Epitaxie und 3 wichtige Verfahren zur Herstellung von Heterostrukturen
Das Wort "Epitaxie" kommt aus dem Griechischen und bedeutet: "auf etwas anordnen". Bei Epitaxie werden also Atome auf ein Substrat angeordnet (auf seine Oberfläche), welches eine (meistens einkristalline) Kristallstruktur besitzt. Atome, die auf das Substrat gebracht werden, ordnen sich nach der Kristallstruktur des Substrats.
Durch Epitaxie gewonnene Strukturen (z.B. Halbleiter GaAs) werden in LED's, Solarzellen und Laserdioden verwendet.
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Homoepitaxie - ist, wenn die auf das Substrat aufgetragenen Atomschichten aus gleichen Atomen bestehen wie das Substrat selbst.
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Heteroepitaxie - ist, wenn die auf das Substrat aufgetragenen Atomschichten aus unterschiedlichen Atomen bestehen als das Substrat.
Welche Wachstumsmodelle gibt es?
Die Wachstumsmodelle beschreiben theoretisch, wie sich die Atome am Substrat anlagern. Dabei gibt es drei folgende wichtige Wachstumsmodelle, klassifiziert nach der Bindung zwischen Schichtatom und Substrat.
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Volmer-Weber-Wachstum: Hier ist die Bindung zwischen den Atomen der Schicht größer als die Bindung zum Substrat. Dadurch bilden sich (dreidimensionale) Inseln auf dem Substrat aus.
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Frank-van-der-Merve-Wachstum: Hier ist die Bindung zwischen den Schichtatomen untereinander schlechter als zwischen Substrat und Schichtatom, was zur Bildung von Monolagen führt.
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Stranski-Krastanov-Wachstum: Am Anfang ist die Bindung zwischen Schichtatomen zum Substrat größer als die Bindung zwischen den Schichtatomen untereinander, weshalb sich zuerst ein paar Monolagen auf dem Substrat ausbilden. Nach einigen Monolagen überwiegt die Bindung zwischen den einzelnen Schichtatomen, sodass danach eher (dreidimensionale) Inseln entstehen. Auf diese Weise können einzelne Quantenpunkte (quantum dots) hergestellt werden.
Es gibt drei wichtige Verfahren zur Herstellung epitaktisch aufgewachsener Strukturen. Sie unterscheiden sich nicht nur in der Vorgehensweise, sondern auch in der Wachstumsrate (wie schnell Strukturen entstehen), in den Produktionskosten etc.
Verfahren #1: Molekularstrahlepitaxie (MBE)
Bei diesem Verfahren werden in den Effusionszellen die Materialien (für die Schichten) verdampft. Durch eine sehr kleine Öffnung in der Effusionszelle treten einzelne Atome aus und landen auf dem Substrat. Durch die Shutter vor den Effusionszellen können einzelne Atomstrahlen unterbunden werden, sodass dadurch Materialschichten variiert werden können. Nebenbei wird das Substrat beheizt, um eine bessere Diffusion (Verteilung) auf dem Substrat zu gewährleisten.
Vorteile des Verfahrens:
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Temperatur zur Beheizung des Substrats kann unabhängig von der Temperatur in den Effusionszellen eingestellt werden. Dadurch ist das Aufwachsen bei niedrigeren Temperaturen möglich, was zur besseren Kontrolle des Wachstums führt. Außerdem können dadurch dünnere Schichten aufgewachsen werden.
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In den Effusionszellen können fast alle Materialien verdampft werden, d.h. mehr Materialkombinationen sind möglich.
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Da das Wachstum relativ langsam abläuft, kann es mittels Elektronenmikroskopie live begutachtet werden.
Nachteile des Verfahrens:
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Die Größe des Substrats ist auf ein Dutzend Zentimeter eingeschränkt, weil die Atomstrahlen aus den Effusionszellen bei größeren Substraten nicht mehr so gerichtet werden können, dass sie gleichmäßig auf das Substrat fallen.
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Schwankende Wachstumsraten, wenn die Gasmenge in den Effusionszellen kleiner wird.
Verfahren #2: Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD)
Ein Trägergas, bestehend aus Atomen, die am Substrat andocken sollen und in Verbindung mit organischen Stoffen sind, strömt in eine Reaktionskammer laminar (ohne Turbulenzen) ein. Zum Beispiel geht Galium (Ga) eine Verbindung mit drei \(\text{CH}_3\)-Molekülen ein und Arsen (As) mit einem \(\text{H}_3\)-Molekül. Die Moleküle werden also in die Reaktionskammer geblasen, in der ein Vakuum (\(0.1\, \mathrm{bar}\) bis \(1 \, \mathrm{bar}\)) herrscht. Dieses wird beheizt, damit die einströmenden Moleküle zum Substrat diffundieren und dort - aufgrund hoher Temperatur - zerfallen. Während Galium und Arsen auf dem Substrat anlagern, werden die Restgase (organische Verbindungen) aus der Reaktionskammer entfernt.
Die Wachstumsrate ist abhängig von der Temperatur des Substrats. Bei niedrigen Temperaturen verläuft die chemische Reaktion (Zersetzung) langsam, obwohl genügend Moleküle an der Substratoberfläche vorhanden sind. Bei höheren Temperaturen zersetzen fast alle Moleküle am Substrat, jedoch ist ihre Menge AM Substrat durch die Diffusion zur Substratoberfläche beschränkt. In diesem Temperaturbereich ist die Wachstumsrate unabhängig von der Temperatur. Bei zu hohen Temperaturen lösen sich die Atome vom Substrat ab (Desorption), was wiederum zur Senkung der Wachstumsrate führt.
Vorteile des Verfahrens:
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Massenproduktion möglich, da die Größe der Reaktionskammer theoretisch unbgerenzt sein kann.
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Höhere und vor allem reproduzierbare Wachstumsrate als bei Molekularstrahlepitaxie, aufgrund höherer Temperaturen.
Nachteile des Verfahrens:
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Geringere Qualität der Probe als bei Molekularstrahlepitaxie, da bei höheren Temperaturen das Wachstum schlecht kontrollierbar wird.
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Gefährlich wegen giftigem Arsenwasserstoff und hochexplosiv.
Verfahren #3: Flüssigphasenepitaxie (LPE)
Die gesättigte Schmelze wird unter einer Wasserstoffatmosphäre in Kontakt mit dem Substrat gebracht. Dabei wird sie über das Substrat geführt (oder anders herum). Anschließend wird das Substrat abgekühlt, wobei sich die Löslichkeitsgrenze des Materials in der Schmelze verringert, sodass dadurch eine reine Schicht des Materials auf dem Substrat entsteht.
Vorteile des Verfahrens:
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Große Wachstumsrate
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Verfahren ist kostengünstig
Nachteile des Verfahrens:
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Keine sehr präzise Kontrolle der Schichtdicke. Das Verfahren ist also eher für dickere Schichten (> 10 nm) geeignet.