Heterostrukturen

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Ein Heteroübergang entsteht, wenn zwei Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke epitaktisch aufeinandergewachsen werden -- zum Beispiel GaAs (\(E_g = 1{,}42\) eV) und Al\(_x\)Ga\(_{1-x}\)As (\(E_g \approx 1{,}42 + 1{,}25x\) eV). Die Differenz der Bandlücken verteilt sich auf Sprünge in Leitungsband (\(\Delta E_C\)) und Valenzband (\(\Delta E_V\)). Diese Bandkantensprünge sind der Schlüssel: sie wirken als Potentialbarrieren für Ladungsträger und ermöglichen gezieltes Carrier Confinement, optische Wellenführung und Bandstruktur-Engineering.

Im Gegensatz zum pn-Übergang, der durch Dotierung entsteht und im selben Material bleibt (Homoübergang), entsteht der Heteroübergang durch einen Materialwechsel -- unabhängig von der Dotierung.

Notizen für den Ausbau

Typen von Heteroübergängen

• Typ I (straddling): Beide Bandkanten der schmalen Bandlücke liegen innerhalb der breiteren. Beispiel: GaAs/AlGaAs, InGaN/GaN. Ladungsträger werden im selben Material eingesperrt → ideal für LEDs und Laser.
• Typ II (staggered): Die Bänder sind versetzt -- Elektronen und Löcher werden in verschiedenen Materialien eingesperrt. Beispiel: InAs/GaSb. Räumliche Trennung → längere Lebensdauern, relevant für IR-Detektoren.
• Typ III (broken gap): Das Leitungsband des einen Materials liegt unterhalb des Valenzbands des anderen. Beispiel: InAs/GaSb bei bestimmten Kompositionen. Tunnelkontakte und topologische Effekte.

Doppel-Heterostruktur (DH)

• Die Grundidee: aktive Schicht (kleine \(E_g\)) zwischen zwei Cladding-Schichten (große \(E_g\)) einbetten
• Carrier Confinement + optische Wellenführung (Brechungsindex-Kontrast)
• Konkretes Beispiel: AlGaAs/GaAs/AlGaAs -- bereits ausführlich im LED-Artikel beschrieben
• Kroemer (1963 Theorie) und Alferov (1970 erster RT-Laser), Nobelpreis 2000

Vom DH zum Quantentopf

• Wenn die aktive Schicht < ~10 nm dick wird: Quantisierung der Energieniveaus (\(E_n \propto n^2 / d^2\))
• Diskrete Subbänder statt kontinuierliche DOS → schärfere Emissionslinie
• Multi-Quantum-Well (MQW) → höhere Verstärkung
• InGaN/GaN MQW für blaue LEDs: Details im LED-Artikel

Gitterfehlanpassung

• Epitaktisches Wachstum funktioniert nur, wenn die Gitterkonstanten einigermaßen passen
• Pseudomorphes Wachstum: dünne Schichten passen sich elastisch an (Verspannung)
• Kritische Schichtdicke (Matthews-Blakeslee): darüber Relaxation durch Versetzungen
• GaAs/AlGaAs: <0,1% Fehlanpassung → fast beliebig dick
• InGaN/GaN: ~3% bei 20% In → nur wenige nm möglich → daher die extrem dünnen QWs

Bauelemente die auf Heterostrukturen basieren

• LED: Doppel-Heterostruktur / MQW für Carrier Confinement
• Laserdiode: wie LED + optischer Resonator, separate Confinement Heterostructure (SCH)
• HEMT (High Electron Mobility Transistor): AlGaN/GaN, Ladungstrennung erzeugt 2DEG
• HBT (Heterojunction Bipolar Transistor): Emitter mit größerer Bandlücke → höhere Injektionseffizienz
• Mehrfachsolarzellen: gestapelte Heteroübergänge mit abgestuften Bandlücken → >47% Effizienz

Weiterführendes

• LED -- Doppel-Heterostruktur und Quantentöpfe im Detail
• Bandstruktur -- E(k)-Diagramme, direkt vs. indirekt
• pn-Übergang -- der Homo-Übergang zum Vergleich

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