Elektrische karakterisatie van germanium-gerelateerde kwantumdots

Promotoren: Henk Vrielinck en Eddy Simoen (WE04 en imec)
Begeleiding: Henk Vrielinck en Eddy Simoen (WE04 en imec)
Aansluitende vakken (F&S): Vastestoffysica, Vastestof- en nanofysica, Capita selecta van de vastestoffysica
Aansluitende vakken (EngPhys): Vastestoffysica en halfgeleiders I & II, Physics of semiconductor devices, Quantum physics of solids
Aansluitende clusters (EngPhys): Electronics, Materials

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

 

Context:

Er komt voorlopig geen einde aan de schaling van de componenten voor de micro-elektronica. Anno 2017 zijn we het nanotijdperk ingetreden met transistorafmetingen die nominaal 7 nm bedragen. Nanostructuren hebben specifieke eigenschappen die onder andere te maken hebben met kwantisatie-effecten, wat tot nieuw toepassingen kan leiden. Men kan onderscheid maken tussen drie-dimensionale (3D), 2D, 1D en zelfs 0D structuren. Een voorbeeld van de laatste klasse zijn de zogenaamde “quantum dots” (QDs), waarvan de basiseigenschappen veel gelijkenissen hebben met die van een atoom, zij het dat de afmetingen van de orde van een paar tot een 10tal nm zijn. De fysica van QDs vertoont in feite veel gelijkenissen met die van een puntdefect in een halfgeleider.

Dergelijke QDs worden normaal ingebed in een halfgeleider of een oxide matrix en kunnen op verschillende manieren gevormd worden. Een voorbeeld zijn de In(Ga)As QDs gedeponeerd op GaAs via Moleculaire Bundel Epitaxie (MBE): gezien het grote verschil in roosterparameter gaat de depositie gepaard met een grote mechanische spanning die vanaf een kritische dikte gerelaxeerd kan worden door de vorming van eilanden. Dergelijke QDs vinden bijvoorbeeld toepassingen in opto-elektronica (lasers en light-emitting diodes) en in niet vluchtige geheugens.

Sinds een half jaar bestaat er een samenwerking met Dr. Aouassa in verband met de studie van Ge-gerelateerde QDs ingebed in siliciumdioxide (SiO2). De Ge QDs worden gedeponeerd met behulp van MBE (Fig. 1), met een gemiddelde grootte die afhangt van de depositieparameters. In het geval van Fig. 2a is de afmeting van de orde van 3 nm. Deze Ge QDs kunnen opgeladen worden vanuit het n-type silicium substraat, waarbij de elektronen tunnelen door 5 nm SiO2. Door de aanwezigheid van het tunneloxide zal de lading in principe permanent op de dots blijven, wat aanleiding geeft tot een niet vluchtig geheugen. Om de werking en de eigenschappen van deze QDs te bestuderen kan gebruik gemaakt worden van elektrische metingen op een Metaal-Oxide-Halfgeleider (MOS) capaciteit. Een voorbeeld daarvan is weergegeven in Fig. 2b, waar duidelijk een hysteresis te zien is in de capaciteit bij 1 MHz. Meer gedetailleerde informatie kan verder bekomen worden met behulp van Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) op dezelfde structuren.

 

Doelstelling:

Het is de bedoeling van het onderzoek om metingen zoals hierboven beschreven uit te voeren op magnetische GeMn QDs, met mogelijke toepassingen in spintronica. We willen de parameters van dergelijke MOS structuren bepalen en begrijpen: de vlakkebandpotentiaal, de hysteresis en de dichtheid van grensvlaktoestanden, en de invloed van QDs op dit alles. Een eerste stap in het werk is het vervaardigen van een MOS capaciteit door het opdampen van Al contactjes op het SiO2. Aan dergelijke MOS structuren zullen gedetailleerde C-V (capaciteit-spanning) metingen worden uitgevoerd als functie van de temperatuur en eventueel ook als functie van de frequentie. Deze resultaten zullen verder worden onderbouwd met behulp van DLTS metingen, waarmee men in principe zowel de grensvlaktoestanden als de QDs kan meten (energieniveaus, concentraties). De informatie uit deze twee types experimenten dient verder als input voor elektrische modellen voor de MOS capaciteit en zo ook voor ladingsvangst door de QDs. Bijkomende informatie ook gewonnen worden uit ver-infrarood absorptiespectroscopie.

 

Fig. 1. MBE reactoren voor de depositie van Ge-gerelateerde QDs (dr. Aouassa).
Fig. 1. MBE reactoren voor de depositie van Ge-gerelateerde QDs (dr. Aouassa).


Fig. 2. (a) 3 nm Ge QDs op SiO2 en (b) corresponderende C-V curve bij 1 MHz en kamertemperatuur gemeten op een Al MOS capaciteit.
Fig. 2. (a) 3 nm Ge QDs op SiO2 en (b) corresponderende C-V curve bij 1 MHz en kamertemperatuur gemeten op een Al MOS capaciteit.