Growth and anisotropic transport properties of self assembled InAs nanostructures in InP [Elektronische Ressource] / von Oliver Bierwagen

Bierwagen Oliver

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• Publié le: 01 janvier 2007
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Extrait

Growth and anisotropic transport properties
of self-assembled InAs nanostructures in InP
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Oliver Bierwagen
geboren am 30.12.1975 in Berlin
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Christian Limberg
Gutachter:
1. Prof. W. T. Masselink
2. Prof. R. Fornari
3. Prof. G. J. Salamo
eingereicht am: 13.02.2007
Tag der mündlichen Prüfung: 14.05.2007Abbreviations/Symbols
0D, 1D, 2D, 3D zero-, one-, two-, three-dimensional
N in sample names : grown on
nominally oriented (N) substrate
O in sample names : grown on vicinal (A) substrate,
2 off toward [110]
P in sample names : grown on vicinal (B) substrate,
2 off toward [110]
Q in sample names : grown on vicinal (C) substrate,
2 off toward [100]
B magnetic field
e electron charge
E energy
E , E , E conduction (sub)band edge, valence (sub)band edgeC V F
E Fermi energyF
F electric field
h,h Planck constant, h=2, reduced Planck constant
j current density
k Boltzmann constant
k Fermi wavevectorF
l , l mean free path, dephasing lengthe
Fermi wavelengthF
m , m effective mass, mass of the free electrone
ML monolayer, equals half the lattice constant
carrier mobility
n density (positive for electrons)
! cyclotron frequencyc
QD quantum dot
QDash quantum dash - short quantum wire,
elongated quantum dot
QW quantum well
QWr quantum wire
R , r Hall coefficient, Hall scattering factorH H
, , R conductivity, resistivity, sheet resistance
2
2D 2D density of states
t time
T absolute temperature
, momentum relaxation time, dephasing time
v Fermi velocityF
iiAbstract
Self-assembled InAs nanostructures in InP, comprising quantum wells, quan-
tum wires, and quantum dots, are studied in terms of their formation and
properties. In particular, the structural, optical, and anisotropic transport
properties of the nanostructures are investigated. The focus is a compre-
hending exploration of the anisotropic in-plane transport in large ensembles
of laterally coupled InAs nanostructures.
The self-assembled Stranski-Krastanov growth of InAs nanostructures is
studied by gas-source molecular beam epitaxy on both nominally oriented
and vicinal InP(001). I demonstrate that the off-cut direction of vicinal
substrates — largely independent of growth conditions — determines the
morphology of nanostructures, i.e. quantum dot, quantum wire, or two-
dimensional growth; whereas, on nominally oriented substrates, the mor-
phology is very strongly dependent on the growth conditions.
The optical properties of InAs nanostructures embedded in InP are in-
vestigated, and their principal applicability for optical devices, particularly
operating in the technologically important 1.55 m wavelength range, is
shown. Optical polarization of the interband transitions arising from the
nanostructure type is demonstrated by photoluminescence and transmission
spectroscopy.
The experimentally convenient four-contact van der Pauw Hall measure-
ment of rectangularly shaped semiconductors, usually applied to isotropic
systems, is extended to yield the anisotropic transport properties. This ex-
tended van der Pauw method is greatly used for the transport measurements.
Temperature dependent transport measurements are performed in large
ensembles of laterally closely spaced nanostructures. The transport of quan-
tum wire-, quantum dash- and quantum dot containing samples is highly
anisotropic with the principal axes of conductivity aligned to the <110> di-
rections. The direction of higher mobility is [110], which is parallel to the
direction of the quantum wires. In extreme cases, the anisotropies exceed 30
for electrons, and 100 for holes. The anisotropy for holes is due to
diffusive transport through extended states in the [110] , and hopping trans-
port through laterally localized states in the [110] direction, within the same
sample. The data is discussed in terms of two-dimensional carrier systems
with anisotropic scattering, and in terms of coupled 1D or 0D structures:
In the anisotropic-2D context, the principal mobilities at low temperature
are dominated by interface roughness scattering in the [110] direction, and
by remote impurity scattering in the [110] direction.In the coupled nanostructure context, I demonstrate that the transport
