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エピタキシー（接頭辞epi-は「上に」を意味する）は、結晶シード層に対して1つ以上の明確な配向を持つ新しい結晶層が形成される結晶成長または材料堆積の一種です。堆積された結晶膜はエピタキシャル膜またはエピタキシャル層と呼ばれます。エピタキシャル層のシード層に対する相対的な配向は、各材料の結晶格子の配向によって定義されます。ほとんどのエピタキシャル成長では、新しい層は通常結晶性であり、オーバーレイヤーの各結晶学的ドメインは、基板結晶構造に対して明確な配向を持たなければなりません。エピタキシーは単結晶構造を含むことができますが、粒状膜では粒間エピタキシーが観察されています。[ 1 ] [ 2 ]ほとんどの技術的応用では、基板結晶に対して1つの明確な配向を持つオーバーレイヤー結晶の成長である単一ドメインエピタキシーが好まれます。エピタキシーは超格子構造の成長においても重要な役割を果たすことができます。[ 3 ]
エピタキシーという用語は、ギリシャ語の語根であるepi（ἐπί）「上」とtaxis（τάξις）「秩序だった方法」に由来する。
エピタキシャル成長の主な商業用途の 1 つは半導体産業であり、半導体薄膜が半導体基板ウェーハ上にエピタキシャル成長されます。[ 4 ] 基板ウェーハ上に平面薄膜をエピタキシャル成長させる場合、エピタキシャル薄膜の格子は、基板ウェーハの結晶格子に対して特定の配向を持ちます。たとえば、薄膜の[001]ミラー指数が基板の [001] 指数と一致するなどです。最も単純なケースでは、エピタキシャル層は基板と同じ半導体化合物の連続となることができます。これはホモエピタキシーと呼ばれます。そうでない場合、エピタキシャル層は異なる化合物で構成されます。これはヘテロエピタキシーと呼ばれます。
ホモエピタキシーとは、単一材料のみを用いて行われるエピタキシーの一種で、同一材料の基板または薄膜上に結晶性薄膜を成長させる技術です。この技術は、基板よりも純度の高い薄膜を成長させたり、ドーピング濃度が異なる層を作製したりするためによく用いられます。学術文献では、ホモエピタキシーはしばしば「ホモエピ」と略されます。
ホモトポタキシーは、薄膜の成長が二次元成長に限定されない点を除けば、ホモエピタキシーと類似したプロセスである。ここでは、基板自体が薄膜材料となる。
ヘテロエピタキシーは、互いに異なる材料を用いて行われるエピタキシーの一種です。ヘテロエピタキシーでは、結晶性基板または異なる材料の膜上に結晶性膜が成長します。この技術は、通常では結晶が得られない材料の結晶性膜を成長させたり、異なる材料の結晶性層を統合して作製したりするためによく使用されます。例としては、サファイア上のシリコン、サファイア上の窒化ガリウム（GaN）、ガリウムヒ素（GaAs）またはダイヤモンドまたはイリジウム上のアルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）[ 5 ]、六方晶窒化ホウ素（hBN）上のグラフェン[ 6 ]などがあります。
ヘテロエピタキシーは、異なる組成の膜や結晶膜が基板上に成長する際に発生します。この場合、膜の歪みの量は格子不整合εによって決まります。
どこそして は、膜と基板の格子定数です。膜と基板は、格子間隔が似ていても、熱膨張係数が異なる場合があります。膜が高温で成長した場合、室温まで冷却される際に大きな歪みが生じる可能性があります。実際には、エピタキシャル成長を得るためには、が必要です。厚さがそれよりも大きい場合、フィルムは体積歪みを受け、それが臨界厚さに達するまで各層で蓄積されます。厚さが増加すると、フィルム内の弾性歪みは転位の形成によって緩和されますが、転位は構造の品質を損なう散乱中心になる可能性があります。ヘテロエピタキシーは、変形によって生じる追加エネルギーのおかげで、いわゆるバンドギャップシステムを作成するためによく使用されます。シリコンゲルマニウムエピタキシャル層は、 CMOSマイクロエレクトロニクスとシリコンフォトニクスで広く使用されています。[ 7 ]
