外延 (晶体)

外延（晶体）是指一种晶体生长或材料沉积，其中形成新的结晶层，相对于结晶种子层具有一个或多个明确定义的方向。 沉积的结晶膜称为外延膜或外延层。 外延层相对于种子层的相对取向根据每种材料的晶格取向来定义。 对于大多数外延生长，新层通常是结晶的，并且覆盖层的每个结晶域必须具有相对于衬底晶体结构的明确定义的方向。 外延（晶体）可以涉及单晶结构，尽管在颗粒薄膜中观察到了晶粒到晶粒的外延。 对于大多数技术应用，首选单畴外延，这是一种相对于衬底晶体具有明确定义方向的覆盖层晶体的生长。 外延（晶体）在生长超晶格结构时也可以发挥重要作用。

术语外延来自希腊词根 epi (ἐπί)，意思是在上面，和 taxis (τìξις)，意思是有序的方式。

外延生长的主要商业应用之一是在半导体工业中，其中半导体薄膜在半导体衬底晶片上外延生长。 对于在衬底晶圆顶部外延生长平面薄膜的情况，外延膜的晶格将具有相对于衬底晶圆晶格的特定取向，例如薄膜的 [001] 米勒指数与 底物的[001]指数。 在最简单的情况下，外延层可以是与衬底完全相同的半导体化合物的延续； 这被称为同质外延。 否则，外延层将由不同的化合物组成； 这被称为异质外延。

同质外延是一种仅使用一种材料进行的外延，在同种材料的衬底或薄膜上生长结晶薄膜。 该技术通常用于生长比衬底更纯净的薄膜，并制造具有不同掺杂水平的层。 在学术文献中，homoepitaxy 通常缩写为 homoepi。

同质外延是一种与同质外延类似的工艺，只是薄膜生长不限于二维生长。 这里的基板是薄膜材料。

异质外延是一种使用彼此不同的材料进行的外延。 在异质外延中，晶体薄膜生长在晶体衬底或不同材料的薄膜上。 该技术通常用于生长无法通过其他方式获得晶体的材料的晶体薄膜，以及制造不同材料的集成晶体层。 示例包括蓝宝石上的硅、蓝宝石上的氮化镓 (GaN)、砷化镓 (GaAs) 或金刚石或铱上的磷化铝镓铟 (AlGaInP)，以及六方氮化硼 (hBN) 上的石墨烯。

当生长与衬底具有不同成分和/或晶体结构的薄膜时，就会发生异质外延。 在这种情况下，薄膜中的应变量由晶格失配 ° 决定：

ε = a f − a s a f {displaystyle varepsilon ={frac {a_{f}-a_{s}}{a_{f}}}}

其中 a f {displaystyle a_{f}} 和 a s {displaystyle a_{s}} 是薄膜和基板的晶格常数。 薄膜和基板可以具有相似的晶格间距，但也可以具有非常不同的热膨胀系数。 如果薄膜随后在高温下生长，那么它会在冷却至室温时经历大应变。 实际上，ε＜； 9 % {displaystyle varepsilon <9%} 是获得外延所必需的。 如果 ε {displaystyle varepsilon } 大于此值，则薄膜会经历体积应变，该应变会随着每一层而增加，直至达到临界厚度。 随着厚度的增加，薄膜中的弹性应变通过位错的形成而得到缓解，位错可以成为破坏结构质量的散射中心。 由于变形引起的额外能量，异质外延通常用于创建所谓的带隙系统。 具有巨大微电子应用潜力的非常流行的系统是 Si-Ge。

异质外延是一种类似于异质外延的工艺，只是薄膜生长不限于二维生长； 基板仅在结构上与薄膜材料相似。

悬臂外延是异质外延薄膜同时垂直和横向生长的过程。在二维晶体异质结构中，嵌入六方氮化硼中的石墨烯纳米带就是悬臂外延的一个例子。

晶粒间外延涉及多晶外延晶粒与种子层之间的外延生长。 当种子层只有平面外纹理而没有平面内纹理时，通常会发生这种情况。