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Molekularstrahlepitaxie

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

Meist handelt es sich dabei um einkristalline Strukturen aus Halbleiterverbindungen wie GaAs, InP, GaInNAs, GaSb, oder ähnlichem, die epitaktisch auf einem Substrat aufwachsen. Epitaxie bedeutet dabei, dass die Kristallstruktur der aufwachsenden Schicht sich der des Substrates anpasst, solange die physikalischen Eigenschaften der beiden Substanzen nicht zu stark voneinander abweichen (man spricht von Homoepitaxie, wenn Substrat und Schicht aus der gleichen Verbindung bestehen, ansonsten von Heteroepitaxie).

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 Nanometer bis Mikrometer betragen.

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.

• Quantenpunkte
• Quantendrähte
• Quantentöpfe

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

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

Siehe auch

• Metallorganische Gasphasenepitaxie

Weblinks

• epitaxy.net: ein zentrales, nicht-kommerzielles Forum rund um die Epitaxie, u.a. mit einer umfangreichen Linkliste und einer Weltkarte mit Standorten von Epitaxieanlagen.

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]