Kleinere und schnellere Computer-Chips brauchen immer mehr Ladungsträger für die Verarbeitung digitaler Informationen. Doch die Bildung dieser Elektronen und Elektronen-Löcher durch den Einbau von Fremdatomen in das Siliziumgitter stößt langsam an seine Grenzen. US-Forscher von den Bell Laboratories in Murray Hill konnten nun erstmals mit einem Elektronen-Mikroskop alle dotierten Antimon-Atome in einem Siliziumkristall sichtbar machen. Damit gelang ihnen ein wichtiger Schritt, um das atomare Verhalten nach einer Dotierung zu verstehen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie im Fachblatt Nature (Vol. 416, S. 826).
Dotierung entwickelt sich zu einem zunehmend schwierigeren Problem in der Halbleiterindustrie, sagt Paul Peercy von der
University of Wisconsin. Trotz stärkerer Dotierung mit Antimon oder Bor zu so genannten “n-Typ” oder “p-Typ” Halbleitern lässt sich die Dichte an Ladungsträgern nicht über rund 7 mal 10 hoch 20 Elektronen pro Kubikzentimeter steigern. Den Grund für diese Sättigung erkannten die Wissenschaftler nun in einer Anhäufung von jeweils mehreren Antimon-Atomen im Siliziumgitter. So liefert nicht mehr jedes einzelne zusätzliche Dotierungsatom sondern nur Gruppen aus mehreren Atomen einen freien und elektronisch aktiven Ladungsträger.
Der Trick der Forscher liegt in einem speziellen Transmissions-Rasterelektronen-Mikroskop, bei der die zur Beobachtung der Atomstruktur genutzten Elektronen gestreut werden. So werden diese Elektronen von Antimon-Atomen rund neun mal so stark abgelenkt wie von den umgebenden Silizium-Atomen im Kristallgitter. Durch diese Methode lassen sich relativ schnell alle Fremdatome im Gitter aufspüren und in ihrer Position bestimmen. Mit allen bisher verwandten Kontroll-Methoden glich diese Suche nach Dotierungs-Atomen eher der Jagd nach der Nadel im Heuhaufen.
“Sehen ist der erste Schritt zur Erkenntnis”, sagt Peercy. Daher glauben die Forscher nun bald erklären zu können, warum sich die dotierten Antimon-Atome trotz ausreichenden Einbauplätzen im Gitter zu Atomgruppen zusammenlagern. Auf dieser Basis könnte ein neues Verfahren entwickelt werden, wodurch die Dotierungs-Atome immer einzeln in das Silizium-Gitter eingelagert werden könnten. Damit wäre der Weg frei, die klassische Silizium-Technologie auch für die nächsten Generationen leistungsstarker Computer-Chips nutzen zu können.
Jan Oliver Löfken
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