Search

A very high specific detectivity and UV-to-visible rejection-ratio (UVRR) is reported for visible-blind metal–semiconductor–metal (MSM) photodetectors (PDs), fabricated with gallium nitride (GaN) on Si(111) epitaxial layers. Comprehensive analysis of different figures-of-merit (FOM) reveals that the high specific detectivity results from a large responsivity in the UV-A region of the electromagnetic spectrum, and extremely low dark current, of the PDs. The current transport mechanisms in the absence and presence of illumination suggest that an internal gain, which is attributable to photo-induced barrier lowering, is responsible for the large responsivity of the PDs. The dark current is reduced due to the use of platinum-gold (Pt/Au) Schottky contacts, characterized by a relatively high Schottky barrier height. The vast improvement of nearly all FOMs, compared to those reported earlier for GaN/Si PDs, is highly encouraging for the development of low-cost, large-area arrays of visible-blind PDs.

Electron spins confined to phosphorus donors in silicon are promising candidates as qubits(1) because of their long coherence times, exceeding seconds in isotopically purified bulk silicon(2). With the recent demonstrations of initialization, readout(3) and coherent manipulation(4) of individual donor electron spins, the next challenge towards the realization of a Si:P donor-based quantum computer is the demonstration of exchange coupling(1,5,6) in two tunnel-coupled phosphorus donors. Spin-to-charge conversion(3,7) via Pauli spin blockade(8,9), an essential ingredient for reading out individual spin states, is challenging in donor-based systems due to the inherently large donor charging energies (similar to 45 meV), requiring large electric fields (>1 MV m(-1)) to transfer both electron spins onto the same donor(10). Here, in a carefully characterized double donor-dot device, we directly observe spin blockade of the first few electrons and measure the effective exchange interaction between electron spins in coupled Coulomb-confined systems.

Scanning tunneling microscope (STM) lithography has recently demonstrated the ultimate in device scaling with buried, conducting nanowires just a few atoms wide and the realization of single atom transistors, where a single P atom has been placed inside a transistor architecture with atomic precision accuracy. Despite the dimensions of the critical parts of these devices being defined by a small number of P atoms, the device electronic properties are influenced by the surrounding 104 to 106 Si atoms. Such effects are hard to capture with most modeling approaches, and prior to this work no theory existed that could explore the realistic size of the complete device in which both dopant disorder and placement are important. This work presents a comprehensive study of the electronic and transport properties of ultra-thin (

As silicon electronics approaches the atomic scale, interconnects and circuitry become comparable in size to the active device components. Maintaining low electrical resistivity at this scale is challenging because of the presence of confining surfaces and interfaces. We report on the fabrication of wires in silicon—only one atom tall and four atoms wide—with exceptionally low resistivity (~0.3 milliohm-centimeters) and the current-carrying capabilities of copper. By embedding phosphorus atoms within a silicon crystal with an average spacing of less than 1 nanometer, we achieved a diameter-independent resistivity, which demonstrates ohmic scaling to the atomic limit. Atomistic tight-binding calculations confirm the metallicity of these atomic-scale wires, which pave the way for single-atom device architectures for both classical and quantum information processing.

We report low-frequency 1/f noise measurements of degenerately doped Si:P ��-layers at 4.2K. The noise was found to be over six orders of magnitude lower than that of bulk Si:P systems in the metallic regime and is one of the lowest values reported for doped semiconductors. The noise was found to be nearly independent of magnetic field at low fields, indicating negligible contribution from universal conductance fluctuations. Instead interaction of electrons with very few active structural two-level systems may explain the observed noise magnitude, 4 pages, 4 figures

We report low-frequency 1/f-noise measurements of degenerately doped Si:P delta layers at 4.2 K. The noise was found to be over six orders of magnitude lower than that of bulk Si:P systems in the metallic regime and is one of the lowest values reported for doped semiconductors. The noise was nearly independent of magnetic field at low fields, indicating negligible contribution from universal conductance fluctuations. Instead, the interaction of electrons with very few active structural two-level systems may explain the observed noise magnitude.

