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Towards simultaneous improvements of storage and erase times in quantum dot-based memories
Arikan, Ismail Firat
This work attempts to improve memory devices based on self-organized semiconductor quantum dots (QDs) in two ways. The first aim is to increase the hole storage time at room temperature in such a memory (QD-Flash) to achieve non-volatility. Hence, the electronic properties of QDs, such as the localization energy and the capture cross section, are determined by static capacitance-voltage (C-V) spectroscopy and Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). Using the mentioned two quantities the hole storage time is extrapolated at room temperature. The second aim in this work is to decrease the erase time in the QD-Flash by eliminating the trade-off between storage and erase times through insertion of quantum wells (QWs) into the barrier. For this, a transparency engineering method based on a One-Dimensional Schrödinger Poisson Solver (one-DSPS) and Non-Equilibrium Green's function (NEGF) is developed.
In the first part, the electronic properties of two different material combinations are investigated for the first time: GaSb QDs embedded in GaP and InGaSb QDs embedded in GaP with an additional AlP barrier. A localization energy E_loc= 1.18 (±0.01) eV is determined for the GaSb/GaP system with an associated capture cross section σ_∞= 1x10^-12 cm^2 (with an uncertainty of 0.1 orders of magnitude). The corresponding hole storage time at room temperature is 3.9 days (with an uncertainty of 0.04 orders of magnitude), which is the longest storage time ever reported and marks an improvement of 3 orders of magnitude with respect to the previous best result. Moreover, different samples based on the GaSb/GaP QDs are grown under different growth conditions to investigate the effect of growth conditions on the electronic properties of QDs. It is demonstrated that higher temperatures and slower growth rates lead to bigger QDs in size, resulting in larger localization energies. For the InGaSb/GaP QD system a localization energy E_loc= 1.15 (±0.02) eV is determined with an associated capture cross section σ_∞= 9x10^-11 cm^2 (with an uncertainty of 0.2 orders of magnitude). The corresponding hole storage time at room temperature is obtained to be 3200 s (with an uncertainty of 0.1 orders of magnitude), marking an improvement of 1 order of magnitude in comparison to the structure based on As (InGaAs QDs embedded in GaP).
In the second part, different resonant tunneling structures based on GaAs and GaP are designed and simulated. The calculations show that the transparency of the tunnel barrier increases by 7 orders of magnitude for the GaAs-based structures with one QW due to the creation of resonance throughout the device, while the transparency increases by 10 orders of magnitude for the GaAs-based structures with two QWs. Moreover, the calculations demonstrate that resonant tunneling can be achieved in GaP-based structures, which are promising candidates to achieve non-volatility.
Based on the results of this work, the following recommendations are given to improve QD-Flash: the localization energy can be further increased by altering the growth conditions of the QD layer to achieve non-volatility. Moreover, an additional barrier can be implemented to increase the localization energy, hence the storage time. Alternatively, the capture cross section can be decreased to increase the storage time. For this, techniques such as Sb-soaking or growth interruption (GRI) can be employed. For the resonant tunnelling structures, the epitaxial growth of the samples has to be achieved and the simulation results given in this work have to be confirmed experimentally.
Diese Arbeit verfolgt zwei Wege, um selbstorganisierte quantenpunktbasierte Speicher (QD-Flash) zu verbessern. Das erste Ziel ist die Verlängerung der Lochspeicherzeit im quantenpunktbasierten Speicher bei Raumtemperatur, um Nichtflüchtigkeit zu erreichen. Dafür werden die elektronischen Eigenschaften der selbstorganisierten Halbleiter-Quantenpunkte (QP), d.h. die Lokalisierungsenergie und der Einfangquerschnitt, mittels statischer Kapazitätsspektroskopie (C-V) und zeitaufgelöster Kapazitätsspektroskopie (DLTS) untersucht. Über die Lokalisierungsenergie und den Einfangquerschnitt wird die Lochspeicherzeit bei Raumtemperatur extrapoliert. Das zweite Ziel ist die Reduzierung der Löschzeit des quantenpunktbasierten Speichers durch Auflösen des Konflikts zwischen Speicherzeit und Löschzeit, indem Quantengräben (QWs) in die Barriere eingefügt werden. Hierfür wird eine Transparenzanpassungsmethode auf der Grundlage eines eindimensionalen Schrödinger-Possion-Solvers (one-DSPS) und Nichtgleichgewichts-Green‘schen-Funktionen (NEGF) entwickelt.
