Molekularstrahlepitaxie

Molekularstrahlepitaxie (engl. molecular beam epitaxy, MBE) ist ein PVD-Verfahren, um dünne kristalline Schichten herzustellen.

Der Begriff Molekularstrahlepitaxie wird vor allem in der Halbleitertechnik verwendet; das Verfahren wird angewandt um einkristalline Strukturen aus Halbleiterverbindungen wie GaAs, InP, GaInNAs, GaSb auf einem Substrat zu erzeugen.

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Grundlagen

Epitaxie bedeutet, dass die Kristallstruktur der aufwachsenden Schicht sich der des Substrates anpasst, solange die physikalischen Eigenschaften (insbesondere die Gitterparameter) der beiden Substanzen nicht zu stark voneinander abweichen. Man spricht von Homoepitaxie, wenn Substrat und Schicht aus der gleichen Verbindung bestehen, ansonsten von Heteroepitaxie. Bei der Heteroepitaxie kommt es wegen der im Allgemeinen unterschiedlichen Gitterparameter bis zu einer kritischen Schichtdicke zu Verspannungen in der aufgewachsenen Schicht. Wird die kritische Schichtdicke überschritten, entspannt sich die aufgewachsene Schicht durch die Bildung von Versetzungen (Defekte).

MBE setzt Ultrahochvakuum voraus, um Verunreinigungen durch Restgasatome zu vermeiden. Während des Wachstumsprozesses steigt der Druck aber bedingt durch die Effusion in den Hochvakuumbereich. Die Stoffe, aus denen die Schicht bestehen soll, werden in Evaporationstiegeln (Effusionszellen) erhitzt und gelangen als gerichteter Molekularstrahl (ohne Stöße mit dem Hintergrundgas) zum Substrat. Dieses wird ebenfalls geheizt und erlaubt so ein geordnetes Anwachsen der Schicht.

Durch Steuerung der Tiegeltemperaturen und kontrolliertem Öffnen und Blockieren des Molekularstrahls einzelner Quellen können komplizierte Mehrschichtstrukturen mit wechselnden Zusammensetzungen und Dotierungen hergestellt werden. Die Schichtdicken können wenige Atomlagen (also weniger als ein Nanometer) bis Mikrometer betragen.

Der MBE-Prozess kann durch geeignete in-situ Verfahren (RHEED, Ellipsometrie), welche den Wachstumsprozess nicht beeinflussen, kontrolliert und gesteuert werden.

Anwendungen

Die Molekularstrahlepitaxie findet vor allem bei der Herstellung optoelektronischer Bauelemente Verwendung:

• Laserdioden
• dielektrische Spiegel
• Quantenkaskadenlaser

Durch die genaue Schichtdickenkontrolle lassen sich außerdem Strukturen mit sehr kleinen räumlichen Abmessungen verwirklichen. Diese haben neuartige Eigenschaften, die auf Quantenphänomenen basieren. Dabei werden häufig natürliche Rauhigkeiten oder Selbstorganisation innerhalb der Grenzschichten bei Heteroepitaxie ausgenutzt. Besonders die Verspannung epitaktisch gewachsener Heterostrukturen führt zu:

• Quantenpunkte
• Quantendrähte
• Quantentöpfe

In der Grundlagenforschung wird MBE deshalb auch zum Wachstum von verspanntem Si/SiGe eingesetzt. Mit dieser Technologie sollte es in Zukunft möglich sein, sog. HEMTS in Si/SiGe-Technologie (MODFETS genannt) zu realisieren und Kosten durch die Verwendung von Materialien wie z.B. GaAs einzusparen.

Ein spezielles MBE-Verfahren ist die Allotaxie, mit deren Hilfe sich zum Beispiel vergrabene Cobaltdisilizid-Schichten in monokristallinem Silicium herstellen lassen.

Durch Verdampfen können auch wohlgeordnete Schichten organischer Moleküle auf atomar ebenen anorganischen Oberflächen hergestellt werden. Dieses Verfahren wird auch als OMBE (organic molecular beam epitaxy) bezeichnet.

Siehe auch

• Metallorganische Gasphasenepitaxie
• MEE (migration enhanced epitaxy)

Literatur zu Allotaxie

• Siegfried Mantl und Helge L. Bay, New method for epitaxial heterostructure layer growth, Applied Physics Letters - July 20, 1992 - Volume 61, Issue 3, pp. 267-269 [1]