heterostruktur

Heterostruktur, en krystal, der er opbygget af lag af forskellige materialer som isolatorer, halvledere og metaller. Med heterostrukturer kan man opnå særlige egenskaber af krystallen, fx optiske, magnetiske eller specielle transportegenskaber for elektroner. Heterostrukturer kan dyrkes ved flere former for epitaksi på et enkrystallinsk substratmateriale. Dyrkning af perfekte heterostrukturer kræver, at de forskellige materialer har næsten identiske gitterkonstanter og krystalstrukturer.

Heterostrukturer af halvledere anvendes til fremstilling af laserdioder og transistorer med høje frekvenser og giver tillige mulighed for at studere materialer med kunstigt frembragte elektronegenskaber. Ønsket om fuldstændig gittertilpasning har gjort zinkblende-strukturerne GaAs, AlAs og legeringen Ga_1-xAl_xAs til de mest benyttede heterostrukturer. Disse materialer har forskellige elektriske egenskaber, herunder forskellige energigab mellem ledningsevnebåndet og valensbåndet (se halvledere). I en heterostruktur af fx GaAs og Ga_0,7Al_0,3As, hvor sidstnævnte er n-doteret i overgangen mellem krystallerne, overføres elektroner fra Ga_0,7Al_0,3As til det lavereliggende ledningsevnebånd i GaAs, hvor de vil befinde sig tæt ved overgangen tiltrukket af de tilbageblevne positive donoratomer. Da elektronerne i GaAs-krystallen er tvunget til at være tæt ved grænsefladen, er deres bevægelse i realiteten todimensional. De har ved lave temperaturer en meget høj bevægelighed, idet spredningen mod de positive donoratomer er lille pga. den rumlige adskillelse. En sådan heterostruktur betegnes HEMT (eng. high electron mobility transistor) og anvendes til transistorer til meget høje frekvenser. De todimensionale elektroner i HEMT-heterostrukturer udgør et interessant kvantemekanisk system for studier af fx den kvantiserede Hall-effekt.

Ved at gøre laget med todimensionale elektroner smalt vha. elektronstrålelitografi kan man fremstille endimensionale elektronsystemer og helt afgrænsede kvantemekaniske elektron-øer med et tælleligt antal elektroner (superatomer). Et GaAs-lag dyrket mellem to hhv. n- og p-doterede Ga_0,7Al_0,3As-lag udgør en laserdiode, der fx benyttes som læsehoved i en cd-afspiller. Tilsvarende laserdioder baseret på Ga_xIn_1-xP_yAs_1-y/InP benyttes som infrarøde signalgivere i optisk fiberkommunikation. Ved dyrkning af periodisk skiftende lag af fx GaAs og AlAs kan der fremstilles krystaller med meget stor gitterkonstant (supergitter) og med elektriske og elektroniske egenskaber, der ikke findes i naturlige materialer.