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

Abstract

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.