Epitaxie bezeichnet das kristalline Aufwachsen einer dünnen Schicht auf einem einkristallinen Substrat, wobei eine definierte Orientierungsbeziehung zwischen Film und Substrat besteht. Diese Orientierungskopplung minimiert die Grenzflächenenergie und erlaubt die Herstellung hochgeordneter Strukturen mit gezielt einstellbaren strukturellen und elektronischen Eigenschaften.

Man unterscheidet Homoepitaxie (Film und Substrat aus demselben Material) und Heteroepitaxie (unterschiedliche Materialien). In der Heteroepitaxie spielt die Gitterfehlanpassung eine zentrale Rolle; sie führt zu elastischer Verspannung und oberhalb einer kritischen Schichtdicke zur Bildung von Versetzungen. Diese Defekte beeinflussen mechanische, elektronische und optische Eigenschaften epitaktischer Schichten wesentlich.

Wichtige Verfahren sind die Molekulare Strahlenepitaxie (MBE), die unter Ultrahochvakuum mit atomaren oder molekularen Strahlen extrem saubere und präzise kontrollierte Wachstumsbedingungen bietet, sowie die metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE), bei der metallorganische Precursor und Hydride in der Gasphase umgesetzt werden. Beide Verfahren ermöglichen den Aufbau komplexer, epitaktischer Überstrukturen wie Quantenmulden, -drähte und -punkte.

Selektive Flächenepitaxie nutzt lokale Maskierungen, um epitaktisches Wachstum nur auf freiliegenden Substratbereichen zu erlauben und damit laterale Strukturen zu definieren. Bei der Festphasenepitaxie kristallisiert eine zuvor amorphe Schicht epitaktisch auf dem kristallinen Substrat, typischerweise durch thermisches Tempern.

Epitaxie ist eine Schlüsseltechnologie für Halbleiterbauelemente, Leistungselektronik, Optoelektronik und neuartige Quantenmaterialien, da sie atomare Schichtkontrolle, definierte Dotierungsprofile und maßgeschneiderte Bandstrukturen ermöglicht.