Ein leitfähiger Hauch Silizium

Ein leitfähiger Hauch Silizium

Auch extrem dünne Schichten aus Silizium lassen sich „dotieren“.

Um Halbleiterchips noch schneller und leistungsfähiger zu machen, muss man immer feinere Chip-Strukturen und immer dünnere Halbleiterschichten produzieren. Dabei setzt man u. a. das SOI-Verfahren (Silicon On Insulator) ein, d. h. man trägt auf eine nichtleitende Unterlage aus Siliziumoxid eine dünne Schicht aus elektrisch leitendem kristallinen Silizium auf, die anschließend strukturiert und mit weiteren Schichten überzogen wird. Doch wie dünn kann man die Siliziumschichten machen, bevor sie ihre Leitfähigkeit verlieren? Forscher in den USA sind dieser Frage nachgegangen.

Max Lagally und seine Kollegen von der University of Wisconsin-Madison haben dünne Siliziumschichten auf ein Siliziumoxidsubstrat aufgetragen und mit Bor dotiert. Bei vergleichsweise dicken Siliziumschichten mit einer Stärke von 100 nm und mehr hängen die elektrischen Eigenschaften von der Konzentration der Boratome im Kristallgefüge des Siliziums ab. Diese Atome nehmen Elektronen aus dem komplett gefüllten Valenzband des Siliziums auf. Dabei entstehen positive Löcher, die sich frei in der Siliziumschicht bewegen können und sie elektrisch leitend machen.

Wenn die Siliziumschicht jedoch dünner als 50 nm ist, dann werden ihre elektrischen Eigenschaften in erster Linie von den Verhältnissen an den Oberflächen der Schicht bestimmt. An der Berührungsfläche zwischen der Siliziumschicht und dem Substrat treten zahllose Störstellen auf, an denen die beweglichen Ladungen hängen bleiben können. Je dünner die Schicht ist, umso größer ist der Anteil der Ladungen, die eingefangen werden und nicht mehr zur Leitfähigkeit der Schicht beitragen. Deshalb würde man erwarten, dass ultradünne Schichten von 20 nm Dicke fast keine frei beweglichen Ladungen mehr haben und nichtleitend sind. Eine Dotierung solcher Schichten wäre dadurch wirkungslos.

Doch verlieren ultradünne Siliziumschichten tatsächlich ihre Leitfähigkeit? Frühere Experimente schienen diese Befürchtung zu bestätigen. Um das zu überprüfen, haben Lagally und seine Kollegen mit einem Rastertunnelmikroskop im Vakuum die gereinigte Oberfläche von SOI-Schichten unterschiedlicher Dicke untersucht. Dabei zeigte es sich, dass die 20 nm dicken Schichten den elektrischen Strom ebenso gut leiteten wie 200 nm dicke Schichten, bei denen die „Ladungsfallen“ an der Oberfläche keine Rolle spielen konnten. Woher stammten die frei beweglichen Ladungen, die die ultradünnen Schichten elektrisch leitend machten, obwohl alle von der Dotierung herrührenden Ladungen an den Störstellen festsaßen?

Die Antwort darauf fanden die Forscher wiederum mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops. Es machte sichtbar, dass sich die Siliziumatome an der freien Oberfläche der Schicht umgeordnet hatten. Verglichen mit den Siliziumatomen im Innern der Schicht fehlten den Oberflächenatomen Nachbarn. Deshalb hatten sie freie Bindungen übrig, die sie dazu nutzten, sich mit einem benachbarten Oberflächenatom zu einem Dimer zusammenzuschließen. Es entstanden elektronische Oberflächenzustände, die ein gefülltes Valenzband und ein zunächst leeres Leitungsband bildeten.

Das neu entstandene Leitungsband lag nur 0,3 eV über dem Valenzband des Siliziums. Damit hatte sich die effektive Bandlücke der Siliziumschicht erheblich verringert, sodass durch thermische Anregung sehr viele Elektronen den Sprung aus dem Valenzband der Schicht ins Oberflächenleitungsband schaffen konnten. Im Valenzband entstanden dadurch positive Löcher – und zwar in viel größerer Zahl, als es durch eine Dotierung möglich gewesen wäre. Einige dieser Löcher blieben zwar wiederum in den „Ladungsfallen“ an der Berührungsfläche von Siliziumschicht und Siliziumoxidsubstrat hängen. Doch die Mehrheit der Löcher war frei beweglich und konnte zur Leitfähigkeit der Siliziumschicht beitragen.

Wie die Arbeit von Lagally und seinen Kollegen zeigt, kann man die elektrischen Eigenschaften von ultradünnen SOI-Schichten zwar nicht durch herkömmliche Dotierung beeinflussen, aber doch mit Hilfe der freien Bindungen der Oberflächenatome. Bedeckten die Forscher die freie Oberfläche der SOI-Schicht mit einer Siliziumoxidschicht, so wurde die Bildung von elektronischen Oberflächenzuständen unterdrückt. Dann konnten auch keine frei beweglichen Löcher in der Siliziumschicht entstehen: Die Schicht war in diesem Fall elektrisch nichtleitend. Damit die Oberflächenzustände erhalten bleiben, könnte man z. B. geeignete organische Materialen auf der Schicht absorbieren lassen und dadurch die Energie der Oberflächenzustände nach Wunsch verändern. Auf diese Weise ließen sich ultradünne SOI-Schichten schließlich doch noch „dotieren“ und bei der weiteren Miniaturisierung der Halbleiterbauelemente einsetzen.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Pengpeng Zhang et al.: Electronic transport in nanometre-scale silicon-on-insulator membranes. Nature 439, 703 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04501 
• Gruppe von Max Lagally an der University of Wisconsin-Madison:
  http://mrgcvd.engr.wisc.edu/lagally/ 
• Gruppen von Mark Eriksson an der University of Wisconsin-Madison:
  http://uw.physics.wisc.edu/~eriksson/index.htm 
• SOI-Wafer-Hersteller Soitec:
  http://www.soitec.com/

Weitere Literatur:

• John J. Boland: Transport news. Nature 439, 671 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/439671a 
• G. K. Celler & Sorin Cristoloveanu: Frontiers of silicon-on-insulator. Journal of Applied Physics 93, 4955 (2003).
  http://www.soitec.com/en/pdf/Frontiers_SOI.pdf