ヘテロトポタキシーはヘテロエピタキシーと似たプロセスであるが、薄膜の成長が二次元成長に限定されない点が異なる。基板は薄膜材料と構造的に類似しているにすぎない。
ペンデオエピタキシーは、ヘテロエピタキシャル膜が垂直方向と水平方向に同時に成長するプロセスです。2D結晶ヘテロ構造では、六方晶窒化ホウ素に埋め込まれたグラフェンナノリボン[ 8 ] [ 9 ]がペンデオエピタキシーの一例です。
粒間エピタキシーは、多結晶エピタキシャル層とシード層の結晶粒間のエピタキシャル成長を伴う。[ 1 ] [ 2 ]これは通常、シード層が面外テクスチャのみを持ち、面内テクスチャを持たない場合に発生する。このような場合、シード層は異なる面内テクスチャを持つ結晶粒から構成される。エピタキシャルオーバーレイヤーは、格子整合により、シード層の各結晶粒に沿って特定のテクスチャを生成する。この種のエピタキシャル成長は、単結晶膜を伴わない。
エピタキシャル成長は、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）や最新の相補型金属酸化膜半導体（CMOS）などのシリコンベースの製造プロセスで使用されていますが、ガリウムヒ素などの化合物半導体にとって特に重要です。製造上の課題としては、堆積物の抵抗率と厚さの量と均一性の制御、表面とチャンバー雰囲気の清浄度と純度、通常はドーピング濃度がはるかに高い基板ウェーハからのドーパントが新しい層に拡散するのを防ぐこと、成長プロセスの不完全性、製造および取り扱い中の表面の保護などが挙げられます。
ヘテロエピタキシャル成長は、 Volmer–Weber (VW)、Frank–van der Merwe (FM)、Stranski–Krastanov (SK)の 3 つの主要な成長モードに分類されます。 [ 10 ] [ 11 ]
VW成長モードでは、エピタキシャル膜は成長表面上の3次元核から成長します。このモードでは、吸着分子間の相互作用が吸着分子と表面間の相互作用よりも強いため、局所的な核生成によって島状構造が形成され、これらの島状構造が結合することでエピタキシャル層が形成されます。
FM成長モードでは、吸着質と表面との相互作用および吸着質同士の相互作用がバランスよく保たれており、2次元の層状成長またはステップフローエピタキシャル成長が促進される。
SKモードは、VWモードとFMモードの組み合わせである。このメカニズムでは、成長はFMモードで開始され、2次元層を形成するが、臨界厚さに達すると、VWモードに似た3次元島状成長領域に移行する。
しかし、実際のエピタキシャル成長は、熱力学的平衡から離れた高過飽和領域で行われます。その場合、エピタキシャル成長は熱力学ではなく吸着原子の動力学によって支配され、2Dステップフロー成長が支配的になります。[ 11 ]
半導体薄膜のホモエピタキシャル成長は、一般的に化学蒸着法または物理蒸着法によって行われ、前駆体は気体状態で基板に供給されます。例えば、シリコンは、四塩化ケイ素（または四塩化ゲルマニウム）と水素から約1200～1250 ℃で堆積されることが最も一般的です。 [ 12 ]
ここで、(g)と(s)はそれぞれ気相と固相を表す。この反応は可逆であり、成長速度は2つの原料ガスの比率に大きく依存する。毎分2マイクロメートルを超える成長速度では多結晶シリコンが生成され、塩化水素副生成物が多すぎると負の成長速度（エッチング）が発生する可能性がある。（塩化水素はウェーハをエッチングするために意図的に添加されることがある。）堆積反応と競合する別のエッチング反応がある。
シリコンVPEでは、シラン、ジクロロシラン、トリクロロシランを原料ガスとして使用することもあります。例えば、シラン反応は650 ℃で次のように起こります。
