4.4. Отримання кристалів з газової фази

Вирощування кристалів з газової фази, як і вирощування з рідких розчинів, можна проводити при порівняно низьких температурах, що важливо при отриманні монокристалів з'єднань, які є тугоплавкими, плавляться інконгруентно або зазнають поліморфні перетворення. До переваг газофазних методів також відноситься можливість використання газоподібних компонентів або сполук для їх доставки до місця росту кристалу.

Метод сублімації-конденсації застосовується при отриманні монокристалічних діелектриків і напівпровідників, що мають високий тиск парів над розплавом, або в разі високої реакційної здатності речовини. У цих випадках вирощування проводиться в замкнених або проточних системах. Процес здійснюється сублімацією простої речовини або стійкого з'єднання і конденсації його пара на поверхні, що має більш низьку температуру. Для легколетких речовин цей метод використовується також як спосіб очищення. Залежно від газового середовища масоперенос в замкнутих системах здійснюється молекулярними пучками (в вакуумі), молекулярною або конвективною дифузією. При вирощуванні кристалів в проточних системах пари вихідної речовини переносяться в зону кристалізації потоком благородного газу. Газофазні методи отримання монокристалів в основному застосовуються для отримання тонких монокристалічних шарів. Це звичайно пов'язано з малими швидкостями монокристалічного росту і труднощами управління процесом.

4.5. Епітаксія Для вирощуванні тонких кристалографічно орієнтованих шарів

монокристалів (плівок) на підкладках застосовуються епітаксіальні методи. Епітаксія - процес орієнтованого наростання, коли утворювана нова фаза закономірно продовжує кристалічну решітку фази-підкладки. Епітаксія можлива з будь-якої фази: газової, рідкої або твердої, але переважно використовуються методи газо-й рідиннофазної епітаксії. Вони застосовуються в технології виробництва мікроелектронних напівпровідникових та оптоелектронних приладів для отримання плівок і багатошарових структур. В даний час методами епітаксії отримують шари елементарних напівпровідників і напівпровідникових сполук, гранатів, ортоферитів та інших матеріалів.

Властивості епітаксійних шарів багато в чому визначаються умовами сполучення кристалічних граток шару, що зростає й підкладки, тобто структурою перехідного епітаксіального шару. Найлегше сполучаються речовини, кристалічні структури яких однакові або близькі. Епітаксія легко здійснюється, якщо різниця сталих кристалічних решіток становить не більше 10%. В цьому випадку перехідний епітаксійний шар має псевдоаморфну структуру. При великих розбіжностях сталих решіток сполучаються найбільш щільно упаковані площини.

4.5.1. Газофазна епітаксія

Методи газофазної епітаксії можна поділити на хімічні та фізичні - за наявністю або відсутністю хімічних реакцій в газовій фазі.

Хімічні методи газофазной епітаксії засновані на осадженні з газової фази речовини, отриманї в результаті хімічної реакції.

Метод хімічного осадження тонких плівок здійснюється при напуску в робочу камеру суміші газів, яка містить компоненти одержуваної плівки. Головними перевагами методу є широкий діапазон швидкостей осадження та можливість отримання заданої кристалічної структури плівки (аж до монокристалів), а недоліком - використання токсичних газових сумішей.

Реактивне катодне розпилювання відбувається в тліючому розряді суміші інертного та активного газів. Частинки розпилюваного катода хімічно взаємодіють з активним газом і утворюють нову речовину плівки. Для отримання плівок оксидів розпилювання проводять в плазмі аргон-кисень, нітридів - в плазмі аргон-азот, карбідів  в плазмі аргон-чадний газ або аргон-метан. При введенні в камеру різних активних газів, отримують плівки різних сполук. Можна також керувати деякими властивостями плівок, наприклад, питомим опором. Реактивне розпилювання широко використовується для формування високоомних резисторів. Даним способом вирощуються плівки нітриду кремнію Si₃N₄, часто використовуваного як ізолятор і хімічний бар'єр при виробництві інтегральних мікросхем. Головною технічною трудністю при реактивному розпилюванні є дозування активного газу, що подається в вакуумну камеру.

До фізичних методів відносять методи термічного осадження з молекулярних пучків у вакуумі, миттєвого випаровування «гарячої стінки»,

а також методи катодного розпилювання та осадження.

За методом термічного осадження з молекулярних пучків речовину, що випаровується, нагрівають до необхідної температури (вище або нижче температури плавлення речовини залежно від тиску пари в точці плавлення) в надвисокому вакуумі (≤1,3-10-8 Па), а потім пари конденсуються на відносно холодній підкладці з певною швидкістю, що допускає зростання монокристалічного шару. Найбільш досконалим вважається електроннопроменевий спосіб нагріву, від чого такий метод отримав назву молекулярно-променевої епітаксії. Цей метод дозволяє в процесі осадження контролювати структуру і стан поверхні підкладки, регулювати щільність молекулярного потоку (швидкість росту кристала), за допомогою маски виконувати локальну кристалізацію, отримувати різкі між шарові межі, вирощувати надтонкі (1-10 нм) епітаксіальні шари напівпровідників, діелектриків і металів , створювати надрешітки  послідовність великого числа шарів різного складу товщиною 5-10 нм, що чергуються, здійснювати багатошарову забудову решітки. На основі плівок, отриманих методом молекулярно-променевої епітаксії, створюють оптоелектронні інтегральні схеми, надшвидкодіючі великі інтегральні схеми, фотоприймачі і лазери на гетероструктурах та ін.

У методі миттєвого випаровування, на відміну від методу молекулярних пучків, вихідна речовина безперервно і рівномірно надходить у випарник. Між речовиною, що випаровується і газової фазою підтримується термодинамічна рівновага. Цей метод використовують для отримання епітаксійних шарів матеріалів, компоненти яких мають дуже різні величини тиску парів (наприклад, GaP, GaAlAs, GaAsP).

У методі катодного розпилювання використовується розпилювання вихідної твердої речовини за допомогою тліючого розряду. Процес йде в середовищі благородного газу при тисках 0,133-13,3 Па і нижчій, ніж в методі термічного випаровування, температурі епітаксіального зростання.

Метод катодного осадження поєднує в собі метод катодного розпилювання і метод молекулярних пучків. Вихідна речовина випаровується термічним шляхом, а підкладка служить негативним електродом і розташовується в зоні плазми, підтримуваної постійним струмом або високочастотним розрядом. В результаті атоми речовини , що іонізуються в плазмовому просторі, осідають на підкладку. Метод осадження з іонізованих пучків дозволяє отримувати епітаксіальні шари, леговані леткими домішками при порівняно низьких температурах.

Широкий розвиток отримав метод газофазной епітаксії з металоорганічних сполук, яким, наприклад, отримують монокристалічні шари сполук A^IIIB^V.