Forskare vid Tokyo Institute of Technology och deras team som involverar forskare från JASRI, Osaka universitet, Nagoya Institute of Technology och Nara Institute of Science and Technology har just utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att bestämma och visualisera den tredimensionella (3-D) strukturen för enskilda dopantatomer med SPring-8. Tekniken kommer att förbättra den nuvarande förståelsen för atomämnen hos dopningsmedel i halvledare som är korrelerade med deras elektriska aktivitet och därmed stödja utvecklingen av nya tillverkningsprocesser för högpresterande enheter.

Med hjälp av en kombination av spektro-fotoelektronholografi, elektriska fastighetsmätningar och dynamiska simuleringar av första principer, 3-D-atomstrukturerna av dopningsföroreningar i en halvledarkristall avslöjades framgångsrikt. Behovet av en bättre förståelse av atomämnena hos dopningsmedel i halvledare hade länge känts, främst för att de nuvarande begränsningarna för aktiva dopningsmedelskoncentrationer beror på avaktivering av överskott av dopantatomer genom bildandet av olika typer av kluster och andra defektstrukturer.

Sökandet efter tekniker för att elektriskt aktivera dopningsföroreningarna i halvledare med hög effektivitet och/eller vid höga koncentrationer har alltid varit en väsentlig aspekt av halvledaranordningstekniken. Dock, trots fortsatt utveckling, den uppnådda maximala koncentrationen av aktiva dopningsmedel förblir begränsad. Dessa viktiga strukturer hade tidigare undersökts med både teoretiska och experimentella metoder. Dock, direkt observation av 3-D-strukturerna i de dopanta atomarrangemangen har hittills varit svårt att uppnå.

I den här studien, Kazuo Tsutsui på Tokyo Tech och kollegor utvecklade spektro-fotoelektronholografi med hjälp av SPring-8, och utnyttjade fotoelektronholografins förmåga att bestämma koncentrationerna av dopningsmedel på olika platser, baserat på toppintensiteten i fotoelektronspektrumet, och klassificerade elektriskt aktiva / inaktiva atomplatser. Dessa strukturer är direkt relaterade till bärartätheten. I detta tillvägagångssätt, mjuk röntgenexcitation av kärnnivåelektronerna leder till utsläpp av fotoelektroner från olika atomer, vars vågor sedan sprids av de omgivande atomerna. Det resulterande interferensmönstret skapar fotoelektronhologrammet, som sedan kan fångas upp med en elektronanalysator. Fotoelektronspektra som förvärvats på detta sätt innehåller information från mer än en atomplats. Därför, topppassning utförs för att erhålla fotoelektronhologramet för enskilda atomplatser. Kombinationen av denna teknik med första-princip-simuleringar möjliggör en framgångsrik uppskattning av 3-D-strukturen för dopningsatomerna, och bedömning av deras olika kemiska bindningstillstånd. Metoden användes för att uppskatta 3D-strukturer av arsenatomer dopade på en kiselyta. De erhållna resultaten visade fullt ut kraften hos den föreslagna metoden och möjliggjorde bekräftelse av flera tidigare resultat.

Detta arbete visar potentialen för spektro-fotoelektronholografi för analys av föroreningar i halvledare. Denna teknik tillåter analyser som är svåra att utföra med konventionella tillvägagångssätt och bör därför vara användbara vid utvecklingen av förbättrade dopningstekniker och, i sista hand, för att stödja tillverkning av högpresterande enheter.