Kapazitäts- und Kapazitätstransientenspektroskopie an selbstorganisiert gewachsenen InAs-Quantenpunkten

Abstract

In dieser Arbeit werden selbstorganisiert gewachsene InAs/GaAs-Quantenpunkte (InAs-QP) mit Kapazitätsspektroskopie, Kapazitätstransientenspektroskopie (Deep Level Transient Spectroscopy, DLTS) und Admittanzspektroskopie untersucht.

Mit allen drei Messmethoden wird die diskrete Energiestruktur der InAs-QP für Elektronen nachgewiesen. Dabei werden sowohl s- als auch p-artige Niveaus und Coulombblockade-Effekte beobachtet.

Bei DLTS-Messungen wird ein sehr starker Einfluss des elektrischen Feldes auf die gefundenen Emissionsenergien beobachtet. Dieser Feldeffekt kann nicht durch den Poole-Frenkel-Effekt erklärt werden, sondern erst bei Berücksichtigung des thermisch assistierten Tunnelns. Dabei handelt es sich um einem kombinierten Emissionsprozess aus thermischer Emission und Tunnelemission. Die bei Berücksichtigung dieses Prozesses gefundenen Bindungsenergien sind nahezu feldunabhängig und stehen mit den aus Kapazitäts- und Admittanzspektroskopie gefundenen Werten in guter Übereinstimmung.

Weiterhin wurden erstmals DLTS-Messungen an InAs-QP im Magnetfeld durchgeführt. Messungen im senkrecht zur QP-Ebene orientierten Magnetfeld zeigen in Analogie zur Kapazitätsspektroskopie eine Dispersion der Emissionsenergien des p-Niveaus. Messungen im parallelen Magnetfeld zeigen eine Reduktion des Tunnelbeitrags beim thermisch assistierten Tunnel-Prozess.

Bei tiefen Temperaturen und niedrigen elektrischen Feldstärken sind die Emissionsraten von Elektronen in InAs-QP sehr gering. So können Elektronen über mehrere Tage in den InAs-QP gespeichert werden. Dabei ist die Speicherdauer stark abhängig von der elektrischen Feldstärke. Durch Auswerten von Tunnelemissionsraten bei tiefen Temperaturen werden ebenfalls Bindungsenergien von Elektronen bestimmt (Tunnel-DLTS). Die Bindungsenergie des s-Niveaus stimmt dabei mit den durch Kapazitätsspektroskopie und DLTS gefundenen Werten überein.

Abschließend werden Laplace-DLTS Messungen an InAs-QP vorgestellt. Dabei hat sich gezeigt, dass die Anwendung dieses hochauflösenden DLTS-Verfahrens auf InAs-QP trotz der sehr schmalen Energieverbreiterung der InAs-QP erschwert wird. Somit ist Laplace-DLTS nur begrenzt anwendbar auf InAs-QP.

In this work selfassembled InAs/GaAs quantum dots (SAQD) are studied with capacitance spectroscopy, transient capacitance spectroscopy (deep-level transient spectroscopy, DLTS) and admittance spectroscopy. The spectra obtained with these methods reveal the energy-structure of the SAQD i.e. s-shell, p-shell and as well as the Coulomb-blockade energy.

With DLTS a strong electric-field effect on the emission energies is found. The emission energies decrease with increasing field. This effect cannot be explained by the Poole-Frenkel Effect, furthermore thermally assisted tunneling has to be taken into account. Thermally assisted tunneling is a combined process of thermal emission and subsequent tunneling into the conduction band. Taking this process into account within a simple one-dimensional model, nearly field-independent binding energies have been found. These binding energies are in good agreement with those determined by capacitance spectroscopy. Also admittance spectroscopy has been performed on SAQD. The determined binding energies are in good agreement with those determined from capacitance spectroscopy and DLTS. Admittance spectroscopy provides the lowest possible electric field at the SAQD-layer with respect to DLTS.

Furthermore DLTS investigations on SAQD in a magnetic field are presented for the first time. In a magnetic field perpendicular to the SAQD-Layer the well known dispersion of the p-states is resolved. In a magnetic field parallel to the SAQD-layer the reduction of the tunneling contribution within the thermally assisted tunneling process has been observed.

At low temperatures in low electric fields the emission rates of electrons in SAQD are very low. So electrons in the SAQD can be stored for several days. The storage time depends sensitively on the electric field at the SAQD. By determining tunnel-emission rates with respect to the electric field also binding energies of the s- and p-state has been found (tunnel-DLTS). The binding energy of the s-state is in good agreement to the value found with capacitance spectroscopy.

Finally Laplace-DLTS measurements on SAQD have been performed. The application of this method on SAQD seems to be difficult in spite of the narrow energy distribution of the SAQD.