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Epitaxie von altgriechisch ἐπί epí auf über und τάξις taxis Ordnung Ausrichtung ist eine Form des Kristallwachstums welc

Epitaxie

Epitaxie (von altgriechisch ἐπί epí „auf, über“ und τάξις taxis, „Ordnung, Ausrichtung“) ist eine Form des Kristallwachstums, welche beim Aufwachsen von Kristallen auf kristallinen Substraten auftreten kann. Man spricht von Epitaxie, wenn mindestens eine kristallographische Orientierung des wachsenden Kristalls (der wachsenden Kristalle) einer Orientierung des kristallinen Substrates entspricht.

In natürlichen Prozessen funktioniert Epitaxie so, dass mehrere kleine Kristalle in räumlicher Entfernung voneinander auf einem großen Kristall aufwachsen. In technischen Prozessen sind die aufwachsenden Kristalle meist nicht räumlich voneinander getrennt, sondern bilden eine ununterbrochene Schicht. Abhängig davon, ob Substrat und aufwachsende Kristalle bzw. Schicht aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen, werden auch die Bezeichnungen Homo- beziehungsweise Heteroepitaxie verwendet.

Epitaxie in der Natur Bearbeiten

In der Natur tritt Epitaxie als orientierte Verwachsung zweier Minerale auf. Es kann aber auch eine Verwachsung von ein und demselben Mineral sein (z. B. wie bei der Rutilvarietät Sagenit). Klassische Beispiele für Epitaxie bilden der Schriftgranit (Verwachsung von Quarz und Feldspat, wobei die Quarze an Schrift erinnern), die Verwachsungen von Rutil und Hämatit sowie die sternförmige Verwachsung von tetragonal-pyramidablem Cumengeit und würfeligem Boleit.

Epitaxie in der Technik Bearbeiten

Heteroepitaxie: Modell einer epitaktischen Schicht ("Layer", rote Atome) auf einem kristallinen Substrat ("Substrate", blau) mit kleinerem Atomabstand a

In der Technik findet die Epitaxie vor allem in der Mikroelektronik bzw. der Halbleitertechnik Verwendung. Durch epitaktisches Aufwachsen unterschiedlicher Halbleiterschichten werden in elektronischen (Transistoren, Dioden) und optoelektronischen (LEDs, Laser, Photodetektoren) Bauelementen Ladungsträger des elektrischen Stroms sowie Licht gezielt geführt.

Homo- und Heteroepitaxie Bearbeiten

Homoepitaxie bezeichnet das Aufwachsen einer kristallinen Schicht auf einem kristallinen Substrat des gleichen Materials. Diese Technik wird genutzt, um Schichten mit einem höheren Reinheitsgrad herzustellen als bei Volumenkristallen des Substratmaterials möglich ist: Epitaxie-Schichten sind generell weitaus reiner als übliche Czochralski- oder Bridgman-Substrate. Eine weitere Anwendung ist die Herstellung gewünschter Profile der Dotierung.

Ein Beispiel für homoepitaktische Schichten sind einkristalline Siliciumschichten auf einem Siliciumsubstrat, eingesetzt z. B. beim Epitaxialtransistor (1960). Auf diese Weise lassen sich spezielle Dotierprofile für Transistoren herstellen, beispielsweise ein abrupter Übergang in der Dotierstoffkonzentration, der mit üblichen Verfahren wie Diffusion und Ionenimplantation nicht möglich ist.

Heteroepitaxie bezeichnet das Aufwachsen eines kristallinen Materials auf einem Substrat eines anderen kristallinen Materials. Dieses in der Halbleiterindustrie verbreitete Verfahren wird eingesetzt, um in Bauelementen Barrieren für die Kontrolle von elektrischen Ladungsträgern und von Licht herzustellen. Es wird auch genutzt, wenn Volumenkristalle des Schichtmaterials nicht (mit hinreichender Qualität) für Substratanwendungen herstellbar sind.

Beispiele für Heteroepitaxie, also das Aufwachsen einer Schicht, deren Material sich vom Substrat unterscheidet, sind Galliumnitrid (GaN) oder Silicium (Si) auf Saphirsubstraten (Al2O3) oder GaAs1−xPx-Schichten auf GaAs, beispielsweise leitfähige Schichten auf SOI-Substraten. Die entstehenden Schichten sind einkristallin, aber weisen ein Kristallgitter auf, das sich vom Substrat unterscheidet.

