Dioden mit Quantenpunkten

Mittels der Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie wird die Ladungsträgerverteilung in einem Halbleiterbauelement untersucht. Baut man zusätzlich Quantenpunkte in diese Strukturen ein, so kann man durch den veränderten Verlauf der CV-Kennlinie Aussagen über die Eigenschaften letzterer machen [Bim99], [Mie00], [Bro98], [Dre94], [Fin98], [Böd99], [Sch01b].

Für diese Messungen werden in einen schwach dotierten Bereich (Dotierungskonzentration $10^{15} - 10^{16} \ cm^{-3}$) einer Diode Quantenpunkte eingebettet, die wiederum in der Nähe (in der Regel mehrere hundert Nanometer) eines einseitig-abrupten Übergangs sind, zum Beispiel einem $p^+n$-Übergang, wo sich die Raumladungszone befindet. Dabei ist der Abstand der Quantenpunkte vom Übergang so groß, daß sie bei $0\ V$ außerhalb der Raumladungszone liegen, also mit Ladungsträgern gefüllt sind.

Experimentelle CV-Messungen einer pn-Diode mit Quantenpunkten (Probe T3189, Abschnitt 2.6.2) und der zugehörigen Referenzprobe ohne Quantenpunkte (Probe T3191) sind in Abbildung 2.3 dargestellt [Kap99], [Kap01].

Anlegen einer Spannung in Sperrichtung führt dazu, daß sich die Raumladungszone ausdehnt. Dabei entleert sie zuerst den schwach dotierten Bereich vor den Quantenpunkten, es ergibt sich ein Verlauf der experimentellen Kennlinie analog zu Abbildung 2.2.

In Abbildung 2.3 hat die Raumladungszone bei einer Sperrspannung von ca. $-1\ V$ die Quantenpunkte überstrichen, sämtliche freien Ladungsträger der Umgebung sind weg, es verbleiben noch die Ladungsträger in den Quantenpunkten, eingebettet in die ortsfesten, jetzt ionisierten Störstellen.

Geht man zu noch höheren Sperrspannungen ($-1\ V$ ...$-5\ V$) über, werden auch die Quantenpunkte entladen. Eine genaue Diskussion dieser Vorgänge anhand von zu verschiedenen Sperrspannungen $U$ berechneten Ladungsträgerdichten mit zugehöriger Bandstruktur wird in Abschnitt 2.6.1 durchgeführt.

Die zusätzlichen Ladungsträger der Quantenpunkte haben einen signifikanten Einfluß auf den Verlauf der CV-Kennlinie. Bei der Spannung, an der die Quantenpunkte entladen werden, erhöhen deren Ladungsträger die Änderung der Gesamtladung, gemäß

$$C = \frac{d Q}{d U} = \frac{d ( Q_{bulk} + Q_{QD}) }{d U}$$ (2.6)

führt das zu einer Erhöhung der Kapazität. $Q_{bulk}$ bezeichnet die herkömmliche Ladung in der Diode, $Q_{QD}$ die Ladung in den Quantenpunkten.

Abbildung 2.3: Experimentelle CV-Kennlinien der Proben T3189 (pn-Diode mit Quantenpunkten, siehe Abschnitt 2.6.2) und T3191 (zugehörige Referenzprobe ohne Quantenpunkte) [Kap00b], [Kap01].

Der durch die Quantenpunkte neu entstandene Kurvenverlauf ist im Vergleich zu einer Diode ohne Quantenpunkte exemplarisch für die Probe aus Abschnitt 2.6.2 in Abbildung 2.3 dargestellt. Man sieht ganz klar, daß der Einbau von Quantenpunkten in die Diode den Kurvenverlauf verändert hat. Ferner ist ersichtlich, daß zusätzlich zu den durch die Quantenpunkt-Energieniveaus entstandenen Plateaus die CV-Kennlinien beider Proben auch vor und hinter diesen Plateaus voneinander abweichen. Das ist sowohl auf die Tatsache zurückzuführen, daß die in den Quantenpunkten lokalisierten Ladungsträger die freien Ladungen in ihrer Umgebung abstoßen, als auch auf mögliche Unterschiede in der Dotierungskonzentration beider Proben. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gesamtladung im Bauteil durch die Quantenpunkte nicht erhöht wird.

Mittels (2.5) läßt sich aus einer Kennlinie nun ein scheinbares Dotierungsprofil errechnen, Aussagen über die elektronische Struktur der Quantenpunkte können damit aber nicht gemacht werden. Ein detailliertes Modell ist nötig, daß die Besetzung der Quantenpunkte in Abhängigkeit von der angelegten Spannung berechnet, sowie die Wechselwirkung der Quantenpunkte mit ihrer Umgebung berücksichtigt. Eine so ermittelte theoretische CV-Kennlinie kann mit dem Experiment verglichen werden, um eine Charakterisierung der Quantenpunkte durchzuführen. Dies soll in den folgenden Abschnitten dargestellt werden und geschehen.