Im ersten Teil werden die elektronischen Eigenschaften für zwei unterschiedliche Materialsysteme zum ersten Mal untersucht: in GaP eingebettete GaSb-Quantenpunkte und in GaP eingebettete InGaSb-Quantenpunkte mit einer AlP-Barriere. Die gemessene Lokalisierungsenergie des GaSb/GaP-Quantenpunkt-Materialsystems ist E_loc=1.18 (±0.01) eV mit einem Einfangquerschnitt σ_∞=1x10^-12 cm^2 (Messabweichung: 0.1 Größenordnungen). Die extrapolierte Speicherzeit bei Raumtemperatur ist 3.9 Tage (Messabweichung: 0.04 Größenordnungen). Dies ist die längste Lochspeicherzeit, die bisher berichtet wurde; sie führt zu einer weiteren Verbesserung der Lochspeicherzeit um 3 Größenordnungen. Zudem werden unterschiedliche Proben bei unterschiedlichen Wachstumsbedingungen für die Quantenpunkte gewachsen, um den Effekt der Wachstumsbedingungen auf die elektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte zu untersuchen. Die Messungen bestätigen, dass höhere Temperaturen und langsameres Wachstum größere Quantenpunkte bewirken, also zu einer größeren Lokalisierungsenergie führen. Die gemessene Lokalisierungsenergie der InGaSb/GaP-Quantenpunkt-Materialsysteme ist E_loc=1.15 (±0.02) eV mit einem Einfangquerschnitt σ_∞=9x10^-11 cm^2 (Messabweichung: 0.2 Größenordnungen). Die extrapolierte Speicherzeit bei Raumtemperatur ist 3200 Sekunden (Messabweichung: 0.1 Größenordnungen). Dies macht einen weiteren Fortschritt von einer Größenordnung im Vergleich mit dem As-Materialsystem (InGaAs/GaP) aus.
Im zweiten Teil wurden unterschiedliche GaAs-basierte und GaP-basierte resonante Tunnelstrukturen entworfen und simuliert. Die Simulationen bestätigen, dass die Transparenz der GaAs-basierten Strukturen mit einem Quantengraben (QW) eine Steigerung der Transparenz um 7 Größenordnungen ausmachen, während die Steigerung der Transparenz bei den GaAs-basierten Strukturen mit zwei Quantengräben 10 Größenordnungen erreicht. Die Berechnungen bestätigen auch, dass das Konzept des resonanten Tunnelns für GaP-basierte Strukturen anwendbar ist, welche die aussichtsreichsten Kandidaten für die Erreichung von Nichtflüchtigkeit in Quantenpunktspeichern sind.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit werden Vorschläge für eine weitere Verbesserung des quantenpunktbasierten Speichers (QD-Flash) gemacht: die Lokalisierungsenergie kann durch Änderungen der Wachstumsbedingungen der Quantenpunkte weiter erhöht werden, um Nichtflüchtigkeit zu erreichen. Außerdem kann die Lokalisierungsenergie, d.h. die Speicherzeit, durch den Einsatz einer Barriere weiter erhöht werden. Alternativ kann die Speicherzeit durch Verringerung des Einfangquerschnitts verlängert werden. Dafür können Methoden wie Sb-Soaking und Wachstumsunterbrechung (GRI), verwendet werden. Im Hinblick auf die resonanten Tunnelstrukturen muss epitaktisches Wachstum dieser Strukturen durchgeführt werden und die Simulationsergebnisse dieser Arbeit müssen experimentell bestätigt werden.
