GaSb-Quantenpunkte in pipn-Diode

Zuletzt wird Probe TU5823 aus der Arbeitsgruppe von Prof. Bimberg an der TU Berlin untersucht. CV-Messungen wurden im Rahmen von Untersuchungen zur Lokalisation von Löchern in Typ II GaSb/GaAs Quantenpunkten durchgeführt [Gel02]. Wie schon bei der Probe R1137A des vorangegangenen Abschnitts sind in den Quantenpunkten Löcher lokalisiert.

Gewachsen in einer MOCVD-Anlage, wurden auf ein Substrat aus stark Kohlenstoff-dotiertem ( $N_A =1.0 \times 10^{18}\ cm^{-3}$) GaAs (Rückkontakt), 700 nm Kohlenstoff-dotiertes ( $N_A = 2.5 - 3.0 \times 10^{16}\ cm^{-3}$) GaAs abgeschieden, gefolgt von 10 nm intrinsischem GaAs. Zur Bildung der Quantenpunkten wurden darauf 4.5 Monolagen GaSb deponiert und mit 7 nm intrinsischem GaAs überdeckt. Abgeschlossen wird das Bauteil von 500 nm Kohlenstoff-dotiertem ( $N_A = 2.5 - 3.0 \times 10^{16}\ cm^{-3}$) GaAs und 400 nm stark Silizium-dotiertem ( $N_D =7.0 \times 10^{18} cm^{-3}$) GaAs (Kontakt). Dioden wurden definiert durch chemisches Naßätzen, die kreisförmigen Mesa haben einen Durchmesser von $800\ \mu m$. In Abbildung 2.23 zeigt ein Inset die Probenstruktur zusammen mit den modifizierten Wachstumsparametern aus dem Fit.

Abbildung 2.23: Experimentelle (Symbol) und errechnete (Rot) CV-Kennlinie der Probe TU5823 [Gel02]. Die Rechnung ergibt eine Lage der Energieniveaus von $E_0 = 331\ meV$ und $E_1 = 282\ meV$ mit Verbreiterungen $\Delta E_0 = 104\ meV$ und $\Delta E_1 = 24\ meV$. Das Inset zeigt die Probenstruktur mit den modifizierten Wachstumsparametern, siehe auch Tabelle 2.11.

Mittels AFM-Untersuchungen an unbedeckten, identisch gewachsenen Quantenpunkten, wurde eine Flächendichte der Quantenpunkte von schätzungsweise $N_{QD} = 3.0 \times 10^{10}\ cm^{-2}$ ermittelt. Die Quantenpunkte haben im Mittel eine Höhe von ca. 4.0 nm und eine Kantenlänge der Grundfläche von ungefähr 22 nm [MK01]. In Abbildung 2.24 ist eine AFM-Aufnahme von unbedeckten GaSb-Quantenpunkten einer anderen Probe zu sehen.

In DLTS-Messungen an dieser Probe wurden Lokalisierungs-Energien bis $450\ meV$ nachgewiesen. Dies deckt sich mit Photolumineszenz-Spektren, die einen Grundzustand mit einer Aktivierungsenergie von $1.06\ eV$ zeigen. Anhand der Fläche unterhalb des Plateaus in der CV-Kennlinie (Abbildung 2.23), $Q \simeq \Delta U C$, ist abschätzbar, daß ungefähr 15 Löcher in den GaSb-Quantenpunkten gebunden sind [Wan96], [Gel02].

Rechnungen mittels 8-Band k.p-Theorie zu den GaSb-Quantenpunkten liegen nicht vor. Aus den Erfahrungen mit den Proben Z14a (Abschnitt 2.6.1) und 752-3 (Abschnitt 2.6.3), die CV-Kennlinien weisen jeweils ein breites Plateau auf, wurde für den Fit ein zweifach entarteter, verbreiterter Grundzustand $E_0$ und ein vierfach entarteter, verbreiterter, angeregter Zustand $E_1$ angenommen (2.8).

Tabelle 2.11: Nominelle Wachstumsdaten der Probe TU5823 [Gel02] und Ergebnisse des Fits.

