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Scanning tunneling spectroscopy of space charge regions in semiconductors: From single donor to heterostructure systems

Rastertunnelspektroskopie von Raumladungszonen in Halbleitern: Vom einzelnen Donator zu Heterostruktursystemen

by Karen Teichmann
Doctoral thesis
Date of Examination:2012-04-17
Date of issue:2012-05-22
Advisor:Prof. Dr. Rainer G. Ulbrich
Referee:Prof. Dr. Rainer G. Ulbrich
Referee:PD Dr. Hans W. Schumacher
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2941

 

 

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Name:teichmann.pdf
Size:9.46Mb
Format:PDF
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Abstract

English

The space charge region in combination with the band edge profile is fundamental for the understanding of semiconductor physics. Scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) is a useful tool to investigate the band gap of a bulk semiconductor and the spatially resolved band edge profile of semiconductor interfaces on the nanometer scale. Space charge regions, which are formed at the interface of different semiconductor materials or at the tip-vacuum-semiconductor interface, are extracted from spectroscopy measurements. The space charge region of biased heterostructures is investigated, by introducing two contacts to the sample and applying an additional potential. The investigation of the space charge region of semiconductors is done by a bottom up approach from the ionization of single donors in a bulk semiconductor to the investigations of transport phenomena in a biased heterostructure sample. The bulk semiconductor is represented by Si doped GaAs, the heterostructure sample is a resonant tunneling diode consisting of two AlAs barrier separated by InAs quantum dots embedded in GaAs. The charging and discharging process of single silicon donors in GaAs is resolved on the nanometer scale. For a detailed description of the charging process, a simulation of the space charge region, which uses a homogeneous background charge, is combined with the Coulomb potential of a single donor. The advantage of the STM technique is the knowledge of the position of the donor in real space, as well as the charge state of this donor as a function of applied voltage. The model for a single donor is adopted to describe the mutual interaction of double donor systems by a linear superposition. Donors which are separated only by a few nanometers show a complex ionization scenario in the space charge region. If the tip voltage and position is adjusted such that two donors change their charge states at the same applied tip voltage, it will result in a bistable behavior of the ionization. The potential of the tip is used to modify the space charge region of a GaAs/AlAs heterostructure. This allows resolving resonant tunneling phenomena, which have been observed for that specific sample in I(V)-transport measurements. They are located spatially on the AlAs layer and they are explained by resonant Γ-X-valley tunneling from the Γ-band of GaAs to the X-band of the AlAs into the tip. Wave functions of quantum dots which are embedded inside the heterostructure are investigated. Their behavior is compared to the one dimensional quantum mechanical harmonic oscillator problem. The energetic position of the wave function inside a variable electric field is measured. The STM setup allows applying a lateral voltage across the heterostructure in addition to the usual tip-sample voltage. The potential landscape of the heterostructure is extracted for different lateral voltages. The applied lateral voltage causes a change of the space charge region at the semiconductor interface. Together with the results obtained from the bulk GaAs, the spectroscopy measurements can be used for the extraction of the potential landscape inside the structure.
Keywords: Rastertunnelspektroskopie; Halbleiter; Donator; Ladungsschalten; Heterostruktur

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Die Raumladungszone in Kombination mit dem Bandkantenverlauf ist ein Zentraler Punkt für das Verständnis der Halbleiter Physik. Die Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie ist eine geeignete Technik um die Bandlücken von Halbleitern sowie den ortsaufgelösten Bandkantenverlauf von Halbleiter-Grenzschichten auf der Nanometer Skala zu untersuchen. Raumladungszonen, die sich an der Grenzschicht von unterschiedlichen Halbleitermaterialien oder an der Grenzschicht zwischen der Spitze, dem Vakuum und dem Halbleiter ausbilden, werden mit Hilfe von Spektroskopie Messungen ausgewertet. Durch zwei Kontakte, die an der Probe angebracht sind und an die ein Potential angelegt ist, wird die Raumladungszone von vorgespannten Heterostrukturen untersucht. Die Untersuchung der Raumladungszone von Halbleitern wird von der Ionisation einzelner Donatoren in einem Halbleiter bis hin zur Untersuchung von Transport Phänomenen einer vorgespannten Heterostruktur Probe durchgeführt. Der Volumenhalbleiter ist mit Silizium dotiertes GaAs, die Heterostruktur Probe ist eine Resonante Tunneldiode, welche aus zwei AlAs Barrieren besteht, die durch InAs Quanten Punkte getrennt sind und in das GaAs eingebettet sind. Der Auf- und Entladungsprozess von einzelnen Silizium Donatoren in GaAs wurde auf der Nanometerscala aufgelöst. Um den Ladungsprozess detailliert beschreiben zu können wird eine Simulation der Raumladungszone, bei der eine homogene Hintergrundladung angenommen wird, mit dem Coulomb-Potenzial eines einzelnen Donators kombiniert. Durch die Rastertunnelmikroskopie hat man einen Zugang zur genauen Position des Donator im Ortstraum sowie der Ladungszustand dieses Donators als Funktion der angelegten Spannung. Das Model, das für den einzelnen Donator genutzt wurde, wird auf ein Doppeldonator-System angewandt, wodurch die gegenseitige Beeinflussung durch eine lineare Superposition beschrieben wird. Donatoren, die nur einige Nanometer getrennt sind weisen ein komplexes Ionisationsverhalten in der Raumladungszone auf. Wurde die Position der Spitze und Spannung in der Weise adjustiert, dass zwei Donatoren ihren Ladungszustand bei derselben Spannung wechseln, resultiert dies in ein bistabiles Ionisationsverhalten. Das Potential der Spitze wird genutzt, um die Raumladungszone einer GaAs/AlAs Heterostruktur zu modifizieren. Dadurch wird Resonantes Tunneln örtlich aufgelöst, was für die spezifischen Proben in I(V) Transport Messungen gezeigt wurde. Die Resonanz ist örtlich auf der AlAs Schicht lokalisiert und wird durch resonantes Γ-X-Band tunneln vom Γ-Band des GaAs in das X-Band des AlAs in die Spitze beschrieben. Wellenfunktionen von Quanten Punkten, die in der Heterostruktur eingebaut sind wurden untersucht. Das Verhalten wird mit dem eindimensionalen Quantenmechanischen harmonischen Oszillator Problem verglichen. Die energetische Position der Wellenfunktion in einem veränderbaren elektrischen Feld wurde gemessen. Zusätzlich zur normalen Spitze Probe Spannung hat der Messaufbau die Möglichkeit eine Querspannung an die Heterostruktur anzulegen. Die Potential Landschaft der Heterostruktur wurde für verschiedene Querspannungen ausgewertet. Die angelegte Querspannung verursacht eine Veränderung der Raumladungszone an der Halberleiter Grenzfläche. In Kombination mit den spektroskopischen Resultaten, die auf Volumen GaAs bekannt sind, wird die Spektroskopie Messung verwendet um die Potentiallandschaft der Heterostruktur auszuwerten.
Schlagwörter: scanning tunneling spectroscopy; semiconductor; donor; charge switching; heterostructure
 

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