Quantenwellenschichten

Quantenwellenschichten sind halbleiterbasierte Strukturen, in denen Träger in einer dünnen Schicht eines anderen Materials durch ein Bandlückenprofil in einer Richtung stark eingeschränkt werden. Typische Systeme sind GaAs/AlGaAs- und InGaAs/GaAs-Mehrschichtstapel sowie Nitride-Systeme wie GaN/AlGaN. Durch die begrenzte Breite der wellenartigen Potentialfelder entstehen diskrete Energieniveaus, sogenannte Subbänder, anstelle einer kontinuierlichen Bandstruktur.

Die physikalische Grundlage ist die Quantenkonstruktion in einem potentialen Well. Elektronen und Löcher besitzen nur bestimmte zulässige Energiezustände, deren Abstände mit der Wellenbreite L und den Materialparametern, insbesondere der effektiven Masse, steigen. Die Übergänge zwischen Elektronen- und Lochzuständen führen zu charakteristischen optischen Spektren. Mit abnehmender Wellbreite verschieben sich die spektralen Linien in Richtung höherer Energie (Blauverschiebung). In Quantenwellenschichten treten häufig stärkere excitonische Effekte auf, besonders bei niedrigen Temperaturen.

Die Herstellung erfolgt epitaktisch, meist durch MBE (Molekularstrahlepitакс) oder MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie). Dabei werden Dicke und Zusammensetzung mit Monolayer-Genauigkeit kontrolliert. Gitterfehlanpassungen erzeugen Spannung, die die Bandstruktur verändert und Spannungszustände beeinflusst. Mehrfachwellenschichten (MQWs) ermöglichen breitere oder gezielt geformte Gain- und Absorptionsspektren und werden so in vielen Bauelementen eingesetzt.

Anwendungen finden sich vor allem in der Optoelektronik, etwa in Laserdiodes, LEDs, Modulatoren und Detektoren. Quantenkaskadenlaser nutzen mehrfache Wellensysteme für intersubbandübergänge. Die Techniken zur Charakterisierung umfassen Photolumineszenz, absorptionsspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie, wobei Temperatur- und Spannungsabhängigkeiten wichtige Informationen liefern.