Seite 3: Der ideale elektronische Speicher

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Ladungsbasierte elektronische Speicher lassen sich im Wesentlichen durch zwei unterschiedliche Klassen von Bauelementen realisieren, nämlich (S,D)RAMs (Static, Dynamic Random Access Memory) mit Lese und Schreibzeiten schneller als 15 Nanosekunden. Die Information ist flüchtig mit einer Speicherzeit von nur einigen Millisekunden. Daher ist es erforderlich, die Information schnell wieder aufzufrischen, was viel Energie verschlingt. Etwa 10¹⁵ solcher Schreib-Lesezyklen sind heute im Betrieb möglich, bevor Fehler auftreten. Flash-Speicher sind hingegen nicht flüchtig und besitzen Speicherzeiten von mehr als 10 Jahren, allerdings langsame Schreibzeiten von etwa 10 Millisekunden. Hier sind die Ladungsträger in einer Siliziumschicht zwischen zwei SiO₂-Barrieren einer Höhe von 3,2 eV lokalisiert. Nur 10⁶ Schreib und Löschzyklen sind möglich, bevor Defekte durch die Injektion heißer Elektronen in der Barriere den Speicher zerstören. Sie eignen sich daher nicht als Arbeitsspeicher bei Rechnern.

Die durch das Mooresche „Gesetz“ beschriebene stetige Verkleinerung der einzelnen Elemente von Speicherschaltkreisen und die damit einhergehende enorme Vergrößerung der Speicherdichte dank Weiterentwicklung der Lithographie wird absehbar enden. Damit hat die Suche nach neuen Ansätzen zukünftiger Speicherkonzepte begonnen. Ein Speicher, der die Funktionalität von DRAM und Flash kombiniert, also nur einen Typ von Speicher im Rechner erfordert, würde Rechnerarchitekturen revolu tionär vereinfachen und den Energieverbrauch von Rechnern jeglicher Größe enorm verringern. Dies gilt als „heiliger Gral“ der Speicherentwicklung.

Auf der Speicherung von Löchern in einem Ensemble weniger Quantenpunkte beruhende Quantenpunkt-Flash-Speicher könnten dieser heilige Gral sein. Selbstorganisierte Quantenpunkte in Typ II-Heterostrukturen, basierend auf III-V-Verbindungen, ermöglichen es, die Barrierenhöhe viel einfacher als mittels SiliziumTechnologie zu modifizieren. Im Ergebnis sind nichtflüchtige Speicher mit Informationslebensdauern von mehr als 100 Jahren und all den Attributen eines DRAMs wie schnellen Zugriffszeiten im ns-Bereich realisierbar. Bei einer Quantenpunkt-Flash-Zelle bestehend aus einem modulationsdotierten Feldeffekttransistor, in den eine Lage von Quantenpunkten zwischen einem zweidimensionalen Lochgas (2DHG) und dem Gate eingebettet ist, wird der Ladungszustand über die Gatespannung kontrolliert, während das Auslesen mittels des zweidimensionalen Lochgases erfolgt (Abb. 7).

Nach ersten explorativen Arbeiten an Typ I-InAs/(AlGa)As-Quantenpunkten, bei denen Elektronen und Löcher lokalisiert waren, erkannten wir, dass Typ II-Strukturen, bei denen nur die Löcher lokalisiert sind, entscheidende Vorteile aufweisen. In einer Typ II-Struktur überträgt sich die Bandkantendiskontinuität voll auf die Lokalisationsenergie, die letztlich die Speicherzeit bestimmt. Löcher haben eine etwa zehnmal größere effektive Masse als Elektronen und damit eine viel geringere Tunnelwahrscheinlichkeit, was die Speicherzeit im Vergleich zu Elektronen erhöht (Abb. 8). Die Speicherzeit von Ladungsträgern hängt sowohl von der Lokalisationsenergie als auch vom Einfangquerschnitt ab. Nachgewiesen haben wir bislang Loch-Speicherzeiten von knapp vier Tagen für das speziell für diesen Zweck mittels MBE und MOCVD hergestellte GaSb/GaAs/GaP Typ II-Quantenpunktsystem (Abb. 1).

Wachstumsmodifikationen und ein Übergang zur chemisch gering modifizierten Variante (InGa)Sb/GaAs/(AlGa)P ermöglichen es, Lokalisationsenergien von 1,9 bis 2 eV und damit Speicherzeiten von weit mehr als 100 Jahren zu erreichen (horizontale Linie in Abb. 8). Bereits heute eignen sich diese Strukturen als nichtflüchtige SRAMs äquivalenter Speicherdichte. Vorteile lochbasierter QuantenpunktFlashSpeicher ergeben sich aus der Zahl von Lochniveaus, die einerseits klar getrennt sind, jedoch dicht genug sind für einen Multi-Level-Speicher. Von besonderem Vorteil ist, dass sich die Quantenpunktmatrix GaP auf sehr viel größeren 12-Zoll-Silizium-Substraten wachsen lässt – ohne Preisnachteile gegenüber vorhandenen Si-SRAMs.

Viele Quantenpunkte für photonische Bauelemente

Bereits unsere ersten Untersuchungen belegten, dass der Materialgewinn von Stranski-Krastanov-Quantenpunktschichten tatsächlich um Größenordnungen über jenem eines identischen dreidimensionales Materials liegt und sogar größer ist als theoretisch vorhergesagt. Quantenpunktschichten lassen sich einfach stapeln, sodass auch der modale Gewinn in Quantenpunktlasern so groß oder größer ist als in vergleichbaren Quantengrabenlasern. Eine frühe Beobachtung von uns war jene effizienter Laseremission bei Wellenlängen von 1,3 µm und in metamorphen Strukturen, also Strukturen mit geringen Defektdichten, mit Emission jenseits von 1,5 µm, mittels GaAs-basierter Bauelemente. Die spontane Lebensdauer eines Exzitons in einem Quantenpunkt ist dort aufgrund seiner starken Lokalisation kürzer als in einem Quantengraben. Daher kann die Quantenausbeute auch in einer Struktur mit Defekten gut sein. Eingang in viele heutige Produkte finden Quantenpunkte in nitridbasierten LEDs und Laserdioden, die sogar hohe Defektdichten haben.

Wellenlängen im IR-Bereich lassen sich mit GaAs-basierten Quantenpunktlasern erreichen, da die Emission der Quantenpunkte über ihre Größe und die Komposition der Barriere durchstimmbar ist. Eine effiziente Emission bei 1,3 µm war zuvor nur mittels InP-basierter Quantengrabenlaser möglich. In den direkt darunter liegenden Wellenlängenbereichen gab es keine Diodenlaser. Im Vergleich zu Quantengrabenlaser haben Quantenpunktlaser wesentlich geringere Schwellstromdichten. Zudem ist ihr Schwellstrom bis etwa 70 °C in den von uns entwickelten Strukturen nahezu nicht von der Temperatur abhängig. Damit sind diese in vielen Fällen im Modul ohne kosten- und energieaufwändige Peltier-Kühlung zu betreiben. Der Energieverbrauch von Quantenpunkt-Lasermodulen ist somit viel geringer. Im Folgenden soll eine wesentliche Anwendung GaAs-basierter Quantenpunktlaser im Fokus stehen, die dazu dient, Frequenzkämme zu erzeugen und für effiziente Datenübertragung im Terabit/s-Bereich zu nutzen.