In der Heteroepitaxie haben die Atome im Substrat und die in der Schicht unterschiedliche Abstände voneinander aufgrund verschiedener chemischer Bindungen in diesen Materialien. Da an der Grenzfläche der laterale Atomabstand des Substrats der Schicht aufgeprägt wird (Bild Heteroepitaxie), wird die kristalline Anordnung der Atome in der Schicht etwas verzerrt. Die Verzerrung folgt aus der Differenz der unverzerrten Atomabstände in Schicht und Substrat:

Hier bezeichnen und die Gitterkonstanten der Kristalle von Substrat und Schicht. Für epitaktisches Wachstum darf einen Grenzwert von wenigen Prozent nicht überschreiten. Oberhalb dieses (materialabhängigen) Wertes wird die Verzerrung in der Schicht durch den Einbau von Gitterfehlern (Versetzungen) reduziert. Diese beeinträchtigen als Streuzentren für Ladungsträger die Funktion von (opto-)elektronischen Bauelementen und müssen daher vermieden werden. Sehr dünne Schichten (Bereich 100 nm) sind anpassungsfähiger: die kritische Schichtdicke ist etwa umgekehrt proportional zur Verzerrung .

Epitaxieverfahren Bearbeiten

Es gibt unterschiedliche technische Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten oder Kristalle:

Beispiel: chemische Gasphasenepitaxie von Siliciumschichten Bearbeiten

Die Herstellung von einkristallinen Siliciumschichten auf Siliciumsubstraten kann mithilfe der chemischen Gasphasenepitaxie erfolgen. Das Substrat wird in einer Vakuumkammer auf Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 1200 °C erhitzt. Für die Abscheidung werden gasförmige Siliciumverbindungen (wie Silan, Dichlorsilan oder Trichlorsilan) in Verbindung mit Wasserstoff eingebracht, die sich in Substratnähe thermisch zersetzen. Die „frei gewordenen“ Siliciumatome lagern sich zufällig verteilt auf der Substratoberfläche an und bilden Kristallisationskeime. An diesen Keimen findet anschließend das weitere Schichtwachstum statt. Aus energetischen Gründen findet das Wachsen in lateraler Richtung statt, bis die Ebene vollständig aufgefüllt ist, erst danach beginnt das Wachstum in der nächsten Ebene. Durch Zugabe einer gasförmigen Borverbindung (Diboran) können p-leitende Schichten bzw. durch eine Phosphorverbindung (Phosphin) oder durch eine Arsenverbindung (Arsin) n-leitende Siliciumschichten erzeugt werden.

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

  • der reaktionsratenlimitierte Bereich, in dem zwar genug Atome für die Reaktion an der Oberfläche des Substrats bereitstehen, aber der Adsorptionsprozess zu langsam läuft, weil die Desorption des Wasserstoffs von der Siliciumoberfläche der begrenzende Prozess ist. Die Reaktion lässt sich durch eine erhöhte Temperatur beschleunigen, der Anstieg der Arrhenius-Kurve ist linear und steiler als im transportlimitierten Bereich.
  • der transportlimitierte Bereich (bei höheren Temperaturen). Hier können nicht schnell genug neue Gasatome an die Reaktionsstelle diffundieren, die Gasdiffusion ist der begrenzende Prozess. Die Arrhenius-Kurve ist linear und relativ flach, das heißt, die Wachstumsrate ist nur schwach temperaturabhängig. Dadurch ist der Schichtwachstumsprozess relativ robust gegenüber Schwankungen der Substratoberflächentemperatur.

