Epitaxiale groei: atoom voor atoom een kristal bouwen
Stel je voor dat je een stapel piepkleine bouwstenen op een bestaand bouwwerk moet plaatsen, en elke nieuwe steen moet exact in het rooster van de onderliggende steen passen: geen kier, geen scheve hoek, geen steen op de verkeerde plek. Dat is in de kern wat epitaxiale groei is: een techniek waarbij onderzoekers een nieuwe kristallaag laten groeien op een bestaand kristal, atoom voor atoom, zodanig dat de nieuwe laag precies het rooster van de onderlaag overneemt.
Deze techniek klinkt exotisch, maar zit in bijna elk elektronisch apparaat dat je aanraakt. De chip in je telefoon, de laser in een glasvezelverbinding en de led-lamp in je woonkamer zijn allemaal opgebouwd uit lagen die via epitaxiale groei zijn aangebracht. Het woord komt uit het Grieks: epi betekent "op" en taxis betekent "ordening" — letterlijk dus "geordend erbovenop".
Wat is het precies?
Alles begint met een substraat: een dun plakje van een zuiver kristal, meestal silicium, galliumarsenide of siliciumcarbide, gepolijst tot atomair vlak. De atomen in dat substraat liggen in een strak, herhalend driedimensionaal patroon, het kristalrooster. Epitaxiale groei voegt daar een nieuwe laag aan toe die dat rooster als het ware kopieert en voortzet.
Dat gebeurt onder extreem gecontroleerde omstandigheden. Bij moleculaire-bundelepitaxie (MBE) verhit men in een ultrahoogvacuümkamer kleine hoeveelheden van het gewenste materiaal tot ze verdampen; de losse atomen vliegen als een dunne bundel door het vacuüm en landen laag voor laag op het substraat. Bij metaal-organische chemische-dampdepositie (MOCVD, ook wel MOVPE genoemd) worden in plaats daarvan gasvormige verbindingen over het hete substraat geleid, die daar uiteenvallen en hun atomen achterlaten. Beide methodes werken met een precisie van enkele atoomlagen tegelijk — een enkele laag kan dunner zijn dan een miljoenste millimeter.
Belangrijk is het onderscheid tussen homo-epitaxie, waarbij de nieuwe laag hetzelfde materiaal is als het substraat (bijvoorbeeld silicium op silicium), en hetero-epitaxie, waarbij een ander materiaal wordt gegroeid, zoals galliumnitride op silicium. Bij hetero-epitaxie moet de roosterafstand van beide materialen goed op elkaar aansluiten; is die roostermismatch te groot, dan ontstaan spanningen en defecten die de laag onbruikbaar maken. Een groot deel van het onderzoek naar epitaxie draait om het slim omzeilen van dat probleem, bijvoorbeeld met tussenlagen die de spanning geleidelijk opvangen.
Wat wil men ermee bereiken?
Met epitaxiale groei kunnen onderzoekers materialen maken met eigenschappen die in de natuur niet spontaan voorkomen. Door tijdens het groeiproces steeds andere elementen toe te voegen, ontstaan haarfijn gelaagde structuren — heterostructuren — waarvan de elektrische en optische eigenschappen op maat zijn ontworpen. Zo bepaalt de precieze samenstelling van een laag welke kleur licht een led uitzendt, of hoe snel elektronen door een transistor bewegen.
Het uiteindelijke doel is vaak prestatie: snellere chips, efficiëntere zonnecellen, zuinigere stroomvoorzieningen en lichtbronnen die minder energie verspillen. Omdat epitaxiale lagen vrijwel defectvrij kunnen zijn, botsen elektronen onderweg minder tegen onzuiverheden, wat processen sneller en energiezuiniger maakt. Voor de halfgeleiderindustrie is dat cruciaal om chips krachtiger te blijven maken, nu de klassieke miniaturisering van transistors tegen natuurkundige grenzen aanloopt.
Daarnaast opent de techniek de deur naar geheel nieuwe toepassingen, zoals kwantumcomputers. Door materialen als indiumarsenide in nauwkeurig gecontroleerde nanodraden te laten groeien, hopen natuurkundigen exotische kwantumtoestanden te creëren die als stabiele bouwsteen voor een kwantumchip kunnen dienen.
Voorbeelden uit de praktijk
Blauwe led (Japan, jaren negentig). De doorbraak die efficiënte witte verlichting mogelijk maakte, kwam er dankzij epitaxiale groei van galliumnitride. Onderzoekers Isamu Akasaki, Hiroshi Amano en Shuji Nakamura vonden manieren om GaN met voldoende kristalkwaliteit te laten groeien op saffiersubstraten, wat hen in 2014 de Nobelprijs voor de Natuurkunde opleverde.
