Gitterfehlpassungen

Gitterfehlpassungen beschreiben die Fehlpassung der Gitterkonstanten zweier angrenzender kristalliner Materialien, typischerweise bei epitaktischen Dünnschichten auf Substraten. Die relative Abweichung f wird oft definiert als f = (a_f - a_s)/a_s, wobei a_f die Gitterkonstante der epitaktischen Phase und a_s die des Substrats ist. Das Vorzeichen gibt an, ob der Film durch Zug (f > 0) oder durch Druck (f < 0) gedehnt wird.

Die Folge einer Gitterfehlpassung ist ein Spannungszustand in der epitaktischen Schicht. Bis zu einer kritischen Dicke t_c bleibt der Film elastisch (kohärent), passt sich also an das Substrat an. Überschreitet die Dicke t_c, relaxiert das System durch Bildung von Misfit-Dislokationen an der Grenzfläche, die die Spannung langsam abbauen. Der Betrag der Fehlpassung beeinflusst dabei maßgeblich den Übergang von kohärent zu relaxed und die Art der Relaxation.

Auswirkungen auf Material- und Geräteeigenschaften können erheblich sein. Strain verändert Bandstruktur, Trägermobilität, optische Eigenschaften und Defektdichte. Gitterfehlpassungen spielen eine zentrale Rolle in der Halbleiter- und Optoelektronik, insbesondere beim Strain-Engineering, z. B. bei gespannter SiGe-Struktur oder bei der Integration unterschiedlicher Materialsysteme in epitaktischen Bauteilen. Wachstumsmodi wie Kohärentes epitaktisches Wachstum, Stranski-Krastanov-Verhalten oder Volmer-Weber-Mode hängen ebenfalls von der Fehlpassung ab.

Messung und Kontrolle erfolgen durch Methoden wie Röntgenbeugung (XRD) und Rekorprasen-Raumabbildung (RSM) oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Zur Minimierung oder Anpassung der Fehlpassung werden Substratwahl, Pufferlagen, kompositorische Gradienten oder metamorphe Pufferstrukturen eingesetzt, um die gewünschte Relaxationseigenschaft zu erreichen.