Visning af atomstrukturer af dopingatomer i 3D relateret til elektrisk aktivitet i en halvleder

Forskere ved Tokyo Institute of Technology og deres team, der involverer forskere fra JASRI, Osaka Universitet, Nagoya Institute of Technology og Nara Institute of Science and Technology har netop udviklet en ny tilgang til at bestemme og visualisere den tredimensionelle (3-D) struktur af individuelle dopingatomer ved hjælp af SPring-8. Teknikken vil forbedre den nuværende forståelse af de atomare strukturer af dopingmidler i halvledere korreleret med deres elektriske aktivitet og dermed understøtte udviklingen af ​​nye fremstillingsprocesser for højtydende enheder.

Ved at bruge en kombination af spektro-fotoelektron holografi, elektriske egenskabsmålinger og dynamiksimuleringer med de første principper, de 3-D atomare strukturer af doteringsurenheder i en halvlederkrystal blev med succes afsløret. Behovet for en bedre forståelse af de atomare strukturer af dopingstoffer i halvledere havde længe været følt, hovedsageligt fordi de nuværende begrænsninger af aktive dopantkoncentrationer skyldes deaktivering af overskydende dopantatomer ved dannelse af forskellige typer klynger og andre defekte strukturer.

Søgningen efter teknikker til elektrisk at aktivere doteringsurenhederne i halvledere med høj effektivitet og/eller i høje koncentrationer har altid været et væsentligt aspekt af halvlederenhedsteknologi. Imidlertid, trods den fortsatte udvikling, den opnåelige maksimale koncentration af aktive dopingmidler forbliver begrænset. Disse vigtige strukturer var tidligere blevet undersøgt ved hjælp af både teoretiske og eksperimentelle tilgange. Imidlertid, direkte observation af 3D-strukturerne af doteringsatomarrangementerne har hidtil været vanskelige at opnå.

I dette studie, Kazuo Tsutsui hos Tokyo Tech og kolleger udviklede spektro-fotoelektron holografi ved hjælp af SPring-8, og udnyttede mulighederne ved fotoelektronholografi til at bestemme koncentrationerne af dopingstoffer på forskellige steder, baseret på spidsintensiteterne af fotoelektronspektret, og klassificerede elektrisk aktive/inaktive atomare steder. Disse strukturer er direkte relateret til tætheden af ​​bærere. I denne tilgang blød røntgenexcitation af kerneniveauelektronerne fører til emission af fotoelektroner fra forskellige atomer, hvis bølger så bliver spredt af de omgivende atomer. Det resulterende interferensmønster skaber fotoelektronhologrammet, som derefter kan fanges med en elektronanalysator. Fotoelektronspektrene erhvervet på denne måde indeholder information fra mere end ét atomsted. Derfor, peak fitting udføres for at opnå fotoelektronhologrammet af individuelle atomare steder. Kombinationen af ​​denne teknik med simuleringer af de første principper tillader en vellykket estimering af 3D-strukturen af ​​dopingatomerne, og vurderingen af ​​deres forskellige kemiske bindingstilstande. Metoden blev brugt til at estimere 3D-strukturerne af arsenatomer doteret på en siliciumoverflade. De opnåede resultater demonstrerede fuldt ud styrken af ​​den foreslåede metode og tillod bekræftelse af flere tidligere resultater.

Dette arbejde demonstrerer potentialet af spektro-fotoelektron holografi til analyse af urenheder i halvledere. Denne teknik tillader analyser, der er svære at udføre med konventionelle tilgange og bør derfor være nyttige i udviklingen af ​​forbedrede dopingteknikker og, ultimativt, i at støtte fremstillingen af ​​højtydende enheder.