12. Heterostrukturen

Na gut, also was sind Heterostrukturen, und wozu braucht man die? Mit Hilfe von modernen Kristallzuchttechniken wie der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder der metallorganischen Gasphasenepitaxie (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) ist es möglich, verschiedene Halbleitermaterialien in einkristalliner Form übereinander aufzuwachsen. Voraussetzung dafür ist es, dass die Materialien tunlichst eine ähnliche Gitterkonstante haben. Dies ist z. B. im System GaAs-AlGaAs der Fall, und es können problemlos Materialschichten mit beliebigen Mischungsverhältnissen übereinander hergestellt werden. Der Übergang zwischen den Schichten ist dabei normalerweise atomar scharf, eine Materialdurchmischung in einer Übergangszone zwischen den verschiedenen Schichten gibt es so gut wie nicht. Wer mehr über diese Herstellungsverfahren wissen möchte, sehe bitte bei Wikipedia nach. Der interessante Aspekt ist nun, dass wir auf diese Weise einkristalline Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen physikalischen Parametern wie Größe der Energielücke und Größe der Elektronenaffinität übereinander aufwachsen können und damit in der Lage sind, die Form des Verlaufs der Leitungs- und Valenzbandkante senkrecht zur Wachstumsrichtung gezielt zu beeinflussen (Stichwort: bandstructure engineering). Die ersten Vorschläge zur Erzeugung von Übergittern durch periodische Modulation der Zusammensetzung von Halbleitern stammen von Esaki und Tsu 1970 und betrafen das GaAs-GaAlAs Materialsystem. Heute wird das gezielte Einstellen des Bandverlaufs im GaAs-GaAlAs Materialsystem besonders in optoelektronischen Bauelementen (Halbleiterlaser und Detektoren, Kamerachips für das tiefe Infrarot) in breitem Ausmaß ausgenutzt. Auch schnelle GaAs-AlGaAs Feldeffekttransistoren lassen sich herstellen, das Stichwort ist hier HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor). Diese finden sich in praktisch jeder Satellitenschüssel und auch in fast allen Mobiltelefonen. Auf Silizium ist das Stichwort HBT (Hetero Bipolar Transistor). Hier wird gerne Germanium und neuerdings auch InAs in die Basisregion gemischt. Das bringt höhere Geschwindigkeiten und auch eine bessere Stromverstärkung. Einen guten Übersichtsartikel zu diesem Thema finden Sie bei Arthur 2002.