Techniklexikon

Übergitter

Festkörperphysik,
Superlattice, eine Halbleiterheterostruktur (Heterostrukturen), die aus vielen
sich abwechselnden Schichten zweier unterschiedlicher Materialien besteht
(siehe Abb. 1)

a) Kompositionsübergitter: Bei diesem verwendet man zwei
Materialien mit unterschiedlicher Energielücke. Je nach Lage der Bandkanten
(Bändermodell) spricht man von einem Typ I-Übergitter (Bandkanten des einen
Materials liegen innerhalb der Bandlücke des anderen) oder von einem Typ
II-Übergitter. Typ I- und Typ II-Übergitter unterscheiden sich hauptsächlich
darin, dass im Typ I-Gitter das Material mit der geringeren Bandlücke
Quantentöpfe für sowohl Elektronen als auch Löcher bildet, während im Typ
II-Gitter Elektronen und Löcher in die zwei Materialien aufgeteilt sind.
Parallel zu den Grenzflächen sind die Wellenfunktionen normale
Bloch-Funktionen, während senkrecht dazu die Quantisierungseffekte eines
Quantentopfes auftreten. Falls die Schichten so dick sind, dass die
Wellenfunktionen in z-Richtung sich nicht überlappen,
verhält sich das Übergitter wie eine Abfolge vieler Quantentöpfe, weshalb es
dann auch MQW (Multi Quantum Well) genannt wird. Bei geringerer Schichtdicke
überlappen die Wellenfunktionen, und die in z-Richtung
entstandenen Subbänder verbreitern sich selbst wieder zu einzelnen
Mini-Bändern; man hat also künstlich ein periodisches Gitterpotential
geschaffen. (siehe Abb. 2)

b) Dotierungsübergitter: In diesem Übergitter wird nicht das
Material, sondern die Art der Dotierung abgewechselt. Die Dotierung kann nicht
völlig abrupt von einer Atomlage zur nächsten geändert werden, es liegt immer
ein dünner intrinsischer Bereich (intrinsischer Halbleiter) zwischen den
Schichten (p-i-n-Struktur). Da im kompletten Halbleiter das gleiche
Fermi-Niveau (Fermi-Energie) bestehen muss, bilden sich wellenförmige Bandkanten
aus (siehe Abb. 3). Hierdurch trennen sich Elektronen und Löcher räumlich
voneinander, die Elektronen sammeln sich in den Leitungsbandminima, die Löcher
in den Valenzbandmaxima, wodurch die Lebensdauer der Ladungsträger
ausserordentlich stark vergrössert wird. Durch die veränderten Bandkanten ist die
Lücke zwischen den Bandkanten verringert. Durch Modulation ist es möglich, die
Grösse dieser effektiven Bandlücke gezielt einzustellen.

Beide Arten von Übergittern können auch zu einem sog.
modulationsdotierten Kompositionsübergitter kombiniert werden. Bei diesem
wechselt man Schichten eines Halbleiters mit starker Dotierung mit Schichten
eines anderen intrinsischen Halbleiters ab. Dies führt dazu, dass Ladungsträger
aus dem stark dotierten Material in die Potentialtöpfe des schwach dotierten
Halbleiters wandern. Hierdurch hat man eine hohe Ladungsträgerdichte verbunden
mit stark reduzierter Störstellenstreuung geschaffen. Solche Übergitter
zeichnen sich daher durch eine besonders hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus.

Übergitter werden üblicherweise mithilfe der
Molekularstrahlepitaxie oder der chemischen Gasphasenabscheidung hergestellt.
Die Gitterverzerrungen, die bei Materialien mit unterschiedlicher Gitterkonstante
entstehen, stellen ein ernsthaftes Problem bei der Erzeugung guter Übergitter
dar, da an den Übergangsstellen leicht Versetzungen entstehen, die die Qualität
der Übergänge entscheidend beeinträchtigen. Sehr gut geeignet für Übergitter
ist GaAs/Al₁ class=Symbol>_{- style=\'font-size:8.0pt;line-height:119%\'> x}Ga class=Variable>_xAs,
da für fast alle Kompositionen x die
Gitterkonstante beider Substanzen sehr ähnlich ist.

src="../../images/t1713_uebergitter.gif" v:shapes="_x0000_i1737" alt="Übergitter">

Übergitter 1: Schematische Darstellung eines Übergitters; class=Variable>z ist die Richtung des Wachstum.

src="../../images/t1714_uebergitter.gif" v:shapes="_x0000_i1738" alt="Übergitter">

Übergitter 2: Ausbildung von »Minibändern« (grau unterlegte Flächen),
die im Kompositionsübergitter bei Verringerung der Schichtdicken durch Überlapp
der Quantentöpfe der einzelnen Subbänder mit Energien style=\'font-size:12.0pt\'>e_i
in z-Richtung entstehen. Die Schichtdicke
entspricht dem Abstand und der Tiefe der Quantentöpfe.

src="../../images/t1715_uebergitter.gif" v:shapes="_x0000_i1739" alt="Übergitter">

Übergitter 3: Bandstruktur in einem Dotierungsübergitter ( class=Variable>E_L: Leitungsbandkante, E_V:
Valenzbandkante).