Epitaxie (aus dem Griechischen: „epi“ = auf, „taxis“ = Anordnung) bezeichnet in der Kristallzucht und Materialwissenschaft ein Verfahren, bei dem eine kristalline Schicht (der Epitaxialfilm) auf einem kristallinen Substrat gezüchtet wird, wobei die Schicht die Kristallstruktur des Substrats übernimmt. Epitaxie ist ein zentrales Verfahren in der Halbleitertechnik und wird zur Herstellung hochwertiger, monokristalliner Schichten verwendet.
Man unterscheidet hauptsächlich zwei Formen der Epitaxie:
Homoepitaxie
Bei der Homoepitaxie besteht sowohl das Substrat als auch die aufgebrachte Schicht aus demselben Material, beispielsweise Silicium auf Silicium. Diese Methode wird eingesetzt, um besonders reine oder dotierte Schichten auf einem identischen Basismaterial zu erzeugen.
Heteroepitaxie
Bei der Heteroepitaxie bestehen Substrat und Epitaxialschicht aus unterschiedlichen Materialien, z. B. Galliumarsenid (GaAs) auf Silicium (Si). Diese Methode erlaubt die Kombination unterschiedlicher Materialeigenschaften, was besonders in der Optoelektronik und Leistungselektronik von Bedeutung ist.
Zur Erzeugung epitaktischer Schichten werden verschiedene Verfahren eingesetzt:
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD – Chemical Vapor Deposition)
In der epitaktischen Variante (Epi-CVD) werden gasförmige Ausgangsstoffe auf ein erhitztes Substrat geleitet, wo sie chemisch reagieren und eine Kristallschicht bilden. Spezielle Formen sind z. B. die metallorganische CVD (MOCVD) oder die Atomlagenabscheidung (ALD).
Molekularstrahlepitaxie (MBE – Molecular Beam Epitaxy)
MBE ist ein Hochvakuumverfahren, bei dem Molekül- oder Atombündel in kontrollierter Weise auf das Substrat treffen. Es erlaubt eine sehr präzise Kontrolle der Schichtdicke und -zusammensetzung und wird vor allem in der Forschung und Entwicklung eingesetzt.
Flüssigphasenepitaxie (LPE – Liquid Phase Epitaxy)
Hierbei wird das Substrat in eine gesättigte Schmelze des Schichtmaterials getaucht. Beim Abkühlen scheidet sich die kristalline Schicht auf dem Substrat ab. Diese Methode ist vergleichsweise einfach, aber weniger präzise als CVD oder MBE.
Epitaktische Schichten sind unverzichtbar in vielen modernen Technologien, darunter:
Halbleiterbauelemente (z. B. Transistoren, Dioden)
Laser und Leuchtdioden (insbesondere auf Basis von III-V-Halbleitern wie GaAs oder InP)
Solarzellen (z. B. Mehrfachsolarzellen für Raumfahrtanwendungen)
Quantentechnologie (Quantenpunkte, -drähte und -töpfe)
Epitaxie ermöglicht die Herstellung von hochreinen, strukturierten und gezielt dotierten Schichten mit definierter Kristallorientierung. Die größte Herausforderung besteht in der Kontrolle von Gitterfehlanpassungen bei der Heteroepitaxie, da unterschiedliche Gitterkonstanten zu Verspannungen und Defekten führen können.