Quantenwellensysteme

Quantenwellensysteme sind Halbleiterstrukturen, in denen Elektronen und Löcher durch dünne Schichten mit kleinerer Bandlücke innerhalb einer Schicht anormal stark in einer Richtung eingeschränkt sind. Die Bewegung außerhalb dieser Richtung bleibt frei, wodurch sich eine zweidimensionale Elektronen- oder Lochgas bildet. Die Beschränkung führt zu diskreten Energiezuständen in der senkrechten Richtung, während in der Ebene eine kontinuierliche Zustandsdichte vorliegt.

Typische Materialsysteme sind GaAs/AlGaAs, InGaAs/InP und GaN/AlGaN. Die Wellendicke liegt typischerweise im Nanometerbereich und wird durch epitaktische Wachstumsmethoden wie Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) kontrolliert. Durch Variation der Wellendicke, der Materialzusammensetzung und mechanischer Belastung lassen sich die Subbänder energetisch gezielt verschieben.

Die energetische Struktur von Quantenwellensystemen umfasst Subbänder für Elektronen und Löcher. In der idealen, oft genäherten, unendlichen Wellengrenze wird E_n pro Quanteinheit durch das Schrödinger-Gleichungsgesetz bestimmt. In realen Systemen sind Finite Tiefe, Materialparameter und Dielektrizitätsunterschiede maßgeblich. Die in der Ebene frei beweglichen Carrier bilden einen zweidimensionalen Elektronen- bzw. Lochgas (2DEG/2DHG).

Optisch und elektrisch zeigen Quantenwellensysteme charakteristische Eigenschaften. Interband- und Intersubbandübergänge ermöglichen Absorption und Emission im Nah- bis Mittleren Infrarotbereich. Anwendungen finden sich in Quantenwell-LEDs, Lasern, Detektoren (QWIPs) sowie in Quantenkaskadenlasern, die auf Mehrfach-Wellenschichten basieren.

Theoretisch werden das Envelope-Function- bzw. effektive-Massen-Ansätze verwendet, um Subbandstrukturen zu berechnen. Herausforderungen umfassen Oberflächenrauhigkeit, Inhomogenität und Nicht-Parabolizität der Bandstrukturen. Quantenwellensysteme liefern wichtige Einsichten in die 2D-Quantisierung und in die optoelektronische Funktion moderner Halbleiterbauelemente.