Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1595
Main Title: Investigation of Carrier Dynamics in Self-Organized Quantum Dots for Memory Devices
Translated Title: Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in selbstorganisierten Quantenpunkten im Hinblick auf zukünftige Speicheranwendungen
Author(s): Geller, Martin Paul
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wird die Ladungsträgerdynamik in selbstorganisierten Quantenpunkten mittels zeitaufgelöster Kapazitätsspektroskopie (deep level transient spectroscopy - DLTS) untersucht. Zwei Kernpunkte werden genauer betrachtet, die von entscheidender Bedeutung für die Verwendung von Quantenpunkten in zukünftigen Halbleiter-Speichern sind: Die Speicherung und der Einfang von Ladungsträgern. Eine Speicherzeit von Millisekunden bei Raumtemperatur ist die Grundvoraussetzung, um mit der heutigen DRAM-Zelle (Dynamic Random Access Memory) konkurrieren zu können. Die Geschwindigkeit des Ladungsträgereinfangs bestimmt maßgeblich die maximal mögliche Schreibgeschwindigkeit. Die Kapazitätsspektroskopie wird innerhalb dieser Arbeit dahingehend weiterentwickelt, dass Untersuchungen hinsichtlich Einfangs- und Emissionsdynamik in unterschiedliche Quantenpunktzustände sowie die Bestimmung der Speicherzeit und Lokalisierungsenergie des Grundzustandes ermöglicht werden. Bei der Untersuchung von InGaAs/GaAs-Quantenpunkten wird eine neu entwickelte Methode - die zeitaufgelöste Kapazitätsmessung der Tunnelemission - verwendet, um erstmals eine Lokalisierungsenergie von 290 meV/210 meV für Elektronen und Löcher experimentell bestimmen zu können. Daraus lässt sich eine mittlere Speicherzeit von 200 ns für Elektronen bzw. 0.5 ns für Löcher bei Raumtemperatur abschätzen. Eine längere Speicherzeit von ungefähr 1 µs wird für Löcher im Grundzustand von GaSb/GaAs-Quantenpunkten beobachtet - für eine Lokalisierungsenergie von 450 meV. Eine weitere Verlängerung der Speicherzeit ergibt sich durch die Verwendung einer AlGaAs-Barriere in Kombination mit InAs/GaAs-Quantenpunkten, bei erneuter Zunahme der Lokalisierungsenergie auf 560 meV. Die Arbeit demonstriert erstmals eine Speicherzeit von 5 ms bei Raumtemperatur, welche in der Größenordnung der DRAM-Refresh-Zeit liegt. Die Abhängigkeit der Speicherzeit von der Lokalisierungsenergie erlaubt eine Abschätzung der mittleren Speicherzeit für verschiedene Materialkombinationen von Quantenpunkten und umgebender Matrix. Eine Speicherzeit von über 10 Jahren wird für (In)(Ga)Sb-Quantenpunkte in einer AlAs Matrix vorhergesagt, wodurch ein quantenpunktbasierter nicht-flüchtiger Flash-Speicher realisierbar erscheint. Mittels der ebenfalls neu entwickelten Methode der ladungsselektiven DLTS wird der Einfangprozess von Löchern in InAs/GaAs-Quantenpunkte untersucht. In Kapazitätstransienten wird der Locheinfang beobachtet und es können Aktivierungsenergien und Einfangquerschitte auch aus den Einfangtransienten bestimmt werden. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass der Einfang von Ladungsträgern in Quantenpunkte in einem elektrischen Feld ebenfalls durch phononen-assistiertes Tunneln geschieht, wie bereits in früheren Arbeiten für die Emission gezeigt. Es ergibt sich ein großer Einfangquerschnitt aus dem eine mittlere Einfangzeit der Löcher von ~ 0.3 ps bei Raumtemperatur abgeschätzt, die mehr als vier Größenordnungen unterhalb der Schreibzeit heutiger DRAM-Speicher liegt. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit erscheint die Realisierung eines zukünftigen quantenpunktbasierten Flash-Speichers möglich, der die Vorteile der beiden heute gängigen Halbleiterspeicher (DRAM und Flash) vereinigt: Lange Speicherzeit von mehr als 10 Jahren (Flash), hohe Haltbarkeit wie in einer DRAM-Zelle in Kombination mit schnellem Schreib-/Lese- und Löschzugriff unterhalb von 20 ns. Ein Konzept eines solchen quantenpunktbasierten Speichers wurde entwickelt und wird innerhalb dieser Arbeit vorgestellt.
In this work, the charge carrier dynamics of self-organized semiconductor quantum dots is investigated by using time-resolved capacitance spectroscopy (deep level transient spectroscopy - DLTS). Two main issues are studied in detail, that are of importance for using quantum dots in future memory devices: Carrier storage and capture. A storage time of milliseconds at room temperature is a basic prerequisite in order to compete with today's DRAM (dynamic random access memory). The carrier capture time determines significantly the possible write time. The capacitance spectroscopy is refined within this thesis in order to study emission and capture dynamics of charge carriers for different quantum dot states, as well as storage time and localization energy of the ground state. Time-resolved capacitance measurements of tunneling emission is used for the first time to determine the localization energy of the electron and hole ground state in InGaAs/GaAs quantum dots to 290 meV and 210 meV, respectively. The average storage time for electrons and holes in this quantum dot system is estimated to be about 200 ns and 0.5 ns at room temperature. A longer storage time of about 1 µs is obtained for holes in the ground state of GaSb/GaAs quantum dots - for a localization energy of 450 meV. The use of InAs/GaAs quantum dots in combination with a AlGaAs barrier yields a further increase in storage time for an enhanced localization energy of 560 meV. The important milestone of a storage time of 5 ms at room temperature is demonstrated, in the order of the typical DRAM refresh time. The connection between localization energy and storage time enables to estimate retention times for different material combinations of quantum dots and surrounding matrix. A retention time of more than 10 years is predicted for (In)(Ga)Sb quantum dots in an AlAs matrix, hence, the feasibility of a quantum-dot-based non-volatile Flash memory is shown. Another newly developed method, the charge-selective DLTS, is used to investigate the carrier capture into InGaAs/GaAs quantum dots. In capacitance transients the hole capture is observed and activation energies and capture cross-sections for emission and capture are determined. The experimental findings lead to the assumption, that carrier capture into quantum dots in an applied electric field is also controlled by phonon-assisted tunneling, as observed previously for the emission. A large capture cross-section is obtained and a capture time of ~ 0.3 ps at room temperature is estimated, which is more than four orders of magnitude below the write time of a DRAM cell. From the experimental results, the realization of a future quantum-dot-based memory, that combines the advantages of today's semiconductor memories (DRAM and Flash), seems to be feasible: A long storage time of more than 10 years (Flash), high endurance like in a DRAM cell in combination with a fast read/write and erase time below 20 ns. A concept of a quantum-dot-based memory is developed and proposed within this thesis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15616
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1892
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1595
Exam Date: 12-Apr-2007
Issue Date: 21-May-2007
Date Available: 21-May-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Halbleiter
Kapazitätsspektroskopie
Ladungsträgerdynamik
Quantenpunkte
Speicher
Capacitance
Dots
Memory
Quantum
Semiconductor
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