Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio e sua equipe envolvendo pesquisadores do JASRI, Universidade de Osaka, O Instituto de Tecnologia de Nagoya e o Instituto de Ciência e Tecnologia de Nara acabam de desenvolver uma nova abordagem para determinar e visualizar a estrutura tridimensional (3-D) de átomos dopantes individuais usando SPring-8. A técnica irá melhorar o entendimento atual das estruturas atômicas de dopantes em semicondutores correlacionadas com sua atividade elétrica e, assim, apoiar o desenvolvimento de novos processos de fabricação para dispositivos de alto desempenho.

Usando uma combinação de holografia espectro-fotoelétron, medições de propriedades elétricas e simulações de dinâmica de primeiros princípios, as estruturas atômicas 3-D de impurezas dopantes em um cristal semicondutor foram reveladas com sucesso. A necessidade de uma melhor compreensão das estruturas atômicas de dopantes em semicondutores foi sentida há muito tempo, principalmente porque as limitações atuais nas concentrações de dopante ativo resultam da desativação do excesso de átomos de dopante pela formação de vários tipos de aglomerados e outras estruturas defeituosas.

A busca por técnicas para ativar eletricamente as impurezas dopantes em semicondutores com alta eficiência e / ou em altas concentrações sempre foi um aspecto essencial da tecnologia de dispositivos semicondutores. Contudo, apesar dos desenvolvimentos contínuos, a concentração máxima alcançável de dopantes ativos permanece limitada. Essas estruturas importantes foram investigadas anteriormente usando abordagens teóricas e experimentais. Contudo, a observação direta das estruturas 3-D dos arranjos atômicos contaminantes tem sido difícil de alcançar.

Neste estudo, Kazuo Tsutsui da Tokyo Tech e colegas desenvolveram holografia espectrofotoelétron usando SPring-8, e aproveitou os recursos da holografia de fotoelétrons para determinar as concentrações de dopantes em diferentes locais, com base nas intensidades de pico do espectro de fotoelétrons, e classificados sítios atômicos eletricamente ativos / inativos. Essas estruturas estão diretamente relacionadas à densidade dos portadores. Nesta abordagem, a excitação suave de raios-X dos elétrons do nível do núcleo leva à emissão de fotoelétrons de vários átomos, cujas ondas são então espalhadas pelos átomos circundantes. O padrão de interferência resultante cria o holograma de fotoelétrons, que pode então ser capturado com um analisador de elétrons. Os espectros de fotoelétrons adquiridos dessa maneira contêm informações de mais de um local atômico. Portanto, o ajuste de pico é realizado para obter o holograma de fotoelétrons de sítios atômicos individuais. A combinação desta técnica com simulações de primeiros princípios permite a estimativa bem-sucedida da estrutura 3-D dos átomos dopantes, e a avaliação de seus diferentes estados de ligação química. O método foi usado para estimar as estruturas 3-D de átomos de arsênio dopados em uma superfície de silício. Os resultados obtidos demonstraram plenamente o poder do método proposto e permitiram a confirmação de vários resultados anteriores.

Este trabalho demonstra o potencial da holografia de espectro-fotoelétron para a análise de impurezas em semicondutores. Esta técnica permite análises que são difíceis de realizar com abordagens convencionais e, portanto, deve ser útil no desenvolvimento de técnicas de dopagem melhoradas e, em última análise, no apoio à fabricação de dispositivos de alto desempenho.