Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6072
Main Title: Towards non-volatility in quantum-dot-based memories
Translated Title: Zur Erreichung der Nichtflüchtigkeit in quantenpunktbasiertem Speicher
Author(s): Bonato, Leo
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Referee(s): Mikolajick, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The aim of this work is the extension of the hole storage time at room temperature in self-organised semiconductor quantum dots (QDs), with the long-term goal of achieving non-volatility in said QDs in order to develop a novel charge-storage memory architecture. Static capacitance spectroscopy (C--V profiling) and time-resolved capacitance spectroscopy (deep level transient spectroscopy, DLTS) are used to determine the localisation energy and the apparent capture cross-section for holes. The two quantities are in turn used to extrapolate the hole storage time at room temperature. Two systems were characterised for the first time in this work: In0.5Ga0.5As QDs on a GaAs interlayer embedded in GaP with an additional AlP barrier, and GaSb QDs embedded in GaP. The localisation energy measured for the In0.5Ga0.5As/GaAs/AlP/GaP QDs system is E_loc = 1.15 (+- 0.03) eV, with an associated capture cross-section sigma = 8 x 10^-10 cm^2 (with an uncertainty of 0.4 orders of magnitude). The height of the AlP barrier is estimated as 0.52 (+-0.01) eV, which results in a localisation energy of 0.63 (+-0.03) eV for the sole QDs without barrier. An extrapolated hole storage time at room temperature for the "QDs + barrier'' system of 260 s (with an uncertainty of 0.1 orders of magnitude) was achieved, representing an improvement of 2 orders of magnitude compared to previous studies. For the GaSb/GaP QDs system, several samples were grown under different conditions in order to investigate their effect on the localisation energy and the capture cross-section. The sample grown under optimal conditions demonstrated a localisation energy E_loc = 1.18 (+-0.09) eV and an apparent capture cross-section sigma = 1 x 10^-12 cm^2 (with an uncertainty of 0.1 orders of magnitude). The corresponding hole storage time at room temperature is 3.9 days (with an uncertainty of 0.04 orders of magnitude), marking an improvement of further 3 orders of magnitude and an absolute record for hole storage time at room temperature in self-organised quantum dots. Measurements on the other samples indicate that the capture cross-section can indeed be manipulated by adjusting the growth parameters. A precise protocol for capture cross-section engineering could however not be developed within the scope of this thesis. Based on the results of this work, recommendations are given for further extending the hole storage time at room temperature in self-organised quantum dots. Firstly, non-volatility can be achieved in the GaSb/GaP QDs system either by increasing the Sb content in the QDs or by adding an AlP barrier below the QD layer. Secondly, other novel heterostructures with very large projected localisation energies are proposed: GaSb/Al0.51In0.49P QDs (E_loc = 1.25 eV), which presents the additional advantage of being lattice-matched to GaAs, and InGaSb/GaP QDs (E_loc = 1.5 eV). Thirdly, the storage time can be increased by reducing the capture cross-section. The latter suggestion requires the development of a reliable technique for cross-section engineering.
Ziel dieser Arbeit ist die Verlängerung der Lochspeicherzeit selbstorganisierter Halbleiter-Quantenpunkte (QPe) bei Raumtemperatur. Das angestrebte langfristige Endziel ist die Erreichung der Nichtflüchtigkeit in den oben genannten QPen, um eine darauf basierte Speicherarchitektur zu entwickeln. Statische Kapazitätsspektroskopie (C--V-Charakterisierung) und zeitaufgelöste Kapazitätsspektroskopie (deep level transient spectroscopy, DLTS) wurden zur Bestimmung der Loch-Lokalisierungsenergie und -Einfangquerschnittes angewendet. Aus jenen Größen wird die Lochspeicherzeit bei Raumtemperatur extrapoliert. Zwei neuartige Materialsysteme wurden zum ersten Mal in dieser Arbeit charakterisiert. Das erste Materialsystem besteht aus in GaP eingebetteten In0.5Ga0.5As-QPen, die auf einer GaAs-Zwischenschicht gewachsen wurden. Eine zusätzliche AlP-Barriere dient zur Verlängerung der Speicherzeit. Das zweite Materialsystem besteht aus in GaP eingebetteten GaSb-QPen. Die gemessene Lokalisierungsenergie der In0.5Ga0.5As/GaAs/AlP/GaP-QPe-Materialsystem ist E_lok = 1.15 (+-0.03) eV, mit Einfangquerschnitt sigma = 8 x 10^-10 cm^2 (Messabweichung: 0.4 Größenordungen). Die Höhe der AlP-Barriere beträgt 0.52 (+-0.01) eV, was eine Lokalisierungsenergie 0.63 (+-0.03) eV für die alleinigen QPe (ohne Barriere) entspricht. Die extrapolierte Speicherzeit bei Raumtemperatur des "QPe + Barriere''-Systems kommt auf 260 s (Messabweichung: 0.1 Größenordungen). Die erzielte Speicherzeit stellt ein Fortschritt von 2 Größenordungen im Vergleich mit vorigen Ergebnissen dar. Für das GaSb/GaP-QPe-System wurden unter unterschiedlichen Bedingungen verschiedenen Proben gewachsen, um den Effekt der Wachstumsbedingungen auf die Lokalisierungsenergie und den Einfangquerschnitt festzustellen. Die maximale erreichte Lokalisierungsenergie ist E_lok = 1.18 (+-0.09) eV, mit Einfangquerschnitt sigma = 1 x 10^-12 cm^2 (Messabweichung: 0.1 Größenordungen). Die entsprechende Speicherzeit beträgt 3.9 Tage (Messabweichung: 0.04 Größenordungen). Dies macht einen weiteren Fortschritt von 3 Größenordungen aus und stellt einen absoluten Rekordwert für die Lochspeicherzeit bei Raumtemperatur in selbstorganisierten QPen dar. Die auf den anderen Proben ausgeführten Messungen bestätigen, dass der Einfangquerschnitt über die Wachstumsbedingungen manipuliert werden kann. Die Entwicklung eines vollständigen Verfahrens zur Steuerung des Einfangquerschnittes liegt aber außerhalb des Umfanges dieser Dissertation. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit werden Vorschläge für die weitere Verlängerung der Speicherzeit gemacht. Erstens, Nichtflüchtigkeit lässt sich in GaSb/GaP-QPen durch Erhöhung des Sb-Inhaltes oder durch Einsatz einer AlP-Barriere erreichen. Zweitens, weitere neuartige Heterostrukturen mit sehr hoher simulierter Lokalisierungsenergie werden vorgeschlagen: GaSb/Al0.51In0.49P-QPe (E_lok = 1.25 eV), die gitterangepasst auf GaAs gewachsen werden können, und InGaSb/GaP-QPe (E_lok = 1.5 eV). Drittens, die Speicherzeit lässt sich durch Verringerung des Einfangquerschnittes verlängern. Zu diesem Ziel muss jedoch zuerst ein zuverlässiges Verfahren zur Steuerung des Einfangquerschnittes entwickelt werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6579
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6072
Exam Date: 30-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 22-Aug-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::537 Elektrizität, Elektronik
Subject(s): InGaAs QDs
GaSb QDs
GaP
memory
self-organised quantum dots
InGaAs QPe
GaSb QPe
Speicher
selbstorganisierte Quantenpunkte
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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