Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2791
Main Title: Entwicklung einer neuartigen Quantenpunkt-Speicherzelle
Translated Title: Development of a novel quantum dot based memory cell
Author(s): Marent, Andreas
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Entwicklung einer Speicherzelle, die die Vorteile der beiden wichtigsten Halbleiterspeicher (DRAM und Flash) vereinigt, gilt als eine der großen Herausforderungen in der Halbleiter-Speicherindustrie. Dieser sogenannte ultimative Speicher würde schnelle Schreibzeiten (<10 ns) unabhängig von der Speicherzeit, d.h. auch für Speicherzeiten von 10 Jahren, ermöglichen. Selbstorganisierte Quantenpunkte als Speichereinheit stellen einen neuen vielversprechenden Ansatz bei der Entwicklung dieses ultimativen Speichers dar. Ziel dieser Arbeit ist es, eine systematische Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in quantenpunktbasierten Speicherstrukturen durchzuführen. Diese Analyse evaluiert das Potential von selbstorganisierten Quantenpunkten als Speichereinheit und erklärt die grundlegenden Mechanismen der Speicheroperationen (Speichern, Schreiben und Löschen). Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Umsetzung eines Speicherkonzepts auf Basis von selbstorganisierten Quantenpunkten ein. Die Realisierung des Konzepts erfolgt an konkreten Prototypen und erbringt den geforderten Machbarkeitsnachweis. Damit kann diese Arbeit einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung des ultimativen Speichers liefern. Um die Speicherzeit in Quantenpunkten weiter zu steigern, werden InAs/GaAs-Quantenpunkte mit einer Al0,9Ga0,1As-Barriere kombiniert. Dabei wird mit Hilfe der ladungsselektiven DLTS eine Verlängerung der Loch-Speicherzeit bei Raumtemperatur von 0,5 ns auf 1,6 s bestimmt. Die Abhängigkeit der Speicherzeit von der Lokalisierungsenergie der Quantenpunkte erlaubt eine Abschätzung der Speicherzeit für verschiedene Materialkombinationen. Für das Erreichen der Nicht-Flüchtigkeit muss eine Lokalisierungsenergie von 1,14 eV erreicht werden. 8-Band k.p Rechnungen in Antimon- und Phosphor-basierten Quantenpunkten ergeben eine Loch-Lokalisierungsenergie von 1,4 eV, was für diese Materialien auf eine Speicherzeit von über einer Million Jahre schließen lässt. Zur Bestimmung der Schreib- und Löschzeiten in quantenpunktbasierten Speicherstrukturen muss eine neue Mess-methode entwickelt werden, da die konventionelle Kapazitätsspektroskopie die erwarteten Zeiten von einigen Nanose-kunden zeitlich nicht aufzulösen vermag. Die beiden Materialsysteme InGaAs/GaAs- und GaAsSb/GaAs-Quantenpunkte werden mittels der neuen Messmethode bezüglich ihrer Schreib- und Löschzeiten untersucht. Für beide Materialkombinationen können bereits Schreibzeiten im Bereich einer DRAM-Zelle demonstriert werden: 6 ns für InGaAs/GaAs und 14 ns für GaAsSb/GaAs. Damit ist eine grundlegende Voraussetzung für den Einsatz von Quanten-punkten als Speichereinheit in einem ultimativen Speicher erfüllt. Anhand der GaAsSb/GaAs-Probe wird gezeigt, dass im Gegensatz zur Schreibzeit die Löschzeit eine Abhängigkeit von der Speicherzeit der Quantenpunkte aufweist. Die höhere Lokalisierungsenergie in GaAsSb/GaAs-Quantenpunkten führt bei gleichem elektrischen Feld (163 kV/cm) zu einer deutlich längeren Löschzeit von 444 ms (statt 44 ns bei InGaAs/GaAs-Quantenpunkten). Darüber hinaus können in der GaAsSb/GaAs-Probe alle drei möglichen Emissionsprozesse (thermischen Emission, thermisch-assistierte Tunnelemission und Tunnelemission) erstmals direkt beobachtet werden. Bislang fehlt eine theoretische Beschreibung des Emissionsprozesses aus Quantenpunkten, die sowohl den thermischen Anteil als auch den Tunnelanteil berücksichtigt. Um diese Lücke zu schließen, wird ein neuer Ansatz zur Beschreibung der gesamten Emissionsrate hergeleitet. Die gesamte Emissionsrate setzt sich dabei additiv aus den Anteilen thermische Emission, thermisch-assistierte Tunnelemission und Tunnelemission zusammen. Auf Basis dieses neuen Ansatzes wird ein Simulationsprogramm zur Berechnung der Emissionsrate in beliebigen quantenpunktbasierten Speicherstrukturen entwickelt. Eine Gegenüberstellung von Simulation und Messung am Beispiel der GaAsSb/GaAs-Probe liefert die Bestätigung, dass die neue Formulierung den Emissionsprozess richtig beschreibt. Mit Hilfe des Simulationsprogramms wird der Einfluss eines Band-Engineerings auf die Löschzeiten für verschiedene Formen von Emissionsbarrieren berechnet. Auf Basis der Erkenntnisse, die aus den Untersuchungen der Speicheroperationen gewonnen werden können, werden zwei Speicherkonzepte (QD-Flash und alternativer QD-Flash) entwickelt, die die Anforderungen an den ultimativen Speicher erfüllen können. Das Konzept des QD-Flash wird an mehreren Prototypen umgesetzt und die Speicher-operationen werden detailliert untersucht. Ein Wechsel des Matrixmaterials von GaAs zu Al0,9Ga0,1As führt zu einer erfolgreichen Demonstration des QD-Flash Konzepts bei Raumtemperatur. Damit wird ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung eines quantenpunktbasierten Speichers erreicht und der Machbarkeitsnachweis des Speicherkonzepts erbracht.
