Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-329
Main Title: Carrier Emission and Electronic Properties of Self-Organized Semiconductor Quantum Dots
Translated Title: Ladungsträgerdynamik und elektronische Eigenschaften von selbstorganisierten Quantenpunkten
Author(s): Kapteyn, Christian
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ladungsträgerdynamik und elektronische Eigenschaften von selbstorganisierten Quantenpunkten werden in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe von Kapazitätstransientenspektroskopie (deep level transient spectroscopy DLTS) untersucht. Es wird über die ersten mit dieser Methode überhaupt durchgeführten Studien an InAs/GaAs und Ge/Si Quantenpunkten berichtet. Beim Emissionsprozeß von Elektronen aus einer Dreifachschicht von InAs/GaAs Quantenpunkten werden thermische Aktivierung und Tunnelemission beobachtet. Die Aktivierungsenergie in Höhe von 94 meV wird als Energiedifferenz zwischen Elektronengrundzustand und erstem angeregten Zustand interpretiert. Proben mit einer Einzelschicht InAs/GaAs Quantenpunkte weisen eine Aktivierungsenergie von 82 meV für den entsprechenden Übergang auf. Löcheremission in solchen Quantenpunkten erfolgt ausschließlich aufgrund thermischer Aktivierung vom Quantenpunkt-Grundzustand in das Valenzband des GaAs. Die zugehörige Aktivierungsenergie, 194 meV, ist dementsprechend deutlich größer als diejenige der Elektronen. Tunnelemission für Löcher wird nicht beobachtet, da die wesentlich größere effektive Masse zu einer verminderten Tunnelwahrscheinlichkeit führt. Das aus den Messungen abgeleitete Quantenpunkt-Termschema stimmt gut mit Ergebnissen optischer Untersuchungen, admittanzspektroskopischer Messungen und Berechnungen mit Hilfe der 8-Band k·p Theorie überein. Zudem wurde der Einfluss des elektrischen Feldes und der Fermilevel-Position auf den Emissionsprozeß untersucht. Die Löcheremission aus mehrfach geladenen Ge/Si Quantenpunkten weist eine Grundzustands-Aktivierungsenergie von 350 meV auf, was mit Ergebnissen von Photolumineszenz- und Admittanz-Messungen übereinstimmt. Löcheremission mit einer Aktivierungsenergie von etwa 100 meV wird Ladungsträgern aus dem Wetting-Layer zugeordnet. Es wird gezeigt, daß durch Wahl geeigneter Füllpuls- und Detektionsspannung Quantenpunkte auch nur teilweise geladen oder entleert werden können. Dies spiegelt sich unter anderem in der Aktivierungsenergie wider. Aus den hier berichteten Beobachtungen ergibt sich, daß Vielteilcheneffekte die elektronischen Eigenschaften und damit die Ladungsträgeremissionsprozesse in selbstorganisierten Quantenpunkten wesentlich beeinflussen. Ein in dieser Arbeit entwickeltes Microstate-Modell erlaubt die Berechnung von DLTS-Spektren der Ladungsträgeremission aus Quantenpunkten. Dabei zeigt sich eine starke Abhängigkeit des DLTS-Signals von der elektronischen Struktur der Quantenpunkte. Die hier präsentierten experimentellen und theoretischen Ergebnisse demonstrieren die besondere Eignung kapazitätsspektroskopischer Methoden für die Untersuchung von Quantenpunkten.
In this work, the carrier dynamics and electronic properties of self-organized semicon-ductor quantum dots are studied by depletion-layer capacitance transient spectroscopy (or deep level transient spectroscopy DLTS). The first experimental investigations of carrier escape from InAs/GaAs and Ge/Si quantum dots by this method are reported. In the emission of electrons from a triple-layer of InAs/GaAs quantum dots, thermal activation and tunnel escape from the ground state are clearly identified. The thermally activated process with an activation energy of 94 meV is attributed to the transition from the electron ground state to the first excited state. For single-layer samples an activation energy of 82 meV for electron escape for the same transition is determined. Hole emission from such quantum dots is found to be solely due to thermal activation from the quantum dot hole ground state to the matrix valence band. The activation energy of 194 meV is hence much larger than in the case of electrons. The absence of tunneling in the hole escape process is explained by the larger effective mass, which leads to a decreased tunneling probability. The derived quantum dot energy level scheme agrees well with results from optical investigations, admittance spectroscopy, and predictions based on eight-band k·p theory including strain and piezoelectricity. Furthermore, the influence of the electric field and the position of the Fermi level on the emission process is studied. From the investigation of hole escape from multiply-charged Ge/Si quantum dots, a ground state activation energy of 350 meV was obtained, in good agreement with results from photoluminescence and admittance spectroscopy. Furthermore, hole emission with an activation energy of about 100 meV is observed, which is attributed to carrier escape from the Ge wetting layer. It is demonstrated, that by adjusting filling pulse bias and reverse bias, the quantum dots can be partly filled or emptied. This is reflected also by the activation energy. From these observations it is concluded that many-particle effects dominate the electronic structure, and thus the carrier capture and emission processes in self-organized quantum dots. By simulating DLTS spectra of carrier escape from quantum dots with help of a microstate model developed in this work, a strong dependence on the electronic structure is revealed. The presented experimental and theoretical results demonstrate the capabilities of capacitance techniques for investigating quantum dot systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-2319
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/626
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-329
Exam Date: 10-May-2001
Issue Date: 17-Jan-2002
Date Available: 17-Jan-2002
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Capacitance
Carrier dynamic
Nanostructure
Quantum dot
Semiconductor
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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