VPEは、原料ガスの化学的性質によって分類される場合があり、例えば、水素化物VPE（HVPE）や有機金属VPE（MOVPEまたはMOCVD）などがある。
このプロセスが行われる反応室は、室外に設置されたランプによって加熱されることがある。[ 13 ]化合物半導体の成長によく用いられる技術は、分子線エピタキシー（MBE）である。この方法では、原料を加熱して蒸発した粒子ビームを生成し、それが非常に高い真空（10⁻⁸ Pa 、実質的に自由空間）を通って基板に到達し、エピタキシャル成長を開始する。[ 14 ] [ 15 ]一方、化学ビームエピタキシーは、気相前駆体を用いて分子ビームを生成する超高真空プロセスである。[ 16 ]
マイクロエレクトロニクスやナノテクノロジーで広く用いられているもう一つの技術は、原子層エピタキシーである。これは、前駆体ガスを交互にチャンバー内にパルス状に導入することで、表面飽和と化学吸着によって原子単層を成長させる技術である。
液相エピタキシー（LPE）は、固体基板上に溶融状態から半導体結晶層を成長させる方法です。このプロセスは、堆積させる半導体の融点よりもはるかに低い温度で行われます。半導体は別の材料の溶融液に溶解されます。溶解と堆積の平衡に近い条件下では、基板上への半導体結晶の堆積は比較的速く均一になります。最もよく使用される基板はリン化インジウム（InP）です。特殊な用途には、ガラスやセラミックなどの他の基板も使用できます。核生成を促進し、成長層に張力が生じないようにするためには、基板と成長層の熱膨張係数が類似している必要があります。
遠心液相エピタキシーは、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素の薄膜を作るために商業的に使用されています。[ 17 ] [ 18 ]遠心形成膜成長は、遠心分離機を使用して材料の薄膜を形成するために使用されるプロセスです。このプロセスは、薄膜太陽電池用のシリコン[ 19 ] [ 20 ]や遠赤外線光検出器[ 21 ]を作成するために使用されています。温度と遠心分離機の回転速度は、層の成長を制御するために使用されます。[ 18 ]遠心LPEは、溶液を一定温度に保ちながら、ドーパント濃度勾配を作成する能力があります。[ 22 ]
固相エピタキシー（SPE）は、材料の非晶質相と結晶相の間の遷移です。通常、結晶基板上に非晶質材料の膜を堆積し、加熱して膜を結晶化することによって生成されます。単結晶基板は結晶成長のテンプレートとして機能します。イオン注入中に非晶質化したシリコン層を再結晶化または修復するために使用されるアニーリングステップも、固相エピタキシーの一種と考えられています。このプロセス中に成長する結晶-非晶質層の界面での不純物の偏析と再分布は、金属とシリコンに低溶解度ドーパントを組み込むために使用されます。[ 23 ]
エピタキシャル層は、アルシン、ホスフィン、ジボランなどの不純物を原料ガスに添加することで、成膜中にドーピングすることができます。蒸発または表面の湿式エッチングによって放出された原料ガス中のドーパントは、エピタキシャル層に拡散して自己ドーピングを引き起こすこともあります。気相中の不純物の濃度が、堆積膜中のその濃度を決定します。ドーピングは、成長前駆体の比率を調整して、格子への空孔、特定のドーパント種、または空孔-ドーパントクラスターの取り込みを促進するサイト競合技術によっても実現できます。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] さらに、エピタキシーが行われる高温では、ウェハ内の他の層から成長層にドーパントが拡散する可能性があります（アウトディフュージョン）。
鉱物学において、エピタキシーとは、ある鉱物が別の鉱物の上に規則正しく成長し、2つの鉱物の特定の結晶方向が一致する現象である。これは、成長した鉱物と基板の格子内のいくつかの面の原子間隔が似ている場合に起こる。[ 27 ]
