Molekularstrahlepitaxie

Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist ein epitaktisches Wachstumsverfahren, bei dem dedizierte Molekül- bzw. Atomsströme aus kalibrierten Quellen in Ultra-Hochvakuum auf ein beheiztes Substrat gelenkt werden. Ziel ist das kontrollierte, schichtweise Aufbauen von epitaktischen Thin Films mit atomarer Dickenkontrolle. Die Wachstumsbedingungen erlauben abrupteste Grenzflächen und eine hohe Reinheit, wodurch sich komplexe Mehrlagenstrukturen wie Quantenwellen, Heterostrukturen und Superlattices realisieren lassen.

Eine typische MBE-Anlage umfasst eine Vakuumkammer, eine Substratplatte mit Heiz- bzw. Kühlfunktionen, mehrere Quellzellen (Knudsenzellen oder Gasköpfe) für Elementen- oder Molekülströme sowie Mess- und Kontrollsysteme. Die Prozessführung erfolgt in Ultra-Hochvakuum (typisch 10^-10 Torr). Die Konzentrationen der Quellströme werden präzise gesteuert und in der Regel durch Flux-Monitoring (z. B. Quartz- bzw. Beam Flux Monitor) überwacht. Der Wachstumsfortschritt wird oft in situ über RHEED (Reflexionshohe Energie Elektronenbeugung) beobachtet, wodurch Monolagen-zu-Monolagen-Detektion und Oberflächenstrahldynamik erkennbar bleiben.

MBE wird vor allem für III-V-Heterostrukturen verwendet, darunter GaAs, AlAs, AlGaAs, InP sowie Varianten wie InGaAs oder GaN mit Stickstoff-Plasmsourcen. Die Dotierung erfolgt über zusätzliche Quellzellen (z. B. Si, Zn, Be). Vorteile sind außergewöhnliche Schichtauflösung, sehr geringe Verunreinigungen und die Möglichkeit, komplexe, maßgeschneiderte Mehrschichtarchitekturen zu realisieren. Zu den Einschränkungen gehören langsame Wachstumsraten, hohe Betriebskosten, komplexe Ausstattung und Materialgrenzen durch Sublimations- bzw. Stabilitätsbedingungen. MBE steht damit im Gegensatz zu chemischen Abscheidungsverfahren wie MOCVD, das höhere Abscheideraten, aber oft weniger isotopescharfe Kontrollmöglichkeiten bietet.