Quantenpunktbasierter nicht-flüchtiger Speicher (QD-Flash) mit schneller Schreib-, Lösch- und Lesezeit von wenigen Nanosekunden - Green Memory Concept
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes QD-Flash war es, die prinzipielle Machbarkeit eines quantenpunkt-basierten Halbleiterspeichers zu demonstrieren, und die wesentlichen Leistungscharakteristika des Konzeptes (Speicher-, Schreib-, Löschzeiten, Haltbarkeit) zu untersuchen. Die Projektziele waren technisch und wissenschaftlich äußerst anspruchsvoll, und damit auch risikobehaftet. Es konnte demonstriert werden, dass Information in selbstorganisierten Quantenpunkten gespeichert, manipuliert und erfolgreich wieder ausgelesen werden kann. Somit ist die prinzipielle Machbarkeit eines Quantenpunktspeichers (QD-Flash) demonstriert. Die Speicherzeit in Quantenpunkten ist eines der wichtigsten Leistungscharakteristika, wenn man Nichtflüchtigkeit der gespeicherten Informationen erreichen will. Die Speicherzeit hängt von zwei Eigenschaften der Quantenpunkte ab: der Lokalisierungsenergie und dem Einfangquerschnitt. Im Rahmen des Projektes war es möglich, durch Verwendung verschiedener völlig neuer Typ-II Materialsysteme die Lokalisierungsenergie auf einen neuen Rekordwert von 1,18 eV zu erhöhen (vor Projektbeginn: 710 meV). Dementsprechend konnte eine Rekord-Speicherzeit von 3,9 Tagen bei Raumtemperatur realisiert werden (bisheriger Rekord: 1.6 s). Ein Weg, die Nichtflüchtigkeitsgrenze (10 Jahre bei Raumtemperatur) zu erreichen, könnte der Einsatz einer AlP-Barriere sein. Dadurch würde die Lokalisierunsenergie - und somit die Speicherzeit - nochmals erhöht. Alternativ könnte der Einfangquerschnitt weiter erniedrigt werden. Eine weitere wichtige Kennzahl bei Speichern ist die Schreibzeit. Hier konnte eine Schreibzeit von ~6 ns in QPen in einfachen pn-Diodenstrukturen demonstriert werden. Dies liegt bereits im Bereich der DRAM-Zugriffszeit, was den QD-Flash hinsichtlich dieser Kennzahl konkurrenzfähig macht. Bei den HEMT/MODFET-Prototypstrukturen konnten Schreibzeiten unterhalb von 10 ns demonstriert werden. Sowohl bei den pn-Dioden als auch HEMT/MODFET-Strukturen ist die Schreibzeit derzeit noch limitiert durch parasitäre Effekte. Eine Optimierung (Skalierung der Strukturgrößen) verspricht hier wesentlich kürzere Schreibzeiten. Die Löschzeiten konnten in Diodenstrukturen mit eingebetteten QPen bestimmt werden. Die Löschzeit ist 44 ns für InAs/GaAs QPe (Elok = 210 meV) bei einem elektrischen Feld von 144 kV/cm und 1.5 ms für GaSb/GaAs QPe (Elok = 450 meV) bei einem elektrischen Feld von 206 kV/cm. Bei den InAs/GaAs-HEMT/MODFET-Strukturen wurden Löschzeiten leicht oberhalb von 100 ns gemessen. Generell zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Löschzeit von der Lokalisierungsenergie (Elok). Es existiert ein Trade-off: eine längere Speicherzeit resultiert auch in einer längeren Löschzeit, da sich die Emissionsbarriere erhöht. Unsere Modellierungen zeigen, dass die Lösung dieses Trade-offs der Einsatz einer Übergitterstruktur unter Ausnutzung resonanter Tunneleffekte ist. In einem Einzeltest konnte die Haltbarkeit des QD-Flash bestimmt werden. Sie liegt oberhalb von 106 Schreib- und Löschzyklen. Zusammenfassend stellt die Gesamtmenge der Ergebnisse des Projektes einen Durchbruch des Arbeitsgebietes dar. Viele Gruppen in der ganzen Welt, in Singapur, Taiwan, China, … haben basierend auf unseren Ergebnissen Arbeiten auf diesem Gebiet aufgenommen und setzen unsere Pionierarbeiten fort.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A write time of 6 ns for quantum dot-based memory structures. Appl. Phys. Lett. 92(9), 092108 (2008) und Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 17, 11 (2008)
M. Geller, A. Marent, T. Nowozin, D. Bimberg, N. Akçay, and N. Öncan
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1063/1.2890731) - Self-organized quantum dots for future semiconductor memories. J. Phys. - Condens. Mat. 20(45), 4 (2008)
M. Geller, A. Marent, T. Nowozin, and D. Bimberg
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/20/45/454202) - Hole-based memory operation in an InAs/GaAs quantum dot heterostructure. Appl. Phys. Lett. 95(24), 3 (2009) und Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 21, 1 (2010)
A. Marent, T. Nowozin, J. Gelze, F. Luckert, and D. Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3275758) - Temperature and electric field dependence of the carrier emission processes in a quantum dot-based memory structure. Appl. Phys. Lett. 94(4), 042108 (2009) und Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 19, 6 (2009)