Siehe auch Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Commons: Epitaxie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Udo W. Pohl, Epitaxy of Semiconductors, Physics and Fabrication of Heterostructures, Springer Nature Switzerland AG, Cham, Switzerland, 2020, ISBN 978-3-030-43868-5.
  2. Anthony C. Jones, Paul O’Brien: CVD of Compound Semiconductors: Precursor Synthesis, Development and Applications. John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-61462-2, Abschnitt 1.8.3 Basic Principles of MOVPE, CBE, ALE.
  3. Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie. Vieweg+Teubner Verlag, 2004, ISBN 978-3-519-30149-3, S. 120.
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Epitaxie von altgriechisch ἐpi epi auf uber und ta3is taxis Ordnung Ausrichtung ist eine Form des Kristallwachstums welche beim Aufwachsen von Kristallen auf kristallinen Substraten auftreten kann Man spricht von Epitaxie wenn mindestens eine kristallographische Orientierung des wachsenden Kristalls der wachsenden Kristalle einer Orientierung des kristallinen Substrates entspricht In naturlichen Prozessen funktioniert Epitaxie so dass mehrere kleine Kristalle in raumlicher Entfernung voneinander auf einem grossen Kristall aufwachsen In technischen Prozessen sind die aufwachsenden Kristalle meist nicht raumlich voneinander getrennt sondern bilden eine ununterbrochene Schicht Abhangig davon ob Substrat und aufwachsende Kristalle bzw Schicht aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen werden auch die Bezeichnungen Homo beziehungsweise Heteroepitaxie verwendet Inhaltsverzeichnis 1 Epitaxie in der Natur 2 Epitaxie in der Technik 2 1 Homo und Heteroepitaxie 2 2 Epitaxieverfahren 2 3 Beispiel chemische Gasphasenepitaxie von Siliciumschichten 3 Siehe auch 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseEpitaxie in der Natur BearbeitenIn der Natur tritt Epitaxie als orientierte Verwachsung zweier Minerale auf Es kann aber auch eine Verwachsung von ein und demselben Mineral sein z B wie bei der Rutilvarietat Sagenit Klassische Beispiele fur Epitaxie bilden der Schriftgranit Verwachsung von Quarz und Feldspat wobei die Quarze an Schrift erinnern die Verwachsungen von Rutil und Hamatit sowie die sternformige Verwachsung von tetragonal pyramidablem Cumengeit und wurfeligem Boleit nbsp Typische Form einer epitaktischen Verwachsung von Cumengeit tetragonale Pyramiden auf Boleit Wurfeln nbsp Epitaktische Verwachsung von Nephelin auf Hamatit nbsp Sternformige Epitaxie von Rutil auf Hamatit nbsp Epitaktische Verwachsung zweier Generationen Galenitkristalle bilden ein Fischgratmuster Epitaxie in der Technik Bearbeiten nbsp Heteroepitaxie Modell einer epitaktischen Schicht Layer rote Atome auf einem kristallinen Substrat Substrate blau mit kleinerem Atomabstand aIn der Technik findet die Epitaxie vor allem in der Mikroelektronik bzw der Halbleitertechnik Verwendung 1 Durch epitaktisches Aufwachsen unterschiedlicher Halbleiterschichten werden in elektronischen Transistoren Dioden und optoelektronischen LEDs Laser Photodetektoren Bauelementen Ladungstrager des elektrischen Stroms sowie Licht gezielt gefuhrt Homo und Heteroepitaxie Bearbeiten Homoepitaxie bezeichnet das Aufwachsen einer kristallinen Schicht auf einem kristallinen Substrat des gleichen Materials Diese Technik wird genutzt um Schichten mit einem hoheren Reinheitsgrad herzustellen als bei Volumenkristallen des Substratmaterials moglich ist Epitaxie Schichten sind generell weitaus reiner als ubliche Czochralski oder Bridgman Substrate Eine weitere Anwendung ist die Herstellung gewunschter Profile der Dotierung Ein Beispiel fur homoepitaktische Schichten sind einkristalline Siliciumschichten auf einem Siliciumsubstrat eingesetzt z B beim Epitaxialtransistor 1960 Auf diese Weise lassen sich spezielle Dotierprofile fur Transistoren herstellen beispielsweise ein abrupter Ubergang in der Dotierstoffkonzentration der mit ublichen Verfahren wie Diffusion und Ionenimplantation nicht moglich ist Heteroepitaxie bezeichnet das Aufwachsen eines kristallinen Materials auf einem Substrat eines anderen kristallinen Materials Dieses in der Halbleiterindustrie verbreitete Verfahren wird eingesetzt um in Bauelementen Barrieren fur die Kontrolle von elektrischen Ladungstragern und von Licht herzustellen Es wird auch genutzt wenn Volumenkristalle des Schichtmaterials nicht mit hinreichender Qualitat fur Substratanwendungen herstellbar sind Beispiele fur Heteroepitaxie also das Aufwachsen einer Schicht deren Material sich vom Substrat unterscheidet sind Galliumnitrid GaN oder Silicium Si auf Saphirsubstraten Al2O3 oder GaAs1 xPx Schichten auf GaAs beispielsweise leitfahige Schichten auf SOI Substraten Die entstehenden Schichten sind einkristallin aber weisen ein Kristallgitter auf das sich vom Substrat unterscheidet In der Heteroepitaxie haben die Atome im Substrat und die in der Schicht unterschiedliche Abstande voneinander aufgrund