anisotropy results from directionally anisotropic tunnel coupling between ad-
jacent nanostructures rather than from the nanostructure shape anisotropy.
The contribution to conductivity resulting from weak localization — a
quantum mechanical effect based on electron self-interference — is studied
in InAs quantum wells, coupled quantum wires, and coupled quantum dots.
It is demonstrated that the weak-localization correction shows a directional
anisotropy equal to the anisotropy of the total conductivity, which is typical
for anisotropic 2-dimensional systems. This result suggests that even for a
conductivity anisotropy ratio as high as 38, the coupling between the quan-
tumwiresplaysamoreimportantrolethanthequasi-one-dimensionalnature
of the electron transport in describing the quantum mechanical contributions
due to weak localization.
A novel 5-terminal electronic switching device based on gate-controlled
transportanisotropyisproposed. Thegate-controlofthetransportanisotropy
in modulation-doped, self-organized InAs quantum wires embedded in InP
is demonstrated. These quantum wires are shown to be a candidate for
implementation of the device.
Keywords:
InAs on InP, MBE, self-assembled growth, nanostructure, quantum well,
quantum wire, quantum dot, transport anisotropy, coupling, scattering,
tunneling, hopping, van der Pauw, photoluminescence, transmission,
absorption, polarization
ivZusammenfassung
Diese Arbeit untersucht das Wachstum und die Eigenschaften von selbst-
organisiertenInAsNanostruktureninInP.DieNanostrukturen-Quantengrä-
ben, Quantendrähte, und Quantenpunkte - werden bezüglich ihrer Struktur,
ihrer optischen Eigenschaften und ihrer anisotropen Transporteigenschaften
untersucht. Der Schwerpunkt ist dabei eine umfassende Untersuchung des
lateralen Ladungsträgertransports in grossen Ensembles lateral gekoppelter
Nanostrukturen.
Das selbstorganisierte Stranski-Krastanov Wachstum von InAs auf exakt
orientiertemundvizinalemInP(001)wirdmittelsGasquellen-Molekularstrahl-
epitaxie untersucht. Es wird gezeigt, dass die Misorientierung des vizinalen
InP, weitestgehend unabhängig von den Wachstumsbedingungen, die Mor-
phologie (Quantendraht oder Quantenpunkt) der Nanostrukturen bestimmt.
Auf exakt orientiertem Substrat, hingegen, hängt die Morphologie stark von
den Wachstumsbedingungen ab.
Die Untersuchung der optischen Eigenschaften von InAs Nanostruktu-
ren in InP zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit dieser Strukturen für Opti-
sche Bauelemente, insbesondere im technologisch interessanten Bereich von
1.55m. Die optische Polarisation der Interbandübergänge aufgrund des Na-
nostrukturtyps wird mittels Photoluminszenz- und Transmissionsspektrosko-
pie demonstriert.
Die experimentell unaufwändige Vierkontakt van der Pauw Hall Messung
rechteckiger Halbleiter wird normalerweise zur Ermittlung isotroper Trans-
porteigeschafteneingesetzt.EineErweiterungdieserMethodezurErmittlung
der anisotropen Transporteigenschaften wird entwickelt und experimentell
verifiziert. Die erweiterte van der Pauw Methode wird im Rahmen dieser
Arbeit routinemäßig eingesetzt.
Temperaturabhängige Transportmessungen werden an grossen Ensembles
von dicht gepackten Quantendrähten, und Quantenpunkten durchgeführt. Es
zeigt sich, dass die Transporteigenschaften anisotrop sind. Die Hauptachsen
der Leitfähigkeit sind entlang der <110> Richtungen. Die [110] Richtung,
parallel zu den Quantendrähten, ist dabei die Richtung der höheren Leitfä-
higkeit. In Extremfällen übersteigt die Transportanisotropie Werte von 30
für Elektronen und 100 für Löcher. Die hohe Anistropie für Löcher basiert
auf diffusiven Transport in der [110] Richtung und Hopping Transport in der
[110] Richtung, innerhalb der selben Probe. Die Transportdaten werden imKontext eines 2-dimensionalen Ladungsträgersystems mit anisotropen Be-
weglichkeiten, und im Kontext gekoppelter 1- oder 0-dimensionaler Nano-
strukturen diskutiert:
Im Kontext eines anisotropen 2-dimensionalen Systems, sind die Beweglich-
keiten bei kryogenischen Temperaturen dominiert von Grenzflächenrauhig-
keitsstreuung (interface roughness scattering) entlang der [110] Richtung und
durch Streuung an entfernten Störstellen (remote impurity scattering) ent-
lang der [110] Richtung.
ImKontextgekoppelterNanostrukturen,wirdgezeigt,dassdieTransportani-
sotropie auf anisotroper Tunnelkopplung zwischen benachbarten Nanostruk-
turen beruht, und weniger durch die Form der Nanostruktur bestim