Atomic Scale Images of Acceptors in III-V Semiconductors

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung einzelner Dotieratome mittels Rastertunnelmikroskopie (STM1) und ortsaufgelöster I(V)-Spektroskopie (STS2) [8]. Das Verständnis der lokalen elektronischen Struktur von Dotieratomen ist dabei für Grundlagenforschung und Halbleiterindustrie gleichermaßen von Inte-resse: Innerhalb der nächsten fünf Jahre werden Transistoren, die primären Schaltelemente in jedem gewöhnlichen Computer, auf Strukturgrößen von 15nm geschrumpft sein [1]. Sie sind dann mit der Ausdehnung der quantenmechani-schen Wellenfunktion einzelner Dotieratome vergleichbar. Der typische Durchmesser einer Akzeptorwellenfunktion in Silizium liegt bei 4nm und die Ausdehnung einer Donatorwellenfunktion beträgt bis zu 10nm [2-5]. In naher Zukunft wird nicht nur die genaue Verteilung der Dotieratome in einem Bauele-ment wichtig sein, sondern auch ihre räumliche elektronische Struktur [6, 7]. In diesem Zusammenhang geben Akzeptoren in III-V Verbindungshalbleitern bis heute Rätsel auf. Die Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie (X-STM) ermög-licht es, vergrabene Defekte und Heterostrukturen mit dem STM abzubilden [9, 14-16]. Dabei wird eine Halbleiterprobe gezielt entlang einer bevorzugten {110} Bruchrichtung gespalten, so dass ein atomar glatter Querschnitt durch die Struk-tur zugänglich wird. Im STM erscheinen flache Akzeptoren, die knapp unter der Spaltfläche vergraben sind, als dreieckige Bereiche erhöhter Leitfähigkeit [11, 22]. Für tiefe Akzeptoren dagegen wurden bisher flügelförmige Kontraste beobachtet [23]. Obwohl dieses Erscheinungsbild seit einiger Zeit bekannt ist, entziehen sich die beobachteten Akzeptorkontraste bisher einer theoretischen Beschreibung, da sie nicht der Symmetrie der zugrundeliegenden Bandstruktur (c2V) entsprechen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist das experimentelle Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse. In Kapitel 4 wird gezeigt, dass die anisotropen Kontraste von Tunnelprozessen nahe der Valenzbandkante herrühren. Zwei ver-schiedene Tunnelprozesse können identifiziert werden, die anisotrope Leitfähigkeitsverteilungen aufweisen.