T. Nowozin, A. Marent, M. Geller, D. Bimberg, N. Akçay, and N. Öncan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3076126) - The QD-Flash: a quantum dot-based memory device. Semicond. Sci. Technol. 26 014026 (2011)
A. Marent, T. Nowozin, M. Geller, and D. Bimberg
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/26/1/014026) - Time-resolved high-temperature detection with single charge resolution of holes tunneling into many-particle quantum dot states. Phys. Rev. B 84, 075309 (2011)
T. Nowozin, A Marent, G. Hönig, A. Schliwa, D. Bimberg, A. Beckel, B. Marquardt, A. Lorke, and M. Geller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.075309) - Growth of In0.25Ga0.75As quantum dots on GaP utilizing a GaAs interlayer. Appl. Phys. Lett. 101, 223110 (2012)
G. Stracke, A. Glacki, T. Nowozin, L. Bonato, S. Rodt, C. Prohl, H. Eisele, A. Schliwa, A. Strittmatter, U.W. Pohl, D. Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4768294) - Linking structural and electronic properties of high-purity self-assemble GaSb/GaAs quantum dots. Phys. Rev. B 86, 035305 (2012)
T. Nowozin, A. Marent, L- Bonato, A. Schliwa, D. Bimberg, E.P. Smakman, J.K. Garleff, P.M. Koenraad, R.J. Young, M. Hayne
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.035305) - 800 meV localization energy in GaSb/GaAs/Al0.3Ga0.7As quantum dots. Appl. Phys. Lett. 102, 052115 (2013)
T. Nowozin, L. Bonato, A. Högner, A. Wiengarten, D. Bimberg, W.-H. Lin, S.-Y. Lin, C. J. Reyner, B. L. Liang and D. L. Huffaker
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4791678) - Electronic properties and density of states of self-assembled GaSb/GaAs quantum dots. J. Nanotech. 2013, 302647 (2013)
T. Nowozin, A. Wiengarten, L. Bonato, D. Bimberg, W.-H. Lin, S.-Y. Lin, M. N. Ajour, K. Daqrouq and A. S. Balamesh
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1155/2013/302647) - 3 ns single-shot read-out in quantum dot-based memory structure. Appl. Phys. Lett. 104, 053111 (2014)
T. Nowozin, A. Beckel, D. Bimberg, A. Lorke and M. Geller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4864281) - Indirect and direct optical transitions in In0.5Ga0.5As/GaP quantum dots. Appl. Phys. Lett. 104, 123107 (2014)
G. Stracke, E. M. Sala, S. Selve, T. Niermann, A. Schliwa, A. Strittmatter and D. Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4870087) - 230 s room-temperature storage time and 1.14 eV hole localization energy in In0.5Ga0.5As quantum dots on a GaAs interlayer in GaP with an AlP barrier. Appl. Phys. Lett. 106, 042102 (2015)
L. Bonato, E. M. Sala, G. Stracke, T. Nowozin, A. Strittmatter, M. N. Ajour, K. Daqrouq and D. Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4906994) - Tuning the tunneling probability between low-dimensional electron systems by momentum matching. Appl. Phys. Lett. 106, 243105 (2015)
D. Zhou, A. Beckel, A. Ludwig, A. D. Wieck, M. Geller and A. Lorke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4922738) - Growth and structure of In0.5Ga0.5Sb quantum dots on GaP(001). Appl. Phys. Lett. 109, 102102 (2016)
E. M. Sala, G. Stracke, S. Selve, T. Niermann, M. Lehmann, S. Schlichting, F. Nippert, G. Callsen, A. Strittmatter and D. Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4962273) - Hole localization energy of 1.18 eV in GaSb quantum dots embedded in GaP. Phys. Status Solidi B 253(10), 1877-1881 (2016)
L. Bonato, I. F. Arikan, L. Desplanque, C. Coinon, X. Wallart, Y. Wang, P. Ruterana and D. Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssb.201600274) - QD-Flash: Towards non-volatility in quantum dot based storage. Proc. 24th Int. Symposium “Nanostructures: Physics and Technology”, St. Petersburg, p.1 (2016)
D. Bimberg and L. Bonato
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0268-1242/26/1/014026) - Morphology and valence band offset of GaSb quantum dots grown on GaP(001) and their evolution upon capping. Nanotechnology 28(22) (2017)
L. Desplanque, C. Coinon, D. Troadec, P. Ruterana, G. Patriarche, L. Bonato, D. Bimberg and X. Wallart
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa6f41) - Transparency Engineering in Quantum Dot-Based Memories. Phys. Status Solidi A (2018) 18000018
Ismail Firat Arikan, Nathanael Cottet, Tobias Nowozin, and Dieter Bimberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.201800018)