Albeit of high technological import, epitaxial self-assembly of CdSe/ZnSe QDs is non-trivial and still not clearly understood. The origin and attributes of these QDs are significantly different from those of their III-V and group-IV counterparts. For III-V and group-IV heterosystems, QD-formation is assigned to the Stranski Krastanow (SK) transition, wherein elastic relaxation of misfit strain leads to the formation of coherent three-dimensional (3D) islands, from a supercritically strained two-dimensional (2D) epilayer. Unfortunately, this phenomenon is inconspicuous for the CdSe/ZnSe heterosystem. Well-defined 3D islands are not readily formed in conventional molecular beam epitaxial (MBE) growth of CdSe on ZnSe. Consequently, several alternative approaches have been adopted to induce/enhance formation of QDs. This thesis systematically investigates three such alternative approaches, along with conventional MBE, with emphasis on the formation-mechanism of QDs, and optimization of their morphological and optical attributes. It is shown here that no distinct 3D islands are formed in MBE growth of CdSe on ZnSe. The surface of the CdSe layer represents a rough 2D layer, characterized by a dense array of shallow (, Trotz ihrer großen technologischen Bedeutung ist die epitaktische Selbstorganisation von CdSe/ZnSe QDs noch immer nicht vollständig verstanden. Die Ursachen und Merkmale dieser QDs unterscheiden sich deutlich von ihren III-V- und IV-IV-Gegenstücken. Für III-V- und IV-IV-Heterosysteme wird die QD-Formation dem Stranski-Krastanow-(SK)-Übergang zugeordnet, bei dem, ausgehend von einer hochverspannten zweidimensionalen (2D) Epitaxieschicht, die elastische Relaxation von durch Gitterfehlanpassung hervorgerufener Verspannung zur Formation von dreidimensionalen (3D) Inseln führt. Im Falle des CdSe/ZnSe-Heterosystems ist es unklar, ob das SK-Modell die Formation von QDs zutreffend beschreibt. Beim Wachstum durch Molekularstrahlepitaxie (engl.: molecular beam epitaxy, MBE) von CdSe auf ZnSe kommt es nicht zur Bildung von 3D-Inseln, wie es für die meisten III-V- und IV-IV-Heterosysteme charakteristisch ist. Infolgedessen wurden mehrere alternative Herangehensweisen eingesetzt, um die Formation der QDs anzuregen bzw. zu verbessern. Diese Doktorarbeit beschreibt die systematische Untersuchung dreier solcher alternativer Ansätze im Zusammenspiel mit konventioneller MBE. Der Schwerpunkt liegt auf dem Formationsmechanismus der QDs und Optimierung ihrer morphologischen und optischen Eigenschaften. Beim MBE-Wachstum von CdSe auf ZnSe findet keine Bildung ausgeprägter, dreidimensionaler Inseln statt. Die Oberfläche der CdSe-Schicht stellt eine rauhe 2D-Schicht dar, gekennzeichnet durch eine dichte Anordung flacher, aneinander angrenzender Hügel. In bedeckten Proben bildet die CdSe-Ablagerung eine inhomogene CdZnSe-quantentrog-ähnliche (engl.: quantum well, QW) Struktur . Dieser ternäre QW enthält lokale Cd-reiche Einschlüsse, die die Bewegung von Exzitonen in drei Dimensionen einschränken und als QDs fungieren. Die Dichte solcher QDs ist sehr hoch (~ 1012 cm-2). Diese durch die Inhomogenität des CdZnSe-QW definierten QDs haben ihren Ursprung in den flachen Hügeln der unbedeckten CdSe-Oberfläche. Mit einer Methode, bei der man eine CdSe-Schicht bei niedriger Temperatur (TG = 230 °C) wachsen lässt und anschießend bei höherer Temperatur (TA = 310 °C) tempert, kommt es zur Bildung winziger, aber ausgeprägter, 3D-Inseln. In dieser Arbeit wird der Mechanismus, der der Bildung dieser Inseln zugrunde liegt, beschrieben. Während die CdSe-Ablagerung eine quasi-zweidimensionale (quasi-2D) Schicht bei TG = 230 °C bildet, führt das darauf folgende Tempern bei TA = 310 °C zu einem thermisch aktivierten „up-climb“ von Adatomen auf zweidimensionale Cluster (oder Vorgänger, engl.: precursor), bei gleichzeitiger Nukleation von 3D-Inseln. Die Flächendichte von QDs, die mit dieser Methode erreicht werden kann, ist mindestens eine Größenordung geringer als es für konventionelles MBE-Wachstum typisch ist. Eine weitere Verringerung ist möglich, indem der Temperaturanstieg auf TA verzögert wird. In einer zweiten Variante wird die Bildung großer und ausgeprägter Inseln durch Aufbringen einer amorphen Selenschicht (α-Se) auf eine 2D-CdSe-Epischicht bei Raumtemperatur und anschließender Desorption bei höherer Temperatur (TD = 230 °C) demonstriert. Obwohl die selbstorganisierten Inseln groß sind, werden sie durch nachträgliches Bedecken mit ZnSe stark abgeflacht, was durch Segregation von Cd und Legieren der Inseln mit Zn hervorgerufen wird. Das Segregationsphänomen sowie sein Zusammenhang mit den optischen Eigenschaften der QDs wird in dieser Arbeit untersucht. Weiterhin wird vertikale Korrelation von QDs in QD-Übergittern beschrieben, in welchen die erste QD-Schicht mit dieser Methode wachsen gelassen wurde. Darauf folgende Schichten werden duch „migration enhanced epitaxy“ (MEE) aufgebracht. Die Prozessschritte der dritten Variante sind denen der eben beschriebenen sehr ähnlich. Die einzige Abwandlung besteht in der Substitution von Selen mit Tellur als bedeckendes Material. Diese Variation führt nicht nur zu beträchtlicher Veränderung der morphologischen und optischen Eigenschaften der QDs, sondern auch zur Bildung einzigartiger Muster von selbstorganisierten Inseln. Abhängig von der Dicke der Tellurbedeckung kommt es zur Bildung orientierter „dashes“, gerader und gebogener Ketten von Inseln und ausgerichteter Inselpaare. Die Inseln sind teilwese mit Tellur legiert und strahlen Lumineszenz in einem sehr niedrigen Energiebereich ab (bis hinunter zu 1,7 eV bei Raumtemperatur). Im Gegensatz zur α-Se-Bedeckung kommt es in der Te-Schicht während der Temperaturerhöhung (von Raumtemperatur zu TD) zur Polykristallisierung. Es wird gezeigt, dass die selbstorganisierten Muster der Inseln durch die Verteilung der Korngrenzen der polykristallinen Te-Schicht bestimmt werden. Basierend auf dem Verständnis des Mechanismus der Musterbildung wird hier eine einfache und „saubere“ Methode für die kontrollierte Positionierung individueller QDs und QD-basierter, ausgedehnter Nanostrukturen vorgeschlagen.