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/Al_{1 - x}Ga_xAs, da für fast alle Kompositionen x die Gitterkonstante beider Substanzen sehr ähnlich ist.

Übergitter 1: Schematische Darstellung eines Übergitters; z ist die Richtung des Wachstum.

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

Übergitter 3: Bandstruktur in einem Dotierungsübergitter (E_L: Leitungsbandkante, E_V: Valenzbandkante).