Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3721
Main Title: Electronic properties of and carrier dynamics in self-organized quantum dots for memories
Translated Title: Elektronische Eigenschaften und Ladungsträgerdynamik in selbstorganisierten Quantenpunkten für Speicher
Author(s): Nowozin, Robert Tobias Heinrich
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Referee(s): Bimberg, Dieter
Lorke, Axel
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit untersucht die elektronischen Eigenschaften und die Ladungsträgerdynamik in selbstorganisierten Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) mittels Kapazitäts-Spannungs (C-V) Spektroskopie, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) und zeitaufgelösten Strommessungen. Der Hintergrund und die Motivation sind dabei die weitere Erhöhung der Speicherzeit in einem quantenpunktbasierten Speicher, sowie die Untersuchung des Ausleseprozesses in einem solchen Speicher. Deshalb gliedert sich die Arbeit in zwei Teile. Im ersten Teil werden die elektronischen Eigenschaften, also die Lokalisierungsenergie und der Einfangquerschnitt, für unterschiedliche Materialsysteme untersucht. GaSb/GaAs QDs mit und ohne AlxGa1-xAs-Barrieren werden mittels DLTS untersucht. Die Lokalisierungsenergien für die GaSb/GaAs QDs liegen zwischen 460(±20) meV und 760(±20) meV. Die höchste Lokalisierungsenergie von 800(±50) meV wird in einem System mit zus¨atzlichen Al0.3Ga0.7As- Barrieren erreicht. Die Einfangquerschnitte liegen zwischen 1 · 10-12 cm^2 und 5 · 10-11 cm^2. Basierend auf der Theorie der thermischen Emission lassen sich mit diesen Werten die Speicherzeiten bei Raumtemperatur extrapolieren, welche zwischen 100 ns und 80 ms liegen. Im Vergleich zu früheren Arbeiten konnte die Lokalisierungsenergie in QDs also gesteigert werden, auf Grund des größeren Einfangquerschnitts liegt die Speicherzeit jedoch unterhalb des bisherigen Rekords für QDs. Zum ersten Mal wurden im Rahmen dieser Arbeit GaSb/GaAs Quantenringe (QRs) mittels DLTS untersucht. Durch die kleinere Größe im Vergleich zu den QDs, haben die QRs nur eine Lokalisierungsenergie von 380(±10) meV, wobei der Einfangquerschnitt vergleichbar mit dem der QDs ist. Ebenso zum ersten Mal wurden QDs in einer GaP-Matrix untersucht. Hier wurde eine mittlere Aktivierungsenergie von 450(±20) meV bei einem Einfangquerschnitt von 2·10-13 cm^2 für In0.25Ga0.75As/GaAs/GaP QDs bestimmt. Diese Werte führen zu einer Speicherzeit von 3 µs bei 300 K. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Kopplung einer Schicht von InAs QDs an ein benachbartes zweidimensionales Lochgas (2DHG) in einer Serie von Proben mit unterschiedlichen Tunnelbarrieren untersucht. C-V und zeitaufgelöste Strommessungen erlauben die Bestimmung der Energieabstände zwischen den einzelnen Vielteilchen-Lochzuständen in den InAs QDs. Die gemessenen Werte stimmen gut mit vorhergesagten Werten der 8-Band k·p-Theorie überein. Zum ersten Mal werden diese Messungen auch bei Temperaturen oberhalb von 4 K durchgeführt. Dabei werden die Emissions- und Einfangtransienten eingehender untersucht. Sie erlauben die Identifikation der zugrunde liegenden Prozesse, welche bei Erhöhung der Temperatur von reinen Tunnelprozessen zu thermisch-assistierten Tunnelprozessen übergehen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit werden Vorschläge für neue Materialkombinationen gemacht: GaSb/AlxGa1-xAs mit einem Al-Gehalt oberhalb von 30%, GaSbxP1-x/AlyGa1-yP QDs und Nitrid-basierte QDs. Diese Materialen werden die Lokalisierungsenergie und somit die Speicherzeit in einem QD-basierten Speicher weiter erhöhen, möglicherweise sogar bis zu zehn Jahren Speicherzeit bei 300 K. Vorschläge für ein verbessertes Design optimieren den Speicher für den schnellen Betrieb bei Raumtemperatur.
This work investigates the electronic properties of and carrier dynamics in self-assembled semiconductor quantum dots (QDs) by means of static capacitance-voltage (C-V) spectroscopy, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS), and time-resolved current measurements. The background and motivation is to further increase the storage time in a memory device based on self-assembled QDs, and to study the read-out process in such a memory. Hence, the work consists of two parts. In the first part, the electronic properties, such as the hole localization energy and the apparent capture cross section, are studied for various material systems. GaSb/GaAs QDs with and without AlxGa1-xAs barriers are studied by DLTS. The localization energies found for the GaSb/GaAs QDs are between 460(±20) meV and 760(±20) meV. The maximum localization energy of 800(±50) meV is reached with additional Al0.3Ga0.7As barriers. The apparent capture cross sections are between 1 · 10-12 cm^2 and 5 · 10-11 cm^2. Based on the theory of thermal emission, a storage time at room temperature between 100 ns and 80 ms is extrapolated for these values. Compared to previous work, the localization energy in QDs was increased, but due to a smaller apparent capture cross section, the storage time is still smaller than previously achieved values. For the first time, GaSb/GaAs quantum rings (QRs) are studied by DLTS. As a result of their smaller size compared to QDs, a localization energy of just 380(±10) meV is found, while the apparent capture cross section is comparable to the one of QDs. Also for the first time, a sample based on QDs in a GaP matrix is investigated. A mean activation energy of 450(±20) meV with an apparent capture cross section of 2 · 10-13 cm^2 is found for In0.25Ga0.75As/GaAs/GaP QDs, resulting in a room temperature storage time of 3 µs. In the second part, the coupling of a layer of InAs QDs to an adjacent two-dimensional hole gas (2DHG) is studied for a series of samples with different tunneling barriers. C-V measurements and time-resolved current measurements reveal the level-splittings of the many-particle hole levels in the InAs QDs. The values are found in good agreement with predictions from 8-band k·p theory. For the first time, these measurements are also performed at temperatures above 4 K. The emission and capture processes between the QDs and the 2DHG are studied and give insight into the type of the emission and capture processes, which change from pure tunneling to thermal-assisted tunneling when the temperature is increased. Based on the results of this work, recommendations for novel heterostructures are given: GaSb/AlxGa1-xAs with an Al-content beyond 30%, GaSbxP1-x/AlyGa1-yP QDs, and nitride-based QDs. These materials further increase the localization energy and the storage time in a QD-based memory, possibly to more than ten years at 300 K. An enhanced device design optimizes the device for fast operation at room temperature.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-39230
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4018
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3721
Exam Date: 14-Jun-2013
Issue Date: 18-Jul-2013
Date Available: 18-Jul-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Quantenpunkte
Speicher
Vielteilchengrundzustände
GaSb/GaAs
InAs/GaAs
Many-particle ground states
Memories
Quantum dots
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Festkörperphysik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
nowozin_tobias.pdf4.93 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.