Supraleitung in überdotierten Halbleitern
Hohe Dotierung von Halbleitern über die Gleichgewichtslöslichkeit (Überdotierung) kann deren Eigenschaften grundsätzlich ändern. Zum Beispiel können überdotierte Halbleiter metallische und sogar supraleitende Eigenschaften haben [wikipedia].
Diese für Halbleiter ungewöhnlichen Eigenschaften ermöglichen integrierte Halbleiter-Supraleiter-Schaltungen für Quantensensoren und -computer [Pressemeldung HZDR].
Überdotierung ohne Bildung von Ausscheidungen erfordert die Anwendung spezieller Dotierverfahren wie z. B. Ionenimplantation in Kombination mit Ultrakurzzeitausheilung mittels Blitzlampe (~ ms) oder Laser (~ ns .. ms). Die Standardkurzzeitausheilung im Bereich von 10 bis 100 s kann dazu verwendet werden, dotieratomreiche Nanoschichten an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Schutzoxid herzustellen (siehe Schema).
Schema der Prozeßschritte:
1. Supraleitung in Ga-überdotiertem Si
2. Supraleitung in Ga-überdotiertem Ge
3. Isolatorzustand in Ga-überdotiertem Si
1. Supraleitung in Ga-überdotiertem Si
Die Nanoschicht (~ 10 nm) an der SiO2/Si-Grenzfläche mit Ga-reichen, amorphen Ausscheidungen wird unterhalb 7 K supraleitend.
Ga-Tiefenverteilung in Si nach Implantation von 80 keV, 4x1016 Ga+ cm-2 und nach Kurzzeitausheilung bei 650°C für 65 s und 70 s. Nach der Ausheilung hat sich eine Ga-reiche Nanoschicht an der Grenzfläche zwischen SiO2 und Si gebildet.
Falschfarbenbild der Si-Verteilung im Querschnitt einer bei 600°C für 60 s ausgeheilten Probe gemessen mittels energiegefilterter Elektronenmikroskopie (EFTEM). Die Ga-Anreicherung und das Einmischen von Sauerstoff aus der SiO2-Schicht führen zu einer Si-Verarmung an der Grenzfläche. Die Si-Konzentration verringert sich von orange zu blau. Die Schichtstruktur wird deutlich abgebildet: Kleber, SiO2-Schicht, Ga-reiche Nanoschicht und hochdotierte Si-Schicht mit einigen Dotieratom-reichen Ausscheidungen (von links nach rechts).
Temperaturabhängigkeit des Schichtwiderstandes für Proben, die bei unterschiedlichen Temperaturen für 60 s ausgeheilt wurden. Innerhalb eines schmalen Fensters der Ausheiltemperaturen von 600°C bis 700°C werden die Proben bei einer Sprungtemperatur von 7 K supraleitend. Die kleine Abbildung zeigt den Effekt der SiO2-Ätzung. Die Ga-reiche Nanoschicht wird mit entfernt und die Supraleitung geht verloren.
2. Supraleitung in Ga-überdotiertem Ge
Die Ga-hochdotierte Ge-Schicht (~ 50 nm) wird unterhalb 0.5 K supraleitend. Die Schicht enthält keine Ga-haltigen Ausscheidungen.
Folge von XTEM-Bildern von Ga-implantierten (2x1016cm-2, 100keV) und anschließend mit 3 ms Lampenblitz ausgeheilten Ge-Proben. Die mit SIMS gemessenen Ga-Tiefenprofile sind als weißen Kurven dargestellt. Durch die Implantation hat sich eine etwa 100 nm dicke amorphe Schicht gebildet (links). Nach der Ausheilung besteht die Schicht aus einer einkristallinen und einer polykristallinen Zone. Mit wachsender Energiedichte des Blitzes (J/cm2) erhöht sich die Ausheiltemperatur. Das hat eine breitere einkristalline Zone, eine rauhere Grenzfläche und eine Kornvergröberung in der polykristallinen Zone zur Folge. Wegen der kurzen Ausheilzeit bleibt das Ga-Profil nahezu erhalten.
Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer unimplantierten, einer implantierten und einer mit 53.6 J/cm2 ausgeheilten Probe. Nur die ausgeheilte Probe wird unterhalb 0.5 K supraleitend. Das kleine Bild zeigt den Effekt unterschiedlicher Blitzenergiedichten (J/cm2) bei der Ausheilung auf den supraleitenden Übergang.
3. Isolatorzustand in Ga-überdotiertem Si
Durch verstärkte Ga Ausscheidung während der Ausheilung kann der globale supraleitende Zustand der überdotierten Si-Schicht verloren gehen. Es entstehen inhomogene Schichten mit lokalen supraleitenden Bereichen. Diese Si:Ga Schichten sind Isolatoren mit interessanten nichtlinearen Magnetotransporteigenschaften unterhalb der kritischen Temperatur. Sie verhalten sich wie ein Netzwerk von Josephson-Kontakten mit einem Supraleiter-Isolator-Übergang bei einem kritischen Widerstand.
Widerstand von Si:Ga-Schichten als Funktion der Temperatur. Nach Ausheilung bei 600°C wird die Schicht unterhalb 7 K supraleitend. Ausheilung bei 700°C führt zu einer Isolatorschicht. Der kritische Schichtwiderstand für den Supraleiter-Isolator-Übergang beträgt 13 kOhm. Das Hintergrundbild zeigt die inhomogene Schichtstruktur.
Isolierende Si:Ga-Schichten haben unterhalb der kritischen Temperatur von 7 K einen großen, stark veränderlichen Magnetowiderstand.
