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日本高校实现半导体中单个掺杂原子结构的可视化

日本东京工业大学的科学家和他们的研究团队刚开发出一种全新的方法来确定和可视化单个掺杂原子的三维(3D)结构,该方法借助了日本大型同步辐照源SPring-8。该技术将有助于改善目前对半导体中与其电活性相关的掺杂原子结构的了解,从而促进高性能器件的新制造工艺的发展。


研究背景

长期以来,研究人员一直认为需要更好地理解半导体中掺入杂质的原子结构,这主要是因为目前对活性杂质浓度的限制是由于形成各种类型的团簇和其他缺陷结构而使多余的掺入杂质原子失活。


寻求以高效率和高浓度电激活半导体中掺杂杂质的技术一直是半导体器件技术的重要研究领域。尽管该领域已经有各种成功的进展,但可实现的活性掺杂杂质的最大浓度仍然有限。考虑到掺杂原子结构在这个过程中的影响,这些结构之前已经使用理论和实验方法进行了研究。然而,直接观察掺入杂质原子排列的三维结构迄今难以实现。


研究方法与技术

研究团队利用光电子全息、电性能测试和第一性原理动力学模拟的结合,成功地揭示了半导体晶体中掺杂杂质的三维原子结构。


在这项研究中,东京工业大学的Kazu Tsutsui及研究团队中其他研究人员使用SPring-8开发了光电子全息方法,并利用光电子全息的能力来确定基于光电子谱峰值强度的不同位置处的杂质浓度,并分类电活性/非活性原子位置。这些结构与载体的密度直接相关。在这种方法中,如下图所示,软X射线激发核心层电子,导致来自各种原子的光电子发射,光波被周围的原子散射。散射光电子波与直接光电子波之间的干涉图案产生光电子全息图,然后可以用电子分析仪捕获光电子全息图。以这种方式获得的光电子谱包含来自多个原子位置的信息。因此,进行峰形拟合以获得各个原子位置的光电子全息图。这种技术与第一性原理动力学模拟的结合使得能够成功估算掺杂原子的三维结构,并评估其不同的化学键合状态。该方法已经用于估算在硅表面上掺入砷原子的三维结构,结果充分证明了所提出新方法的有效性,并确认了以前的几个结果。

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图为光电子全息图捕获示意


重大意义

这项工作证明了光电子全息方法分析半导体掺入杂质的潜力。该技术实现了常规方法难以执行的分析,因此将会用于掺杂技术的开发改进,并最终有助于高性能器件的制造。


研究团队

日本东京工业大学、日本同步辐射研究机构(JASRI)、大阪大学、名古屋工业大学和奈良先端科学技术大学院大学。

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