両方の鉱物の結晶が十分に形成されていて結晶軸の方向が明確であれば、目視検査だけでエピタキシャル関係を推測することができる。[ 27 ]
時には、単一の基板上に多数の独立した結晶が成長し、エピタキシーが存在する場合、すべての成長結晶は同様の方位を持つ。しかし、その逆は必ずしも真ではない。成長結晶が同様の方位を持つ場合、おそらくエピタキシャル関係が存在するが、確実ではない。[ 27 ]
一部の著者[ 28 ]は、同じ鉱物種の第二世代のオーバーグロースもエピタキシーとみなすべきだと考えており、これは、同じ材料の半導体基板上に異なるドーピングレベルの膜のエピタキシャル成長を誘導する半導体科学者にとって一般的な用語である。しかし、天然鉱物の場合、国際鉱物学協会（IMA）の定義では、2つの鉱物が異なる種であることが要求されている。[ 29 ]
エピタキシーのもう一つの人工的な応用例は、ヨウ化銀を用いた人工雪の製造である。これは、六方晶系のヨウ化銀と氷が類似した単位格子寸法を持つため可能である。[ 28 ]
同じ構造を持つ鉱物（同形鉱物）は、エピタキシャル関係を持つことがある。例としてアルバイト（NaAlSi）が挙げられる。3 O8マイクロクリンKAlSi3 O8.これらの鉱物はどちらも三斜晶系で、空間群1、単位格子パラメータは類似しており、アルバイトはa = 8.16 Å、b = 12.87 Å、c = 7.11 Å、α = 93.45°、β = 116.4°、γ = 90.28°、微斜長石はa = 8.5784 Å、b = 12.96 Å、c = 7.2112 Å、α = 90.3°、β = 116.05°、γ = 89°である。
同じ組成だが構造が異なる鉱物（多形鉱物）もエピタキシャル関係を持つことがある。例としては、黄鉄鉱と白鉄鉱（どちらもFeS2 ）、閃亜鉛鉱とウルツ鉱（どちらもZnS）などがある。[ 27 ]
構造的にも組成的にも関連性のない鉱物のペアでも、エピタキシーを示すことがある。典型的な例は、ヘマタイトFe 2 O 3上のルチルTiO 2である。[ 27 ] [ 30 ]ルチルは正方晶系で、ヘマタイトは三方晶系である。それでも、ルチルの(100)面 (a軸に垂直) とヘマタイトの(001)面 (c 軸に垂直) の原子間には、同様の間隔の方向が存在する。エピタキシーでは、これらの方向が互いに整列する傾向があり、その結果、ルチルのオーバーグロースの軸がヘマタイトの c 軸に平行になり、ルチルの c 軸がヘマタイトの軸のいずれかに平行になる。[ 27 ]
別の例としては、ヘマタイトFe 3+ 2 Oがあります。3マグネタイトFe 2+Fe 3+ 2 O4.マグネタイトの構造は、 ABC-ABC の順序で積み重なった密充填酸素アニオン(111)(立方体の角を対称的に「切り取る」面) に平行です。ヘマタイトの構造は、AB-AB の順序で積み重なった密充填酸素アニオンに基づいており、その結果、六方対称の結晶になります。 [ 31 ]
カチオンが酸素アニオンの真に密に詰まった構造に収まるほど小さければ、両種の酸素サイト間の間隔は同じになるはずです。しかし、酸素イオンの半径はわずか 1.36 Å [ 32 ]であり、Fe カチオンは、ある程度のばらつきを引き起こすほど大きいのです。Fe の半径は、電荷(2+ または 3+) と配位数(4 または 8)に応じて0.49 Å から 0.92 Å まで変化します[ 33 ] 。それにもかかわらず、O 間隔は 2 つの鉱物で似ているため、ヘマタイトはマグネタイトの(111)面に容易に成長し、ヘマタイト(001)はマグネタイト(111)と平行になります[ 31 ]。
エピタキシーはナノテクノロジーや半導体製造に用いられています。実際、エピタキシーは多くの半導体材料にとって高品質な結晶成長を実現する唯一の手頃な方法です。表面科学では、エピタキシーは走査トンネル顕微鏡を用いて単結晶表面上に吸着した有機分子の単層膜や多層膜を作製・研究するために用いられています。[ 34 ] [ 35 ]
