11.03.2022 - Pacific Northwest National Laboratory

Erstaunliche Halbleitereigenschaften mit innovativer neuer Methode aufgedeckt

Entdeckung offenbart Rolle von Sauerstoffverunreinigungen für Halbleitereigenschaften

Ein Forscherteam, das die Eigenschaften eines Halbleiters in Verbindung mit einer neuartigen dünnen Oxidschicht untersucht, hat eine überraschende neue Quelle der Leitfähigkeit durch darin eingeschlossene Sauerstoffatome entdeckt.

Scott Chambers, ein Materialwissenschaftler am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums, berichtete über die Entdeckung des Teams auf der Frühjahrstagung 2022 der American Physical Society. Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift Physical Review Materials ausführlich beschrieben.

Die Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der Rolle dünner Oxidschichten bei der künftigen Entwicklung und Herstellung von Halbleitern. Halbleiter, die in der modernen Elektronik verwendet werden, gibt es in zwei grundlegenden Geschmacksrichtungen - n-Typ und p-Typ - je nach der elektronischen Verunreinigung, die während des Kristallwachstums hinzugefügt wurde. In modernen elektronischen Geräten werden sowohl n- als auch p-Typ Materialien auf Siliziumbasis verwendet. Es besteht jedoch ein anhaltendes Interesse an der Entwicklung anderer Arten von Halbleitern. Chambers und sein Team testeten Germanium in Kombination mit einem speziellen dünnen kristallinen Film aus Lanthan-Strontium-Zirkonium-Titan-Oxid (LSZTO).

"Wir berichten über ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Struktur und Funktion von Halbleitern", so Chambers. "Die harte Röntgen-Photoelektronenspektroskopie zeigte in diesem Fall, dass Sauerstoffatome, eine Verunreinigung im Germanium, die Eigenschaften des Materialsystems dominieren, wenn Germanium mit einem bestimmten Oxidmaterial verbunden ist. Das war eine große Überraschung."

Mit Hilfe der Diamant-Lichtquelle auf dem Harwell Science and Innovation Campus in Oxfordshire, England, entdeckte das Forscherteam, dass es sehr viel mehr über die elektronischen Eigenschaften des Germanium/LSZTO-Systems erfahren konnte, als dies mit den üblichen Methoden möglich war.

"Als wir versuchten, das Material mit herkömmlichen Techniken zu untersuchen, verursachte die viel höhere Leitfähigkeit von Germanium im Grunde einen Kurzschluss", so Chambers. "So konnten wir zwar etwas über die elektronischen Eigenschaften des Ge lernen, über die wir bereits viel wissen, aber nichts über die Eigenschaften des LSZTO-Films oder die Grenzfläche zwischen dem LSZTO-Film und dem Germanium - was, wie wir vermuteten, sehr interessant und möglicherweise für die Technologie nützlich sein könnte."

Eine neue Rolle für harte Röntgenstrahlung

Die so genannte "harte" Röntgenstrahlung der Diamant-Lichtquelle konnte das Material durchdringen und Informationen darüber liefern, was auf atomarer Ebene vor sich ging.

"Unsere Ergebnisse lassen sich am besten so interpretieren, dass Sauerstoffverunreinigungen im Germanium für einen sehr interessanten Effekt verantwortlich sind", so Chambers. "Die Sauerstoffatome in der Nähe der Grenzfläche geben Elektronen an den LSZTO-Film ab, wodurch im Germanium innerhalb weniger Atomschichten der Grenzfläche Löcher oder fehlende Elektronen entstehen. Diese spezialisierten Löcher führten zu einem Verhalten, das die halbleitenden Eigenschaften von n- und p-Typ Germanium in den verschiedenen von uns hergestellten Proben völlig in den Schatten stellte. Auch das war eine große Überraschung."

Die Grenzfläche, an der das Dünnschichtoxid und der Basishalbleiter zusammentreffen, ist der Ort, an dem oft interessante halbleitende Eigenschaften auftreten. Die Herausforderung besteht laut Chambers darin, zu lernen, wie man die faszinierenden und potenziell nützlichen elektrischen Felder, die sich an diesen Grenzflächen bilden, kontrollieren kann, indem man das elektrische Feld an der Oberfläche verändert. Laufende Experimente am PNNL erforschen diese Möglichkeit.

Die Proben, die in dieser Forschung verwendet werden, haben zwar wahrscheinlich nicht das unmittelbare Potenzial für eine kommerzielle Nutzung, aber die Techniken und wissenschaftlichen Entdeckungen, die gemacht werden, dürften sich längerfristig auszahlen, sagte Chambers. Die neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse werden Materialwissenschaftlern und Physikern helfen, besser zu verstehen, wie man neue Halbleitermaterialsysteme mit nützlichen Eigenschaften entwickeln kann.

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