Störstellen in Halbleitern

Störstellen in Halbleitern und Kristallen

Bleiben einzelne Plätze in einem Kristall leer oder nehmen Fremdatome die Plätze ein, so verändern sich die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters. Ohne diese gewollten Fehler im Gitteraufbau würde beispielsweise kein einziger Transistor digitale Bit schalten können.

Mikrochips und elektronische Bauelemente sind niemals perfekt, wenn man die Anordnung der Atome betrachtet. Chemikern und Physikern ist das schon länger bekannt, doch stammt ihr Wissen lediglich aus theoretischen Überlegungen und indirekten Messungen.

Philipp Ebert dagegen geht der Sache auf den Grund und deckt Fehler in Verbindungshalbleitern schonungslos auf. Aus diesen Halbleitern, die sich aus zwei verschiedenen chemischen Elementen zusammensetzen, besteht heute eine ganze Reihe von elektronischen Bauteilen. Zunächst spaltet Ebert die Kristalle, die er untersuchen will. Der besondere Kniff: Die Kristalle befinden sich dabei im Vakuum, so dass sich keine Atome aus der Luft auf die frische Spaltoberfläche des Kristalls setzen können. „Auf diese Weise erreichen wir, dass die Oberflächen exakt die Verhältnisse im Kristallinneren widerspiegeln“, sagt der Physiker. Anschließend überführt er eines der gespaltenen Stücke, ohne dass dieses das Vakuum verlässt, in die Probenkammer des Rastertunnelmikroskops. Mit dessen Hilfe lassen sich Unregelmäßigkeiten in der Anordnung der Atome gut erkennen. Fehlt etwa ein Atom mitten im Kristall, so klafft auf einer entsprechenden Spaltoberfläche eine Lücke im atomaren Muster. Doch Eberts Technik macht auch so genannte Dotieratome sichtbar - Zusätze, die die elektrische Leitung von Halbleitern verändern.

Nützliche Fremdlinge

Wie blaue Noppen sind Atome in mehrere Reihen angeordnet. Weiße schimmernde Erhöhung in der Mitte.
Hell sticht ein Fremdatom auf einer Galliumarsenid-Fläche heraus.

Ein Beispiel: Silizium hat ein Bindungselektron mehr als Gallium. Nehmen Siliziumatome vereinzelt die Plätze von Galliumatomen in einem Galliumarsenidkristall ein, so erhöhen die zusätzlichen Elektronen die Leitfähigkeit des Materials. Das machen sich Wissenschaftler und Techniker zu Nutze: Sie bringen gezielt Fremdatome in Halbleiter ein - Dotierung nennen sie das. „Ohne Dotierung funktioniert kein elektronisches Bauelement“, sagt Ebert.

Das Rastertunnelmikroskop gilt gemeinhin als Werkzeug, mit dem man räumliche Informationen erhält: Es bildet Strukturen wie Stufen oder Inseln auf Materialoberflächen ab. Räumlich allerdings lassen sich Dotieratome und andere Atome in einem Halbleiter nicht auseinander halten: Sie haben ähnliche Größen und nehmen im Kristall gleichartige Plätze ein. Doch wie geben sich die Dotieratome dann zu erkennen? Ebert: „Im Gegensatz zur landläufigen Auffassung gibt das Rastertunnelmikroskop hauptsächlich Auskunft über elektronische Zustände in der untersuchten Materie. Nur unter bestimmten Umständen lassen sich daraus dann geometrische Informationen gewinnen.“ Da Dotieratome andere elektronische Eigenschaften als die Atome des Halbleiters besitzen, kann das Rastertunnelmikroskop zwischen ihnen unterscheiden.

Es ist schon erstaunlich, dass es Ebert gelingt, einzelne Dotieratome sichtbar zu machen. Geradezu verblüffend jedoch ist, dass sie auch dann zu erkennen sind, wenn sie nicht in der obersten Schicht der Spaltoberfläche liegen. „Bei Raumtemperatur lassen sich in der Regel noch Dotieratome abbilden, die sich fünf Atomlagen tief im Kristall befinden“, sagt Ebert. Bei niedrigen Temperaturen können die Fremdatome sogar entdeckt werden, wenn sie 20 oder gar 30 Atomlagen tief versteckt sind – sie schimmern durch die darüberliegenden Atome hindurch. Dieser optische Eindruck ist darauf zurückzuführen, dass die Ladung des Dotieratoms entgegengesetzte Ladungen anzieht. Auf diese Weise bildet sich eine Wolke von freien Ladungsträgern - negativ geladene Elektronen oder positiv geladene „Löcher“ – um das Dotieratom herum. Diese Wolke ist weit größer als das Atom und kann vom Rastertunnelmikroskop registriert werden, wenn sie von unten an die Halbleiteroberfläche stößt. „Auf Grund des Kontrastes im Bild kann man direkt sagen, in welcher Tiefe sich das Dotieratom befindet“, erläutert Ebert.

Unerwartetes Verhalten erklärt

Vier Mikroskopaufnahme mit zunehmender Anzahl von kleinen Punkten auf dunkler Oberfläche.
Steigende Temperaturen verursachen mehr Fehlstellen.

Die Bilder des IFF-Wissenschaftlers verbessern so das Verständnis für die Vorgänge, die bei der Dotierung und beim Kristallwachstum ablaufen. So werden für manche elektronische Bauelemente Materialien benötigt, die relativ große Mengen Dotieratome enthalten. Doch nicht immer gelingt es Wissenschaftlern und Technikern, die elektrische Leitfähigkeit wie gewünscht zu beeinflussen. Ebert hat bei der Untersuchung von Galliumarsenid festgestellt, dass eine Dotierung mit Silizium sich anders auswirkt, als es die Fachwelt bis dahin annahm. Brachte er zunehmende Mengen Silizium in Galiumarsenid ein, so stieg die Zahl geladener Siliziumatome im Halbleiter geringer an als theoretisch vorhergesagt. Sie schlossen sich stattdessen häufiger als erwartet zu ungeladenen Grüppchen zusammen oder bewirkten, dass Galliumplätze frei blieben. Ebenfalls ins Visier des Rastertunnelmikroskops hat Ebert Galliumarsenid genommen, das mit Zink dotiert war. Auch hier stellte er fest: Die fremden Atome waren nicht gleichmäßig im Halbleiter verteilt. „Diese Beobachtung liefert Hinweise, wie weit sich elektronische Bauelemente überhaupt verkleinern lassen“, sagt Ebert. Denn im Halbleiter gibt es Bereiche, in denen überhaupt kein Dotieratom vorhanden ist und die deshalb eine vielfach schlechtere Leitfähigkeit haben als der Kristall insgesamt. Diese Bereiche sind zehn Nanometer (Millionstel Millimeter) lang. „Also hat man hat noch ein bisschen Spielraum“, kommentiert Ebert. Auf heutigen Chips sind die feinsten Strukturen etwa 200 Nanometer groß.