The development of a memory cell, which combines the advantages of the two most important semiconductor memories (DRAM and Flash) is one of the major challange in the memory industry. This so called ultimate memory would provide fast write times (<10 ns) irrespective of the storage time, i.e. also for storage times of 10 years. Self-organized quantum dots as memory units are a novel promising approach to develop this ultimate memory. The aim of this work is a systematic investigation of the charge carrier dynamics in quantum dot based memory structures. This will evaluate the potential of self-organized quantum dots as memory units and will explain the basic mechanism of the storage operations (storage, writing and erasing). The knowledge gained from this will incorporate in the realization of a memory concept based on self-organized quantum dots with prototypes. Hence, this work contributes to the development of the ultimate memory. To increase further the storage time in quantum dots, InAs/GaAs-quantum dots with a Al0,9Ga0,1As-barrier are combined. With charge selective DLTS an increase of the storage time at room temperature from 0,5 ns to 1,6 s is determined. Quantum dots with this novel material combination exceed a DRAM cell in respect of the storage time by a factor of 25. The dependence of the storage time on the localization energy of the quantum dots allows an estimation of the storage time of different material combination. To achieve non-volatility, i.e. a storage time of 10 years, a localization energy of 1,14 eV has to be reached. 8-band k.p calculations on antimony and phosphor based quantum dots results in a hole localization energy of 1,4 eV. A non-volatile memory based on self-organized quantum dots seems to be feasible. To determine the write and erase times in quantum dot based memory structures a novel measurement method has to be developed, as the conventional capacitance spectroscopy is not able to measure expected times of nanoseconds. The two material combinations InGaAs/GaAs and GaAsSb/GaAs are investigated with this new method. For both material combinations write times in the range of the DRAM cell can be demonstrated: 6 ns for InGaAs/GaAs and 14 ns for GaAsSb/GaAs. Hence, a basic prerequisite for the implementation of self-organized quantum dots as memory units in an ultimate memory is fulfilled. The investigations on the GaAsSb/GaAs sample show that in contrast to the write time the erase time shows a dependence on the storage time of the quantum dots. The higher localization energy of the GaAsSb/GaAs quantum dots leads to a longer erase time of 444 ms (instead of 44 ns for the InGaAs/GaAs quantum dot). In addition it can be observed for the first time all three possible emission processes (thermal emission, thermal-assisted tunnel emission and tunnel emission). Up to now a theoretical description of the emission processes out of quantum dots lacks, which includes the thermal part as well as the tunnel emission. To bridge this gap a novel ansatz to describe the total emission rate is developed. The total emission rate is a combination of thermal emission, thermal-assisted tunnel emission and tunnel emission. Based on this novel ansatz a simulation to calculate the emission rate in different quantum dot based memory structures is developed. A comparison of simulation and experiment with the GaAsSb/GaAs sample confirms the novel ansatz. With the simulation program the influence of a band-engineering on the erase times for different shapes of the emission barrier is investigated. It is demonstrated that with a rectangular barrier the erase time is shorten by 9 orders of magnitude. But the calculation of the storage time shows that the implementation of a rectangular emission barrier will also decrease the storage time by the same order of magnitude. Based on the knowledge from the investigation of the storage operations, two memory concepts are developed (QD-Flash and alternative QD-Flash). Both fulfill the prerequisite of the ultimate memory. The concept of the QD-Flash is realized at different prototypes. The memory operations are investigated in detail. A change of the matrix material from GaAs to Al0,9Ga0,1As leads to a proof of concept of the QD-Flash at room temperature. Hence, an important milestone towards the development of a quantum dot memory is reached and the feasibility of the memory concept is confimed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-29515
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3088
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2791
Exam Date: 22-Oct-2010
Issue Date: 12-Apr-2011
Date Available: 12-Apr-2011
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Flash
Kapazitätsspektroskopie
Nanostrukturen
Quantenpunkte
Speicher
Capacitance spectroscopy
Flash
Memory
Nanostructures
Quantum dots
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