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:

Supraleitung Prozessschritte

1. Supraleitung in Ga-überdotiertem Si

2. Supraleitung in Ga-überdotiertem Ge


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

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 Si-Verteilung

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).

Si:Ga Temperaturabhängigkeit des Schichtwiderstandes

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.

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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.

TEM Ga-implantiertes Ge

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 in Ga-implantierten Ge

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.

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