Loading…
Growth and characterization of antimony-based quantum dots in GaP matrix for nanomemories
Sala, Elisa Maddalena
Self-assembled Quantum Dots (QDs) have recently attracted great attention for enabling a novel type of non-volatile electronic nanomemory, the QD-Flash. Such a memory architecture represents the ultimate memory cell, exhibiting endurance and fast access times (~ns). To ensure non-volatile operation, the storage time for carriers has to be of the order of 10 years (or longer) at room temperature, which mainly depends on the depth of the localization potential provided by QDs, but also on their capture cross-section. By choosing an appropriate III/V material combination for QDs and matrix, surpassing the non-volatility limit of 10 years is feasible: type-II antimony-based QDs showing hole confinement are very suitable for such application, leading to a higher carrier localization energy and an increased carrier storage capacity for single QD, with respect to type-I heterostructures. Retention times of more than 10 years for holes in InGaSb/AlP/GaP QDs have been predicted, making thus such QDs promising candidates for the QD-Flash.
This work aims to demonstrate the Metalorganic Chemical Vapor Epitaxy (MOVPE) of InGaSb/AlP/GaP QDs and their use as storage units for the future QD-Flash. The storage time of such QDs is improved by one order of magnitude compared to the previous value for In0.5Ga0.5As/GaP QDs. InGaSb QDs are embedded in GaP np-diodes, where an additional AlP barrier is employed, and are electrically characterized. A localization energy Eloc = (1.15 ± 0.02) eV for holes captured in QDs is measured by using the Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) technique.
This work investigates growth strategies in order to tune the QD structural and optical properties for maximum hole retention times in QDs. A growth interruption (GRI) after deposition of InGaSb and an Sb-flush prior to the QD growth are found to be very effective. By using an Sb-flush, the surface diffusion is controlled leading to more homogeneous QDs and to reduction of defect formation. Taking advantage of a ripening process during GRI, the QD size is increased and the luminescence remarkably improved. The use of antimony in QD growth is found to decrease the associated QD capture cross-section by one order of magnitude with respect to the one of In0.5Ga0.5As/GaP QDs/GaP QDs, i.e. from (8 ± 5) x 10^(-10) to (9 ± 5) x 10^(-11) cm^(2). This is the first time that engineering of the QD capture cross-section has been utilized to increase hole retention times in QDs. It leads to a hole storage time of almost 1 hour at room temperature, which is to date the record for MOVPE-grown QDs. Such material combination for QDs and matrix represents therefore an excellent candidate for the future QD-Flash.
Selbst-organisierte Quantenpunkte (QPe) haben zuletzt wegen einer neuen Art von nicht flüchtigen Speichern, dem QD-Flash, großes Interesse geweckt. Diese Speicherarchitektur entspricht einer ultimativen Speicherzelle, die gute Speicherzeit und schnelle Zugriffszeit aufweist. Für nicht flüchtige Arbeitsweise muss die Speicherzeit bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 10 Jahren und länger liegen, was hauptsächlich von der Tiefe des Lokalisierungspotentials aber auch vom Einfangsquerschnitt der QPe abhängt. Durch Wahl einer geeigneten Materialkombination für Quantenpunkte und Matrix ist es möglich, die Grenze für nicht flüchtiges Speichern zu überschreiten. Typ-II Antimon-basierte Quantenpunkte, die Lokalisierung von Löchern aufweisen, sind die besten Kandidaten für dieses neuartige Speicherkonzept. Das hat den Vorteil, dass die Lokalisierungsenergie pro QP größer ist als in Typ-I Heterostrukturen. Speicherzeiten von mehr als 10 Jahren für Löcher in InGaSb/AlP/GaP QPen wurden bereits vorhergesagt und daher sind diese QPe vielversprechend für den QD-Flash.
Diese Arbeit demonstriert erstmals Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) von InGaSb/AlP/GaP QPen und deren Anwendung als Speichereinheiten für den zukünftigen QD-Flash Speicher. Die Speicherzeit dieser QPen wurde um 1 Größenordnung im Vergleich zu der von In0.5Ga0.5As/GaP QPen erhöht. InGaSb QPe wurden in np-Dioden eingebettet, wobei eine zusätzliche AlP Barriere benutzt wurde, und elektrisch charakterisiert. Eine Lokalisierungsenergie Eloc = (1.15 ± 0.02) eV für Löcher wurde mittels Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) gemessen.
Diese Arbeit untersucht Wachstumsstrategien, um die strukturellen und optische Eigenschaften der QPe zu verändern und die Löcherlokalisierung zu maximieren. Eine Wachstumsunterbrechung (Engl. growth interruption, GRI) nach der InGaSb-Abscheid-ung und ein Sb-flush vor QP-Wachstum sind sehr effektiv. Der Sb-flush vermindert die Oberflächendiffusion, wobei die QPe homogener werden und die Defektbildung unterdrückt wird. Die Anwendung der GRI führt zu einer Vergrößerung der QP-Größe, und zu einer beträchtlichen Verbesserung der QP-Lumineszenz. Der Einsatz von Antimon während des QP-Wachstums verkleinert den Einfangsquerschnitt um eine Größenordnung, im Vergleich zu der von In0.5Ga0.5As/GaP QPen QPen, d.h. von (8 ± 5)x10^(-10) cm^(2) auf (9 ± 5) x 10^(-11) cm^(2). Dadurch wird die gemessene Speicherzeit der InGaSb/AlP/GaP QPe auf 1 Stunde bei Raumtemperatur erhöht, was derzeit der Rekordwert von MOVPE-QPen ist. Dieses Materialsystem ist daher ein exzellenter Kandidat für den zukünftige QD-Flash. Dies ist das erste Mal, das eine Änderung des Einfangsquerschnitts angewendet wurde, um die Speicherzeit der QPe zu erhöhen.
