Epitaxie

Als Epitaxie (v. griech. „epi“ - „auf“, „über“ und „taxis“ im Sinne von „ordnen“ bzw. „ausrichten“) wird ein geordnetes Kristallwachstum auf einer Trägerschicht bezeichnet. Die von einem einkristallinen Substrat vorgegebene atomare Ordnung wird auf eine wachsende Schicht übertragen. Abhängig davon, ob Substrat und Schicht aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen, werden auch die Bezeichnungen Homo- beziehungsweise Heteroepitaxie verwendet.

Es gibt unterschiedliche Verfahren der Epitaxie, darunter:

• Flüssigphasenepitaxie (LPE – liquid phase epitaxy)
• Molekularstrahlepitaxie (MBE – molecular beam epitaxy)
• Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE – organometallic vapor phase epitaxy)
• Chemische Gasphasenepitaxie (CVD – chemical vapour deposition; auch VPE – Vapor-Phase-Epitaxie genannt)
• Physikalische Gasphasenepitaxie (PVD)
• Ionenstrahlgestützte Deposition (IBAD)

Eingesetzt werden die Epitaxieverfahren vor allem in der Halbleiterindustrie.

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Epitaxie in der Mikroelektronik

Durch Epitaxie abgeschiedene Silicium-Schichten dienen in der Mikroelektronik als Funktionsbereiche in integrierten Schaltungen. Beim CVD-Verfahren werden bei Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 1200 °C aus gasförmigen Siliciumverbindungen (Silan - SiH₄, Dichlorsilan - SiH₂Cl₂, Trichlorsilan - SiHCl₃) und Wasserstoff feste Siliciumschichten abgeschieden, die auf einkristallinen Siliciumsubstraten ebenfalls einkristallin und mit gleicher Kristallorientierung wie das Substrat aufwachsen. Durch Zugabe einer gasförmigen Borverbindung (Diboran - B₂H₆) können p-leitende Schichten bzw. durch eine Phosphorverbindung (Phosphin - PH₃) oder durch eine Arsenverbindung (Arsin - AsH₃) können n-leitende Siliciumschichten erzeugt werden. Unter Anwendung dieses Verfahrens ist es möglich, hochohmige (also schwach elektrisch leitende) Epitaxieschichten auf niederohmigen Halbleitersubstraten aufzubringen.

Aufwachsraten der Epitaxieschicht

Die Aufwachsraten in einem Barrelreaktor werden durch zwei Faktoren begrenzt. Anhand der Arrheniusdarstellung (die logarithmische Aufwachsrate wird über 1/Temperatur dargestellt) lassen sich zwei Bereiche kennzeichnen:

• der reaktionsratenlimitierte Bereich, in dem zwar genug Atome für die Reaktion an der Oberfläche des Substrats bereit stehen, aber der Prozess des Anlagerns zu langsam läuft. Die Reaktion lässt sich nur durch eine erhöhte Temperatur beschleunigen.
• der transportlimitierte Bereich. Hier kann nicht schnell genug neues Gas an die Reaktionsstelle gelangen.

Wird ein Epitaxiereaktor in dem einen oder in dem anderen Bereich betrieben, verschwendet man entweder Gas oder Energie.

Epitaxie in der Mineralogie

In der Mineralogie bezeichnet der Begriff Epitaxie eine orientierte Verwachsung zweier Minerale. Es kann aber auch eine Verwachsung von ein und demselben Mineral sein (z. B. wie bei der Rutilvarietät Sagenit). Ein klassisches Beispiel für Epitaxie bilden der Schriftgranit (Verwachsung von Quarz und Feldspat, wobei die Quarze an Schrift erinnern) und die Verwachsungen von Rutil und Hämatit.

Siehe auch

• Allotaxie