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Silizium behält seine Leitfähigkeit bei ultraniedrigen Ladungsniveaus

01.03.2020

Forscher des American National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine neue Methode zur Messung der Mobilität geladener Teilchen in Silizium entwickelt, die, wenn sie nicht umgedreht wird, das Verständnis von Ladungsübertragungsprozessen in Halbleitern erheblich erweitert.

Die von den Wissenschaftlern vorgeschlagene Methode ermöglichte die empfindlichsten Messungen der Bewegungsgeschwindigkeit einer elektrischen Ladung in Silizium, was ein Indikator für seine Leistungsfähigkeit als Halbleiter ist. Das neue Verfahren wird es somit ermöglichen, den Einfluss bestimmter Dotierstoffe auf die Siliziumleitfähigkeit genauer abzuschätzen und bildet die Grundlage für die Verbesserung der Eigenschaften von Halbleiterbauelementen. Dies ist eine Chance, die Leistung der Chips fast umsonst zu verbessern, nur durch ein besseres Verständnis der Prozesse. Tuning sozusagen durchführen.

Traditionell wurde die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern in Silizium nach der Hall-Methode gemessen. Dieses Verfahren geht davon aus, dass Kontakte auf eine Siliziumprobe (Halbleiter) gelötet werden, um einen elektrischen Strom zu leiten. Der Nachteil dieser Methode ist, dass an den Lötstellen Defekte oder Verunreinigungen auftreten, die das Messergebnis verfälschen.

Für die Reinheit des Experiments verwendeten Wissenschaftler von NIST eine berührungslose Methode. Die Siliziumprobe wurde zunächst Licht geringer Intensität in Form von ultrakurzen Pulsen sichtbaren Lichts ausgesetzt und anschließend wurde die Probe mit Strahlungspulsen im fernen Infrarot- oder Mikrowellenbereich bestrahlt. Schwaches sichtbares Licht erzeugte einen Photodotierungseffekt auf Silizium: In der Siliziumschicht erschienen geladene Teilchen in Form von Elektronen und Löchern.

Sichtbares Licht konnte aus offensichtlichen Gründen nicht in die Dicke von Silizium eindringen. Dazu wurde die photodotierte Probe mit Terahertz-Strahlung (im fernen Infrarotbereich) bestrahlt, für die Silizium transparent ist. Und je mehr geladene Teilchen in der Probe sind, desto mehr Licht dringt in die Probe ein oder wird von ihr absorbiert. Es ist hier wichtig anzumerken, dass für eine genauere Messung der Elektronenmobilität in der Probe ihre Dicke ziemlich groß sein sollte, bis zu 1 mm. Dadurch wurde der Einfluss von Defekten auf der Probenoberfläche auf die Messungen ausgeschlossen.

Allerdings sollte die Anzahl der Elektronen und Löcher, die durch sichtbares Licht in die Probe „eingebracht“ werden, so gering wie möglich sein, um die Empfindlichkeitsschwelle bei Messungen zu senken. Üblicherweise wurde die Probe dazu mit einem Photon bestrahlt, aber bei einer dicken Probe schlug ein Photon unzureichend geladene Teilchen im Silizium heraus. Ein Ausweg wurde gefunden, indem die Probe mit zwei Photonen sichtbaren Lichts bestrahlt wurde. Danach durchdrang die Terahertz-Strahlung ungehindert die Probe mit einer minimalen Anzahl geladener Teilchen in der Masse des Materials. Laut Wissenschaftlern wurde die Empfindlichkeitsschwelle um den Faktor 10 von 100 Billionen Ladungsträgern pro cm2 auf 10 Billionen Ladungsträger gesenkt.

Sobald die Empfindlichkeitsschwelle gesenkt wurde, wurde das Überraschende deutlich. Es stellte sich heraus, dass die Beweglichkeit von Elektronen in Silizium sogar bis zu einem sehr verdünnten Zustand von Ladungsträgern im Material anwachsen kann, was niemand zuvor vermutet hatte. Tatsächlich stellte sich heraus, dass die Mobilität selbst 50 % höher war als bisher angenommen. Zur Kontrolle wurde ein ähnlicher Versuch mit Galliumarsenid (GaAs), ebenfalls ein lichtempfindlicher Halbleiter, durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Beweglichkeit der Ladungsträger in diesem Material mit abnehmender Dichte weiter zunimmt. Die mit der neuen Methode gemessene Trägerdichtegrenze war etwa 100-mal niedriger als bisher angenommen.

In ferner oder nicht so ferner Zukunft werden Halbleiter in der Lage sein, mit sehr niedrigen Ladungsniveaus zu arbeiten. Zumindest ist die theoretische Grenze weit genug verschoben. Dies sind hochempfindliche Solarmodule und Einzelphotonendetektoren (Hallo Quantencomputer!), ultraeffiziente Elektronik und vieles mehr.

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