エピタキシャルとは？初心者向けに解説する基礎知識と身近な例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

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はじめに

エピタキシャルとは、基板の結晶と同じ方向に並ぶ薄膜を、基板の上で成長させる技術のことを指します。薄膜の結晶が基板の結晶とよくそろっているほど電子の動きが安定し、半導体素子の性能を高めることができます。

エピタキシャルの意味と仕組み

エピタキシャルは英語 epitaxy の日本語訳です。基板と同じ結晶の方向に沿って新しい薄膜を積み重ねることで、格子の方向性がそろった高品質な結晶層を作り出します。これにより、欠陥が少なく、電気的な性質が安定します。

同質エピタキシャルと異質エピタキシャル

エピタキシャルには主に2つのタイプがあります。同質エピタキシャル（ホモエピタキシャル）は材料が基板と同じ場合で、例えば Si/Si のように格子定数が近い場合が多く、欠陥が比較的少なくなりやすいです。異質エピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）は材料が異なる場合で、格子定数の差が大きいと欠陥が増えることがありますが、別の材料の性質を薄膜に持たせることができます。例えば GaAs/Si など、用途に応じて材料を組み合わせます。

どうやって作られるのか（成長方法）

エピタキシャル薄膜は、高温・真空に近い環境で成長させることが多いです。薄膜を基板の表面に追加していく際、基板の原子配置に合わせて新しい原子が並ぶように供給します。代表的な成長法には次の2つがあります。分子束外延法（MBE）と化学気相外延法（MOVPE/MOCVD）です。

MBEは真空中で原子レベルの薄膜を少しずつ積み上げていく方法で、原子の配置をとても細かく制御できます。一方、MOVPE/MOCVDはガス状の有機金属化合物を使って化学反応を起こし、薄膜を成長させます。どちらの方法も高品質な結晶薄膜を作るのに適しており、用途に応じて使い分けられます。

実生活での例と応用

エピタキシャルは現代の多くの電子機器の心臓部分で重要な役割を果たしています。半導体チップ、LED、太陽電池、センサーなどの薄膜層を作る際にエピタキシャルが使われています。特に高性能を求められる応用では、結晶の品質が直接性能に影響するため、エピタキシャルの技術が欠かせません。

注意点と限界

エピタキシャルには良い面だけでなく課題もあります。格子定数の差が大きいと欠陥（ひずみや配向の乱れ）が生じやすいため、設計段階で材料の選択と成長条件を慎重に調整します。また、高度な設備が必要でコストが高くなる点も現実的な制約です。

比較表

<th>項目

説明
同質エピタキシャル	基板と材料が同じ。格子整合性が高く欠陥が少なめになることが多い。
異質エピタキシャル	材料が違うため格子定数の差が生じやすいが、異なる特性を薄膜に持たせられる。
主な成長法	MBE（分子束外延法）とMOVPE/MOCVD（化学気相外延法）
用途	半導体チップ、LED、太陽電池、センサーなど

まとめ

エピタキシャルは、基板の結晶と同じ方向に整列した薄膜を作る技術です。同質・異質の区別、MBEとMOVPEの基本、そして半導体やLED・太陽電池といった実際の用途を押さえると、エピタキシャルが現代の電子機器づくりでどれほど重要かがわかります。

エピタキシャルの同意語

エピタキシャル成長: 基板の結晶方向に薄膜を成長させるプロセス。基板と薄膜の格子方位を一致させ、結晶品質の高い薄膜を作ることを目的とする。
エピタキシー: エピタキシャル成長のプロセスそのものを指す日本語。研究分野では“エピタシー”とも言われることがある。
外延成長: 基板表面の上に新しい結晶薄膜を成長させ、基板の格子方向と整列させる成長機構を指す。半導体材料で頻繁に使われる用語。
外延薄膜成長: 外延成長によって得られる薄膜の成長過程を指す表現。
格子整列成長: 薄膜の格子を基板の格子方向に整列させて成長させることを強調する表現。
格子一致成長: 薄膜の格子定数が基板と一致するように成長させることを意味する表現。
結晶方位整列成長: 特定の結晶方位に沿って成長させることを示す表現。
定向成長: 成長の方向性を特定の結晶方位に限定する意味で使われる表現。
基板上外延成長: 基板の上に薄膜を外延的に成長させることを指す表現。
エピタキシャル薄膜: エピタキシャル成長によって得られた薄膜自体を指す表現。
エピタキシャル層: エピタキシャル成長で形成された層を指す表現。

エピタキシャルの対義語・反対語

非エピタキシャル: エピタキシャル（基板の格子配列に沿った結晶成長）ではない状態。基板に沿った秩序ある配向を持たず、非秩序的または他の成長形態を指すことが多い。
アモルファス: 長距離の結晶秩序を欠く非結晶性の構造。エピタキシャルのような格子沿いの配向はなく、無秩序な原子配列になる。
多結晶: 結晶粒が複数存在し、それぞれの結晶方位が揃っていない成長形態。エピタキシャルが通常は単結晶の整列配向を前提とするのに対し対照的。
非単結晶: 材料が単一の結晶方位を持たない状態。エピタキシャル成長の前提となる単一結晶成長とは異なる。
無秩序成長: 成長過程で格子の秩序が形成されず、乱れた配列や非結晶性の構造になる成長形態。