Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo et leur équipe impliquant des chercheurs de JASRI, Université d'Osaka, L'Institut de technologie de Nagoya et l'Institut de science et de technologie de Nara viennent de développer une nouvelle approche pour déterminer et visualiser la structure tridimensionnelle (3-D) d'atomes dopants individuels à l'aide de SPring-8. La technique améliorera la compréhension actuelle des structures atomiques des dopants dans les semi-conducteurs en corrélation avec leur activité électrique et soutiendra ainsi le développement de nouveaux procédés de fabrication de dispositifs haute performance.

En utilisant une combinaison d'holographie spectro-photoélectronique, mesures de propriétés électriques et simulations dynamiques des premiers principes, les structures atomiques 3-D des impuretés dopantes dans un cristal semi-conducteur ont été révélées avec succès. Le besoin d'une meilleure compréhension des structures atomiques des dopants dans les semi-conducteurs s'était fait sentir depuis longtemps, principalement parce que les limitations actuelles sur les concentrations de dopants actifs résultent de la désactivation des atomes de dopant en excès par la formation de divers types d'agrégats et d'autres structures défectueuses.

La recherche de techniques pour activer électriquement les impuretés dopantes dans les semi-conducteurs avec un rendement élevé et/ou à des concentrations élevées a toujours été un aspect essentiel de la technologie des dispositifs semi-conducteurs. Cependant, malgré l'évolution continue, la concentration maximale réalisable de dopants actifs reste limitée. Ces structures importantes avaient déjà été étudiées en utilisant à la fois des approches théoriques et expérimentales. Cependant, l'observation directe des structures 3-D des arrangements atomiques des dopants était jusqu'à présent difficile à réaliser.

Dans cette étude, Kazuo Tsutsui de Tokyo Tech et ses collègues ont développé l'holographie spectro-photoélectronique en utilisant SPring-8, et a tiré parti des capacités de l'holographie photoélectronique pour déterminer les concentrations de dopants sur différents sites, sur la base des intensités de crête du spectre des photoélectrons, et des sites atomiques électriquement actifs/inactifs classés. Ces structures sont directement liées à la densité des porteurs. Dans cette approche, l'excitation par rayons X doux des électrons au niveau du cœur conduit à l'émission de photoélectrons à partir de divers atomes, dont les ondes sont ensuite diffusées par les atomes environnants. Le motif d'interférence résultant crée l'hologramme photoélectronique, qui peut ensuite être capturé avec un analyseur d'électrons. Les spectres de photoélectrons acquis de cette manière contiennent des informations provenant de plusieurs sites atomiques. Par conséquent, l'ajustement des pics est effectué pour obtenir l'hologramme de photoélectrons des sites atomiques individuels. La combinaison de cette technique avec des simulations de principes premiers permet d'estimer avec succès la structure 3-D des atomes dopants, et l'évaluation de leurs différents états de liaison chimique. La méthode a été utilisée pour estimer les structures 3-D d'atomes d'arsenic dopés sur une surface de silicium. Les résultats obtenus ont pleinement démontré la puissance de la méthode proposée et ont permis de confirmer plusieurs résultats antérieurs.

Ce travail démontre le potentiel de l'holographie spectro-photoélectronique pour l'analyse des impuretés dans les semi-conducteurs. Cette technique permet des analyses difficiles à réaliser avec des approches conventionnelles et devrait donc être utile dans le développement de techniques de dopage améliorées et, finalement, en soutenant la fabrication d'appareils à hautes performances.