Physiker entwickeln Methode zur Erkennung von Einzelatomdefekten in Halbleitern

Wenn man immer intelligentere und leistungsfähigere Elektronik in immer kleinere Geräte packen will, besteht eine der Herausforderungen darin, Werkzeuge und Verfahren zu entwickeln, mit denen sich die Materialien, aus denen diese Geräte bestehen, immer präziser analysieren lassen.

Physiker der Michigan State University haben mit einem Ansatz, der hochauflösende Mikroskopie mit ultraschnellen Lasern kombiniert, an dieser Front einen lange erwarteten Schritt gemacht.

Die in der Zeitschrift beschriebene Technik Naturphotonikermöglicht es Forschern, fehlplatzierte Atome in Halbleitern mit beispielloser Präzision zu erkennen. In der Halbleiterphysik werden diese Atome als „Defekte“ bezeichnet, was negativ klingt, aber sie werden Materialien normalerweise absichtlich hinzugefügt und sind für die Leistung von Halbleitern in heutigen und zukünftigen Geräten von entscheidender Bedeutung.

„Dies ist insbesondere für Komponenten mit Strukturen im Nanobereich relevant“, sagte Tyler Cocker, Inhaber des Jerry Cowen-Stiftungslehrstuhls für Experimentalphysik und Leiter der neuen Studie.

Dazu gehören Dinge wie Computerchips, die üblicherweise Halbleiter mit nanoskaligen Eigenschaften verwenden. Und Forscher arbeiten daran, die Nanoarchitektur auf ein Extrem zu heben, indem sie Materialien entwickeln, die nur ein Atom dick sind.

„Diese nanoskopischen Materialien sind die Zukunft der Halbleiter“, sagte Cocker, der auch das Ultrafast Terahertz Nanoscopy Laboratory im Fachbereich Physik und Astronomie der MSU leitet. „Bei nanoskaliger Elektronik ist es wirklich wichtig, sicherzustellen, dass sich die Elektronen so bewegen können, wie man es möchte.“

Defekte spielen bei der Elektronenbewegung eine große Rolle. Deshalb möchten Wissenschaftler wie Cocker unbedingt wissen, wo genau sie sich befinden und wie sie sich verhalten. Cockers Kollegen waren begeistert, als sie erfuhren, dass sie mit der neuen Technik seines Teams diese Informationen ganz einfach erhalten können.

„Einer meiner Kollegen sagte: ‚Ich hoffe, Sie sind rausgegangen und haben gefeiert‘“, sagte Cocker.

Vedran Jelic, der das Projekt als Postdoktorand in Cockers Gruppe leitete und jetzt beim National Research Council Canada arbeitet, ist der Erstautor des neuen Berichts. Zum Forschungsteam gehörten auch die Doktoranden Stefanie Adams, Eve Ammerman und Mohamed Hassan sowie der Student Kaedon Cleland-Host.

Cocker fügte hinzu, dass die Technik mit der richtigen Ausrüstung problemlos umzusetzen sei und sein Team sie bereits auf atomar dünne Materialien wie Graphen-Nanobänder anwende.

„Wir haben eine Reihe offener Projekte, bei denen wir die Technik mit mehr und exotischeren Materialien verwenden“, sagte Cocker. „Wir integrieren sie im Grunde in alles, was wir tun, und verwenden sie als Standardtechnik.“

Eine leichte (fast) Berührung

Es gibt bereits Werkzeuge, insbesondere Rastertunnelmikroskope (STMs), die Wissenschaftlern beim Erkennen einzelner Atomdefekte helfen können.

Anders als Mikroskope, die viele aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht kennen, verwenden STMs keine Linsen und Glühbirnen, um Objekte zu vergrößern. Stattdessen scannen STMs die Oberfläche einer Probe mit einer atomar scharfen Spitze, fast wie die Nadel eines Plattenspielers.

Allerdings berührt die Spitze des STM die Oberfläche der Probe nicht, sie kommt ihr nur so nahe, dass Elektronen zwischen Spitze und Probe springen oder tunneln können.

STMs zeichnen auf, wie viele Elektronen springen und woher sie springen, und liefern so neben anderen Informationen Informationen über Proben auf atomarer Ebene (weshalb Cockers Labor dies als Nanoskopie und nicht als Mikroskopie bezeichnet).

Allerdings reichen STM-Daten allein nicht immer aus, um Defekte innerhalb einer Probe eindeutig aufzudecken. Dies gilt insbesondere für Galliumarsenid, ein wichtiges Halbleitermaterial, das in Radarsystemen, hocheffizienten Solarzellen und modernen Telekommunikationsgeräten vorkommt.

Für ihre neueste Veröffentlichung konzentrierten sich Cocker und sein Team auf Galliumarsenidproben, die absichtlich mit Silizium-Defektatomen angereichert wurden, um die Bewegung der Elektronen durch den Halbleiter zu optimieren.

„Das Siliziumatom sieht für die Elektronen im Grunde wie ein tiefes Schlagloch aus“, sagte Cocker.

Obwohl Theoretiker diese Art von Defekten seit Jahrzehnten untersuchen, ist es Experimentalphysikern bislang nicht gelungen, diese einzelnen Atome direkt nachzuweisen. Cockers und sein Team verwenden bei ihrer neuen Technik zwar immer noch ein STM, doch die Forscher richten zusätzlich Laserpulse direkt auf die Spitze des STM.

Diese Impulse bestehen aus Lichtwellen mit Terahertz-Frequenzen, das heißt, sie wackeln eine Billion Mal pro Sekunde auf und ab. Kürzlich hatten Theoretiker gezeigt, dass dies die gleiche Frequenz ist, mit der Siliziumatomdefekte in einer Galliumarsenidprobe hin und her wackeln sollten.

Durch die Kopplung von STM und Terahertz-Licht hat das MSU-Team eine Sonde entwickelt, die eine beispiellose Empfindlichkeit für die Defekte aufweist.

Als die STM-Spitze auf einen Siliziumdefekt auf der Oberfläche des Galliumarsenids traf, tauchte in den Messdaten des Teams plötzlich ein intensives Signal auf. Als die Forscher die Spitze ein Atom vom Defekt weg bewegten, verschwand das Signal.

„Hier war dieser Defekt, nach dem die Menschen seit über vierzig Jahren suchten, und wir konnten sehen, dass er wie eine Glocke läutete“, sagte Cocker.

„Zuerst war es schwer zu glauben, weil es so deutlich ist“, fuhr er fort. „Wir mussten es auf jede erdenkliche Weise messen, um sicherzugehen, dass es echt ist.“

Als man jedoch davon überzeugt war, dass das Signal real war, ließ es sich dank der jahrelangen theoretischen Arbeit zu diesem Thema leicht erklären.

„Wenn man so etwas entdeckt, ist es wirklich hilfreich, wenn es bereits Jahrzehnte theoretischer Forschung gibt, die es gründlich charakterisiert“, sagte Jelic, der neben Cocker auch korrespondierender Autor des neuen Artikels ist.

Obwohl Cockers Labor auf diesem Gebiet führend ist, gibt es weltweit Gruppen, die derzeit STMs und Terahertzlicht kombinieren. Es gibt auch eine Reihe anderer Materialien, die von dieser Technik für Anwendungen jenseits der Defekterkennung profitieren könnten.

Nachdem sein Team seinen Ansatz nun mit der Community geteilt hat, ist Cocker gespannt, welche weiteren Entdeckungen noch zu erwarten sind.