Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology en hun team met onderzoekers van JASRI, Universiteit van Osaka, Nagoya Institute of Technology en Nara Institute of Science and Technology hebben zojuist een nieuwe benadering ontwikkeld om de driedimensionale (3-D) structuur van individuele doteringsatomen te bepalen en te visualiseren met behulp van SPring-8. De techniek zal het huidige begrip van de atomaire structuren van doteerstoffen in halfgeleiders die gecorreleerd zijn met hun elektrische activiteit verbeteren en zo de ontwikkeling van nieuwe productieprocessen voor hoogwaardige apparaten ondersteunen.

Met behulp van een combinatie van spectro-foto-elektronenholografie, metingen van elektrische eigenschappen en eerste-principes dynamische simulaties, de 3-D atomaire structuren van doteringsverontreinigingen in een halfgeleiderkristal werden met succes onthuld. De behoefte aan een beter begrip van de atomaire structuren van doteerstoffen in halfgeleiders was al lang gevoeld, voornamelijk omdat de huidige beperkingen aan actieve doteringsconcentraties het gevolg zijn van de deactivering van overtollige doteringsatomen door de vorming van verschillende soorten clusters en andere defectstructuren.

Het zoeken naar technieken om de doteringsverontreinigingen in halfgeleiders elektrisch te activeren met een hoog rendement en/of in hoge concentraties is altijd een essentieel aspect geweest van de technologie van halfgeleiderinrichtingen. Echter, ondanks aanhoudende ontwikkelingen, de haalbare maximale concentratie aan actieve doteermiddelen blijft beperkt. Deze belangrijke structuren waren eerder onderzocht met behulp van zowel theoretische als experimentele benaderingen. Echter, directe observatie van de 3D-structuren van de doterings-atomaire rangschikkingen was tot nu toe moeilijk te bereiken.

In dit onderzoek, Kazuo Tsutsui van Tokyo Tech en collega's ontwikkelden spectro-foto-elektronenholografie met behulp van SPring-8, en benutte de mogelijkheden van foto-elektronenholografie bij het bepalen van de concentraties van doteermiddelen op verschillende locaties, gebaseerd op de piekintensiteiten van het foto-elektronenspectrum, en geclassificeerd elektrisch actieve / inactieve atomaire locaties. Deze structuren zijn direct gerelateerd aan de dichtheid van dragers. Bij deze benadering zachte röntgenexcitatie van de elektronen op kernniveau leidt tot de emissie van foto-elektronen uit verschillende atomen, waarvan de golven vervolgens worden verstrooid door de omringende atomen. Het resulterende interferentiepatroon creëert het foto-elektronenhologram, die vervolgens kunnen worden vastgelegd met een elektronenanalysator. De op deze manier verkregen foto-elektronenspectra bevatten informatie van meer dan één atoomlocatie. Daarom, piekaanpassing wordt uitgevoerd om het foto-elektronenhologram van individuele atomaire locaties te verkrijgen. De combinatie van deze techniek met first-principles-simulaties maakt de succesvolle schatting van de 3D-structuur van de doteringsatomen mogelijk, en de beoordeling van hun verschillende chemische bindingstoestanden. De methode werd gebruikt om de 3D-structuren van arseenatomen te schatten die op een siliciumoppervlak zijn gedoteerd. De verkregen resultaten demonstreerden volledig de kracht van de voorgestelde methode en maakten bevestiging van verschillende eerdere resultaten mogelijk.

Dit werk demonstreert het potentieel van spectro-foto-elektronenholografie voor de analyse van onzuiverheden in halfgeleiders. Deze techniek maakt analyses mogelijk die moeilijk uit te voeren zijn met conventionele benaderingen en zou daarom nuttig moeten zijn bij de ontwikkeling van verbeterde dopingtechnieken en, uiteindelijk, bij het ondersteunen van de fabricage van hoogwaardige apparaten.