Quantengraben

Quantentopf mit unendlich hohen Wänden

Unter einem Quantentopf (engl. quantum well) versteht man einen Potentialverlauf, der die Bewegungsfreiheit eines Teilchens in einer Raumdimension einschränkt (üblicherweise in z-Richtung), so dass nur eine planare Region (x,y-Ebene) besetzt werden kann. Die Breite des Quantentopfes bestimmt maßgeblich die quantenmechanischen Zustände, die das Teilchen einnehmen kann. Dies führt insbesondere zur Ausbildung von Energie-Niveaus (Sub-Bändern), d. h. das Teilchen kann nur diskrete (potentielle) Energiewerte annehmen.

Herstellung

In der Halbleitertechnologie werden Quantentöpfe hergestellt, indem eine Schicht eines Halbleiters geringerer Bandlücke (z. B. GaAs) zwischen zwei Schichten eines Halbleiters größerer Bandlücke (z. B. AlGaAs) eingebettet wird. Aus diesem Grund wird die so entstehende Struktur oft auch als Quantenfilm bezeichnet. Ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung solcher Strukturen ist die Molekularstrahlepitaxie, die Schichtdickenkontrolle bis in den Bereich von Einzelschichten (engl. Monolayer) ermöglicht. Um gute Schichtqualitäten zu erreichen, ist unter anderem zu beachten, dass die verwendeten Materialien gitterkompatibel sind, d. h. eine hinreichend ähnliche Kristallstruktur (u. a. Gitterkonstante) aufweisen.

Anwendungen

Aufgrund ihrer zweidimensionalen Natur weisen Elektronen und Löcher im Quantentopf eine andere Zustandsdichte auf als im dreidimensionalen Kristall. Durch gezieltes Dotieren können (hochbewegliche) zweidimensionale Elektronensysteme gezüchtet werden, die Anwendungen z. B. in HEMTs (High Electron Mobility Transistors) finden. Weitere Anwendungen sind z. B. der Quanten-Kaskaden-Laser oder Diodenlaser.

Siehe auch

• Teilchen im Kasten
• Quantendraht
• Quantenpunkt