Modellierung von bistabilen Quantenpunktstrukturen

Diplomarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Physik - Theoretische Physik, Note: 1,0, Technische Universität Berlin (Architektur Umwelt Gesellschaft), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Zu einer der wichtigsten Stützen der post-industriellen Gesellschaft hat sich die Hochtechnologie entwickelt. Neben Spezialanwendungen, wie dem Einsatz von Lasern in der Medizin oder satelliten-gesteuerten Navigationssystemen für PKWs, hat insbesondere der Computer in allen seinen Formen das Leben der Menschen durchdrungen. Der multimediale Einsatz von Rechnern in der modernen Informationsgesellschaft, forciert durch das Internet und (zukünftige) Mobilfunkgeräte, eröffnete in den letzten Jahren schier unendliche neue Anwendungsgebiete für diese Technologien.
Bedingt durch den Kostendruck sowie gesteigerte Erwartungen an Funktionalität und Flexibilität der Geräte, hat sich die Halbleitertechnologie im Laufe der letzten Jahrzehnte als die Grundlage zur Konstruktion neuer elektronischer Bauelemente durchgesetzt. Damit einhergehend setzte eine Miniaturisierung der verwendeten Strukturen ein. Im Rahmen dieser Miniaturisierung wurden sogenannte Quantenpunkte in den letzten Jahren intensiv untersucht.
Mittels moderner Wachstumsverfahren können Halbleiterschichten bis auf eine Atomlage genau erzeugt werden. Trägt man Materialien mit verschiedener Gitterkonstante übereinander auf, zum Beispiel InAs auf GaAs, so verspannt sich das Halbleitergitter an der Übergangsschicht. Diese Verspannungen aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten relaxieren durch Inselbildungen; so entstandene Strukturen können sehr klein sein (Abmessungen im Bereich von 10 nm bis 100 nm), mit einer sehr regelmäßigen Größe und Form. Solche Halbleiterstrukturen entstehen also selbstorganisiert, man spricht daher auch von selbstorganisierten Quantenpunkten, der Wachstumsmodus heißt Stranski-Krastanow [Bim99].
Quantenpunkte - auch ,,künstlichen Atome`` genannt - haben in allen drei Raumrichtungen sehr kleine Ausmaße. Ladungsträger in den Quantenpunkten können sich nicht mehr frei bewegen, was zu einer starken Lokalisierung von ersteren führt. Aufgrund dieser geringen Abmessungen spielen quantenmechanische
Effekte bei der Beschreibung der Eigenschaften der Quantenpunkte eine sehr große Rolle, so kommt es zur Ausbildung von diskreten Energieniveaus der lokalisierten Ladungsträger. Bauteile mit Quantenpunkten - Quantenpunktstrukturen - versprechen Verbesserungen bei der Entwicklung von Lasern, Detektoren und Speicherelementen.
Aufgrund dieses enormen Potentials ist sowohl eine Charakterisierung als auch ein tiefergehendes Verständnis der Quantenpunkte von allgemeinem Interesse. Neben optischen Methoden erfolgt die Charakterisierung der Quantenpunkte mittels Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie. Kontrovers diskutiert wird, welche Prozesse beim Einfang und bei der Emission von Ladungsträgern in Quantenpunkten eine Rolle spielen.
Gang der Untersuchung:
In dieser Arbeit sollen anhand eines eindimensionalen Modells Quantenpunktstrukturen untersucht werden. Die Grundlagen hierfür sind in Kapitel 1 dargestellt. Die semiklassischen Drift-Diffusionsgleichungen zusammen mit der Poisson-Gleichung beschreiben eine klassische Halbleiterstruktur weitestgehend. Selbstkonsistentes Lösen dieser Gleichungen liefert die Potentialverteilung, die Ladungsträger- und die Stromdichte im Bauteil. Die Rechnungen werden mit dem Computer durchgeführt, die dazu notwendige Diskretisierung wird vorgestellt.
Ausgehend von Halbleiterstrukturen ohne Quantenpunkte wird in Kapitel 2 die Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie erläutert. Gegenstand der Untersuchungen sind einfache Bauteile, wie z.B. die pn-Diode, die mit Quantenpunkten versehen wurden. In das klassische Modell wird deren elektronische Struktur als quantisierte Zustände implementiert. Vorliegende Messungen mittels Kapazitä...