Implementation, Springer, Berlin, Germany, 2004, pp. 63-72, ISBN 978-3-642-08737-0
• H.L. Bhat, Introduction to Crystal Growth Principles and Practice, CRC, Boca Raton, FL, 2015, pp. 269-275, ISBN 978-1-4398-8330-3