verschiedener chemischer Bindungen in diesen Materialien Da an der Grenzflache der laterale Atomabstand des Substrats der Schicht aufgepragt wird Bild Heteroepitaxie wird die kristalline Anordnung der Atome in der Schicht etwas verzerrt Die Verzerrung e displaystyle varepsilon nbsp folgt aus der Differenz der unverzerrten Atomabstande in Schicht und Substrat e a S u b s t r a t a S c h i c h t a S c h i c h t displaystyle varepsilon frac textstyle a mathrm Substrat a mathrm Schicht a mathrm Schicht nbsp Hier bezeichnen a S u b s t r a t displaystyle a mathrm Substrat nbsp und a S c h i c h t displaystyle a mathrm Schicht nbsp die Gitterkonstanten der Kristalle von Substrat und Schicht Fur epitaktisches Wachstum darf e displaystyle varepsilon nbsp einen Grenzwert von wenigen Prozent nicht uberschreiten Oberhalb dieses materialabhangigen Wertes wird die Verzerrung in der Schicht durch den Einbau von Gitterfehlern Versetzungen reduziert Diese beeintrachtigen als Streuzentren fur Ladungstrager die Funktion von opto elektronischen Bauelementen und mussen daher vermieden werden Sehr dunne Schichten Bereich 100 nm sind anpassungsfahiger die kritische Schichtdicke ist etwa umgekehrt proportional zur Verzerrung e displaystyle varepsilon nbsp Epitaxieverfahren Bearbeiten Es gibt unterschiedliche technische Verfahren zur Herstellung epitaktischer Schichten oder Kristalle Flussigphasenepitaxie liquid phase epitaxy LPE Spezielle Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung chemical vapour deposition CVD Chemische Gasphasenepitaxie vapor phase epitaxy VPE Hydridgasphasenepitaxie hydrid vapor phase epitaxy HVPE Metallorganische Gasphasenepitaxie metal organic vapor phase epitaxy MOVPE Atomlagenepitaxie atomic layer epitaxy ALE Spezielle Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung physical vapour deposition PVD Laserstrahlverdampfen pulsed laser deposition PLD Molekularstrahlepitaxie molecular beam epitaxy MBE Ionenstrahlgestutzte Deposition ion beam assisted deposition IBAD Mischformen 2 chemical beam epitaxy CBE metal organic molecular beam epitaxy MOMBE gas source molecular beam epitaxy GSMBE Beispiel chemische Gasphasenepitaxie von Siliciumschichten Bearbeiten Die Herstellung von einkristallinen Siliciumschichten auf Siliciumsubstraten kann mithilfe der chemischen Gasphasenepitaxie erfolgen Das Substrat wird in einer Vakuumkammer auf Temperaturen im Bereich von 600 C bis 1200 C erhitzt Fur die Abscheidung werden gasformige Siliciumverbindungen wie Silan Dichlorsilan oder Trichlorsilan in Verbindung mit Wasserstoff eingebracht die sich in Substratnahe thermisch zersetzen Die frei gewordenen Siliciumatome lagern sich zufallig verteilt auf der Substratoberflache an und bilden Kristallisationskeime An diesen Keimen findet anschliessend das weitere Schichtwachstum statt Aus energetischen Grunden findet das Wachsen in lateraler Richtung statt bis die Ebene vollstandig aufgefullt ist erst danach beginnt das Wachstum in der nachsten Ebene 3 Durch Zugabe einer gasformigen Borverbindung Diboran konnen p leitende Schichten bzw durch eine Phosphorverbindung Phosphin oder durch eine Arsenverbindung Arsin n leitende Siliciumschichten erzeugt werden Die Aufwachsraten in einem Epitaxiereaktor werden durch zwei Faktoren begrenzt Anhand der Arrheniusdarstellung die logarithmische Aufwachsrate wird uber 1 absolute Temperatur dargestellt lassen sich zwei Bereiche kennzeichnen der reaktionsratenlimitierte Bereich in dem zwar genug Atome fur die Reaktion an der Oberflache des Substrats bereitstehen aber der Adsorptionsprozess zu langsam lauft weil die Desorption des Wasserstoffs von der Siliciumoberflache der begrenzende Prozess ist Die Reaktion lasst sich durch eine erhohte Temperatur beschleunigen der Anstieg der Arrhenius Kurve ist linear und steiler als im transportlimitierten Bereich der transportlimitierte Bereich bei hoheren Temperaturen Hier konnen nicht schnell genug neue Gasatome an die Reaktionsstelle diffundieren die Gasdiffusion ist der begrenzende Prozess Die Arrhenius Kurve ist linear und relativ flach das heisst die Wachstumsrate ist nur schwach temperaturabhangig Dadurch ist der Schichtwachstumsprozess relativ robust gegenuber Schwankungen der Substratoberflachentemperatur Siehe auch BearbeitenAllotaxie SchichtwachstumWeblinks Bearbeiten nbsp Commons Epitaxie Sammlung von Bildern Videos und AudiodateienEinzelnachweise Bearbeiten Udo W Pohl Epitaxy of Semiconductors Physics and Fabrication of Heterostructures Springer Nature Switzerland AG Cham Switzerland 2020 ISBN 978 3 030 43868 5 Anthony C Jones Paul O Brien CVD of Compound Semiconductors Precursor Synthesis Development and Applications John Wiley amp Sons 2008 ISBN 978 3 527 61462 2 Abschnitt 1 8 3 Basic Principles of MOVPE CBE ALE Ulrich Hilleringmann Silizium Halbleitertechnologie Vieweg Teubner Verlag 2004 ISBN 978 3 519 30149 3 S 120 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Epitaxie amp oldid 236327833