Strained silicon bij Intel (2003). Intel introduceerde in zijn 90-nanometer chipproces een techniek waarbij een dunne siliciumlaag epitaxiaal onder lichte mechanische spanning werd gegroeid op siliciumgermanium. Die spanning laat elektronen sneller door de transistor bewegen, waardoor chips ook zonder verdere verkleining sneller werden.
ASM International (Almere, doorlopend). Dit Nederlandse bedrijf behoort tot de wereldwijde koplopers in apparatuur voor epitaxiale groei en atomaire-laagdepositie voor de chipindustrie. De machines van ASM staan in fabrieken van vrijwel elke grote chipfabrikant en zijn essentieel voor de productie van geavanceerde processoren en geheugenchips.
Majorana-onderzoek bij QuTech, TU Delft (sinds ongeveer 2012). Onderzoeksgroepen rond Leo Kouwenhoven laten indiumarsenide-nanodraden epitaxiaal groeien, vaak direct vergroeid met een supergeleidend metaal, in de zoektocht naar zogeheten Majorana-deeltjes voor foutbestendige kwantumcomputers. Het veld kende in 2021 een tegenslag toen een eerdere, veelbesproken claim uit 2018 werd teruggetrokken na fouten in de data-analyse — een pijnlijk maar leerzaam voorbeeld van hoe lastig en foutgevoelig dit type onderzoek is.
Multi-junction zonnecellen voor de ruimtevaart. Fabrikanten zoals Spectrolab bouwen zonnecellen uit meerdere epitaxiaal gegroeide III-V-halfgeleiderlagen op elkaar, elk afgestemd op een ander deel van het zonnespectrum. Dergelijke cellen, met rendementen boven de 30 procent, drijven onder meer Mars-rovers en satellieten aan, waar gewicht en betrouwbaarheid zwaarder wegen dan kostprijs.
Hoe ver is de techniek?
Voor silicium en de meest gangbare III-V-materialen is epitaxiale groei een volwassen, decennialang beproefde technologie. De eerste vormen werden al in de jaren zestig en zeventig ontwikkeld, onder meer bij Bell Labs in de Verenigde Staten, en sindsdien is de techniek de standaard geworden in vrijwel elke chipfabriek ter wereld. In die zin is epitaxie allang geen laboratoriumcuriositeit meer, maar een onmisbare industriële basistechniek.
Toch verschuift de grens van wat mogelijk is voortdurend. Lastig blijft het combineren van materialen met sterk verschillende roosterafstanden, zoals het groeien van hoogwaardige III-V-lagen direct op goedkoop silicium — een combinatie die de kosten van bijvoorbeeld laserchips voor glasvezelnetwerken drastisch zou kunnen verlagen, maar die nog altijd worstelt met defecten. Ook de epitaxiale groei van tweedimensionale materialen zoals grafeen, en van kristallen voor kwantumtoepassingen, bevindt zich nog grotendeels in een onderzoeksfase met wisselend succes.
Een ander obstakel is schaal: onderzoekslaboratoria kunnen kleine, vrijwel perfecte kristallen groeien, maar het opschalen naar de grote, uniforme wafers die de industrie nodig heeft, blijft technisch en economisch veeleisend. Vooruitgang gaat dan ook meestal stapsgewijs, met geleidelijke verbeteringen in apparatuur, procescontrole en materiaalkennis, eerder dan met plotselinge doorbraken.
Wie werken eraan?
De apparatuur voor epitaxiale groei wordt wereldwijd gedomineerd door een klein aantal gespecialiseerde bedrijven. Naast het Nederlandse ASM International zijn dat onder meer het Amerikaanse Applied Materials, het Duitse Aixtron en het Amerikaanse Veeco Instruments, die machines leveren voor MBE- en MOCVD-processen.
Op onderzoeksgebied speelt het Belgische onderzoekscentrum IMEC in Leuven een centrale rol, met programma's rond onder meer galliumnitride-vermogenselektronica en chipmaterialen voor de volgende generatie. In Nederland doet QuTech in Delft, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, onderzoek naar epitaxiale kristallen voor kwantumtoepassingen. Ook Duitse instituten zoals Fraunhofer werken aan epitaxie voor vermogens- en hoogfrequente elektronica.
Op landenniveau investeren de Verenigde Staten, Japan, Zuid-Korea, Taiwan en de Europese Unie fors in halfgeleidertechnologie, met epitaxie als een van de onderliggende bouwstenen. Ook Nederland is, dankzij bedrijven als ASM en instituten als TU Delft en TNO, internationaal een relevante speler in de toeleveringsketen van de chipindustrie.