Wachstumsdaten	$p^-$ (zw. $p^+$ und QD)	$p^-$ (zw. $n^+$ und QD)
nominell	$N_A = 2.5 - 3.0 \times 10^{16}\ cm^{-3}$	$N_A = 2.5 - 3.0 \times 10^{16}\ cm^{-3}$,500 nm
Fit	$N_A = 5.1 \times 10^{16}\ cm^{-3}$	$N_A = 3.2 \times 10^{16}\ cm^{-3}$, 580 nm

Abbildung 2.24: AFM-Aufnahme von unbedeckten GaSb-Quantenpunkten [MK01].

Ausgehend von diesen Energieniveaus und den bekannten Wachstumsparametern wurde ein Fit an die gemessene CV-Kennlinie durchgeführt. Fitparameter waren wie üblich die Energieniveaus $E_i$ und ihre Verbreiterungen $\Delta E_i$, die Dotierungen der an die intrinsischen Schichten angrenzenden Bereiche über und unter den Quantenpunkten, die Flächendichte $N_{QD}$ der Quantenpunkte sowie die Schichtdicke zwischen Quantenpunkten und $n^+p$-Übergang.

Das Ergebnis ist zusammen mit der experimentell bestimmten Kennlinie in Abbildung 2.23 dargestellt. Für die Lage der Energieniveaus ergibt sich hier $E_0 = 331\ meV$ und $E_1 = 282\ meV$, mit den Verbreiterungen $\Delta E_0 = 104\ meV$ und $\Delta E_1 = 24\ meV$. Bei $0\ V$ sind die Quantenpunkte im Mittel mit 5.7 Löchern besetzt.

Die Rechnung gibt zwar wieder, daß der Grundzustand von GaSb-Quantenpunkten tiefer liegt, als bei InAs-Quantenpunkten, aber die durch den Fit ermittelte Lage des untersten Zustands unterscheidet sich von dem Wert aus der DLTS-Messung um über 100 nm. Als Grund hierfür läßt sich die im Vergleich zu InAs-Quantenpunkten (4-8) hohe Anzahl von gebundenen Ladungsträgern anführen (15). Die Coulomb-Abstoßung beeinflußt die Position der Energieniveaus hier um einen Wert der Größenordnung von $10\ meV$ [Gel02], für zehn Ladungsträger und mehr ist also eine Verschiebung von $100\ meV$ und mehr zu erwarten, was aufgrund der Modellierung (2.8), wie auch schon bei den anderen Proben, nicht berücksichtigt wird.

Abbildung 2.25: Scheinbares Dotierungsprofil der Probe TU5823, errechnet mit (2.5) aus der gemessenen CV-Kennlinie - siehe Abbildung 2.23. Zwischen $0\ V$ und $-2\ V$ ergibt sich eine Dotierung von ca. $N_A = 3.0 \times 10^{16}\ cm^{-3}$, gefolgt von einem Gradienten in der Dotierung, den Quantenpunkten, einem Bereich mit einer Dotierung von ca. $N_A = 4.1 \times 10^{16}\ cm^{-3}$ und einem Bereich mit einer Dotierung von ca. $N_A = 2.8 \times 10^{16}\ cm^{-3}$.

Tabelle 2.11 zeigt die nominellen und modifizierten Wachstumsparameter aus dem Fit im Vergleich. Zwischen $n^+$-Kontakt und Quantenpunkten stimmen die Werte gut überein. Das scheinbare Dotierungsprofil in Abbildung 2.25 zeigt für den korrespondierenden Bereich zwischen $0\ V$ und $-2\ V$ eine Dotierung von ca. $N_A = 3.0 \times 10^{16}\ cm^{-3}$ an, was sich also ebenfalls mit dem Fit deckt. Zwischen $-2\ V$ und $-4\ V$ ist im Dotierungsprofil ein Gradient zu sehen. Das erklärt auch die Abweichung zwischen berechneter und gemessener CV-Kennlinie (Abbildung 2.23) analog wie in Abschnitt 2.6.1, da das Modell von konstanten Dotierungen ausgeht. Ab einer Sperrspannung von $-10 \ V$ sind die Quantenpunkte entladen (Abbildung 2.23). Zwischen $-10 \ V$ und $-12\ V$ sieht man im scheinbaren Dotierungsprofil einen Anstieg der Dotierung. Darin liegt auch der Grund, warum der Fit für den Bereich zwischen $p^+$-Kontakt und Quantenpunkten einen Wert für die Dotierung liefert, der wesentlich höher als der nominelle Wert liegt.