Self-Organized Quantum Dots for Memories: Electronic Properties and Carrier Dynamics

بازار حافظه های نیمه هادی امروزی بین دو نوع حافظه تقسیم می شود: DRAM و Flash. هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. در حالی که DRAM سریع اما فرار است، Flash غیر فرار اما کند است. یک سیستم حافظه مبتنی بر نقاط کوانتومی خودسازماندهی شده (QD) به عنوان گره ذخیره‌سازی می‌تواند مزایای DRAM و Flash مدرن را با هم ترکیب کند، بنابراین عدم نوسانات دومی را با زمان‌های نوشتن بسیار سریع ادغام می‌کند.

این پایان‌نامه به بررسی این موضوع می‌پردازد. ویژگی‌های الکترونیکی و دینامیک حامل در نقاط کوانتومی خودسازماندهی شده با استفاده از طیف‌سنجی ظرفیت با زمان و اندازه‌گیری‌های جریان حل‌شده با زمان. هدف اول مطالعه انرژی محلی سازی سیستم های QD مختلف به منظور ارزیابی پتانسیل افزایش زمان ذخیره سازی در QD ها به غیر فرار است. به‌طور شگفت‌انگیزی، مشخص شد که تأثیر عمده‌ای از مقاطع متقاطع جذب حامل از QDs، تأثیرگذاری و در مواقعی متعادل کردن ذخیره‌سازی حامل علاوه بر انرژی محلی‌سازی است. هدف دوم مطالعه جفت بین لایه ای از QD های خودسازمان یافته و گاز حفره دو بعدی (2DHG) است که برای فرآیند خواندن در سیستم های حافظه مرتبط است. این تحقیق به کشف حالت های پایه چند ذره ای در مجموعه QD منجر می شود. علاوه بر ارتباط تکنولوژیکی آن، این پایان نامه همچنین بینش های جدیدی را در مورد زمینه جذاب فیزیک نانوساختار ارائه می دهد.

Today’s semiconductor memory market is divided between two types of memory: DRAM and Flash. Each has its own advantages and disadvantages. While DRAM is fast but volatile, Flash is non-volatile but slow. A memory system based on self-organized quantum dots (QDs) as storage node could combine the advantages of modern DRAM and Flash, thus merging the latter’s non-volatility with very fast write times.

This thesis investigates the electronic properties of and carrier dynamics in self-organized quantum dots by means of time-resolved capacitance spectroscopy and time-resolved current measurements. The first aim is to study the localization energy of various QD systems in order to assess the potential of increasing the storage time in QDs to non-volatility. Surprisingly, it is found that the major impact of carrier capture cross-sections of QDs is to influence, and at times counterbalance, carrier storage in addition to the localization energy. The second aim is to study the coupling between a layer of self-organized QDs and a two-dimensional hole gas (2DHG), which is relevant for the read-out process in memory systems. The investigation yields the discovery of the many-particle ground states in the QD ensemble. In addition to its technological relevance, the thesis also offers new insights into the fascinating field of nanostructure physics.