Phosphor und Bor in nanoskaligem Silicium - Erforschung von Dotierungs- und Defektmechanismen

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Silicium, dessen elektronische Eigenschaften durch Dotierung mit Phosphor und Bor kontrolliert werden können, ist die Basis vielfältigster technischer Anwendungen im Bereich der Elektronik, Optoelektronik und Photovoltaik. Insbesondere die CMOS Transistor- Elektronik steht mit ihrer fortschreitenden Miniaturisierung an der Schwelle zum Größenbereich von Quantum Confinement Effekten. Auf der Nanoskala stehen der erfolgreichen und zuverlässigen Dotierung von Source/Drain eines Feldeffekttransistors (FET) eine Reihe halbleiterphysikalischer, thermodynamischer und statistischer Probleme im Weg, die die weitere Miniaturisierung unmöglich erscheinen lassen. Andererseits gibt es in der Literatur vielfältige Berichte über die erfolgreiche P- und B-Dotierung von wenige Nanometer großen Silicium Quantenpunkten (Si QDs). Die jüngsten Vorarbeiten der Antragsteller zur P-Dotierung von 5 nm Si QDs reproduzieren die berichteten Beobachtungen. In Kombination mit detaillierten strukturellen Messungen und statistischen Auswertungen (atom probe tomography, Synchrotron- Röntgenabsorptionspektroskopie) ergeben sich jedoch Zweifel, ob die optisch und elektrisch messbaren Veränderungen der Si QD Eigenschaften tatsächlich auf eine echte P-Dotierung zurückzuführen sind. Unsere Daten ergeben relativ viele P-Atome pro QD. Jedoch scheint nur ein Prozentbruchteil ionisiert zu sein und die Ionisierungsenergie ist 2-3 mal höher als für bulk-Si. Dichtefunktionalsimulationen von P-dotierten Si-Approximanten ergeben für keine der möglichen Konfigurationen Zustände die Majoritätsladungsträger zur Verfügung stellen könnten. Es entstehen allerdings vielfältige Zustände in Bandkantennähe die als Defekt- und Rekombinationszentrum in Frage kommen. Diese Zustände scheinen eine mögliche Ursache für die abgeschwächte Photolumineszenz und die erhöhte Leitfähigkeit zu sein. Aufbauend auf diese Vorarbeiten wollen wir in diesem Projektantrag die P- und B-Dotierung von nanoskaligem Silicium im Detail erforschen. Das Ziel ist die Aufklärung des Widerspruchs zwischen den verschiedenen Literaturberichten sowie die Erstellung eines umfassenden Überblicks von Defekt- und Dotierungsmechanismen. Dazu stehen uns ein Probensystem zur Verfügung, dessen Optimierung viele Jahre in Anspruch genommen hat, sowie eine umfangreiche Palette von erprobten strukturellen, optischen und elektrischen Messmethoden. Das Projektteam wird hinsichtlich Simulation/Theorie und Lumineszenzmessmethoden durch zwei internationale Kooperationen ergänzt. Die Erforschung der Dotierung von nanoskaligem Silicium ist in Anbetracht der Bedeutung zukünftiger Si-Elektronik von besonderer Priorität. Die experimentelle und personelle Konfiguration, die diesem Projektantrag zugrunde liegt, bietet die optimale Möglichkeit entscheidende Forschungsergebnisse zu erzielen, die aufzeigen in welchem Umfang die klassische Dotierung in zukünftigen FET Generationen noch funktioniert und mit welchen Defektmechanismen zu rechnen ist.

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