Scienziati del Tokyo Institute of Technology e il loro team che coinvolge ricercatori di JASRI, Università di Osaka, Il Nagoya Institute of Technology e il Nara Institute of Science and Technology hanno appena sviluppato un nuovo approccio per determinare e visualizzare la struttura tridimensionale (3D) dei singoli atomi droganti utilizzando SPring-8. La tecnica migliorerà l'attuale comprensione delle strutture atomiche dei droganti nei semiconduttori correlati alla loro attività elettrica e quindi supporterà lo sviluppo di nuovi processi di fabbricazione per dispositivi ad alte prestazioni.

Utilizzando una combinazione di olografia spettrofotoelettronica, misure di proprietà elettriche e simulazioni dinamiche dei primi principi, le strutture atomiche 3-D delle impurezze droganti in un cristallo semiconduttore sono state rivelate con successo. La necessità di una migliore comprensione delle strutture atomiche dei droganti nei semiconduttori era stata sentita da tempo, principalmente perché le attuali limitazioni sulle concentrazioni di drogante attivo derivano dalla disattivazione degli atomi di drogante in eccesso mediante la formazione di vari tipi di cluster e altre strutture difettose.

La ricerca di tecniche per attivare elettricamente le impurezze droganti in semiconduttori ad alta efficienza e/o ad alte concentrazioni è sempre stata un aspetto essenziale della tecnologia dei dispositivi a semiconduttore. Però, nonostante i continui sviluppi, la concentrazione massima raggiungibile di droganti attivi rimane limitata. Queste importanti strutture erano state precedentemente studiate utilizzando approcci sia teorici che sperimentali. Però, l'osservazione diretta delle strutture 3-D delle disposizioni atomiche droganti è stata finora difficile da ottenere.

In questo studio, Kazuo Tsutsui della Tokyo Tech e colleghi hanno sviluppato l'olografia spettrofotoelettronica utilizzando SPring-8, e ha sfruttato le capacità dell'olografia fotoelettronica nel determinare le concentrazioni di droganti in diversi siti, in base alle intensità di picco dello spettro fotoelettronico, e classificati siti atomici elettricamente attivi/inattivi. Queste strutture sono direttamente correlate alla densità dei portatori. In questo approccio, l'eccitazione a raggi X molli degli elettroni a livello del nucleo porta all'emissione di fotoelettroni da vari atomi, le cui onde vengono poi disperse dagli atomi circostanti. Il modello di interferenza risultante crea l'ologramma fotoelettronico, che può poi essere catturato con un analizzatore di elettroni. Gli spettri dei fotoelettroni acquisiti in questo modo contengono informazioni provenienti da più di un sito atomico. Perciò, l'adattamento del picco viene eseguito per ottenere l'ologramma fotoelettronico dei singoli siti atomici. La combinazione di questa tecnica con simulazioni dei primi principi consente la stima di successo della struttura 3-D degli atomi droganti, e la valutazione dei loro diversi stati di legame chimico. Il metodo è stato utilizzato per stimare le strutture 3-D degli atomi di arsenico drogati su una superficie di silicio. I risultati ottenuti hanno pienamente dimostrato la potenza del metodo proposto e hanno permesso la conferma di diversi risultati precedenti.

Questo lavoro dimostra il potenziale dell'olografia spettrofotoelettronica per l'analisi delle impurezze nei semiconduttori. Questa tecnica consente analisi difficili da eseguire con approcci convenzionali e dovrebbe quindi essere utile nello sviluppo di tecniche di doping migliorate e, in definitiva, nel supportare la produzione di dispositivi ad alte prestazioni.