Intrinsieke en extrinsieke puntdefecten in silicium en germanium: de droom van ‘computational materials design’

Groep:  DiSC, CMM - Center for Molecular Modeling 

Promotor: Prof. Jan Vanhellemont (DiSC)Dr. Stefaan Cottenier (CMM)

Begeleiding: Dr. Stefaan Cottenier

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

Kernwoorden: kwantummodellering, puntdefecten, onzuiverheidsatomen

Probleemstelling:

Silicium was zonder twijfel de halfgeleider van de vorige eeuw. Zonder silicium zou de revolutie van de micro-elektronica nauwelijks denkbaar geweest zijn. De voortdurende verkleining van halfgeleidercomponenten – twee miljard transistoren op een enkele chip in 2008 – leidt er toe dat we voor sommige  toepassingen stilaan tegen intrinsieke beper-kingen van silicium aan beginnen te botsen. Voor bepaalde types transistoren die met heel hoge snelheid moeten kunnen schakelen, komt daarbij germanium in beeld als alter¬natieve halfgeleider. De mobiliteit van ladingsdragers in germanium is immers een stuk hoger dan in silicium.

Halfgeleiders en defecten – gewenste zowel als ongewenste – zijn onlosmakelijk met me-kaar verbonden. Om germanium de voor een bepaalde toepassing gewenste elektrische eigenschappen te geven, moet het gedopeerd worden met onzuiverheidsatomen (gewenste defecten). Tijdens het productieproces sluipen er mogelijk ook een aantal atomen vanuit de omgeving het germaniumrooster binnen, die de elektrische eigenschappen op hun manier beïnvloeden (ongewenste defecten). Ook de intrinsieke puntdefecten, i.e. va¬catures en zelf-interstitiëlen, kunnen in aanzienlijke aantallen voorkomen en spelen een cruciale rol in o.a. diffusieprocessen van doopstoffen, roosterdefectvorming en de elek¬trische eigenschappen van de halfgeleider. 

Doorheen de jaren is het gedrag van vele elementen uit het periodiek systeem als onzui-verheid in een siliciumrooster gedetailleerd bestudeerd. Voor germanium is dat veel min-der het geval, en de resultaten voor silicium kunnen ook niet zomaar naar germanium vertaald worden. Betekent dit dat het net zoals voor silicium opnieuw 20 jaar onder¬zoek zal vergen voor het gedrag van onzuiverheidsatomen in germanium even goed be¬grepen wordt als in silicium? Hoogstwaarschijnlijk niet, want de onderzoeksmiddelen vandaag zijn radicaal anders dan 20 jaar geleden. Het begrijpen van onzuiverheden in si¬licium was in de eerste plaats een experimentele taak. Theoretische (kwantum)modelle¬ring werd pas achteraf ingezet, om de resultaten van de experimenten te bevestigen. Van¬daag is de voorspellende kracht van zulke kwantumsimulaties veel groter, en kunnen de rollen vaak omgedraaid worden: simulaties kunnen worden gebruikt om bijvoorbeeld experi¬mentele resultaten te voorspellen of om nieuwe materialen te ontwerpen. Dat gaan we met deze masterthesis proberen.

Intrinsieke (vacatures en interstitiëlen) en extrinsieke (zoals doopstoffen en metalen)  puntdefecten in halfgeleiders hebben een grote invloed niet alleen op de mechanische en elektrische eigenschappen van de halfgeleider maar ook op verschillende processtappen die van essentieel belang zijn bij het vervaardigen van geïntegreerde schakelingen.  Ook tijdens het trekken van éénkristallen met de Czochralski techniek die algemeen gebruikt wordt bij de productie van halfgeleidersubstraten voor de micro-elektronica, spelen vacatures en zelf-interstitiëlen een cruciale rol voor de kwaliteit van het eindproduct.

Het rechtstreeks meten van de eigenschappen van deze puntdefecten is bijzonder moeilijk. De literatuurwaarden voor belangrijke thermodynamische parameters van bijv. de intrinsieke puntdefecten, zoals hun oplosbaarheid en diffusiviteit lopen zelfs voor Si dat al meer dan 40 jaar intensief bestudeerd wordt, vele grootte-ordes uit elkaar. Voor puntdefecten in Ge zijn vaak zelfs geen gegevens beschikbaar terwijl deze kennis onontbeerlijk is voor een succesvolle toepassing van Ge als actieve halfgeleider in geavanceerde elektronische schakelingen.

Doelstelling:

De bedoeling van deze masterthesis is om de stabiliteit van intrinsieke puntdefecten (vacatures en zelf-interstitielen) en de roosterposities van een reeks onzuiverheidsatomen te voorspellen met kwantummodellering.  Hierbij wordt ge¬bruik gemaakt van bestaande computerpakketten. Deze studie zal uitgevoerd worden zowel voor het redelijk goed begrepen Si-kristalrooster als voor het veel meer onbekende Ge-kristalrooster. De trends die we in deze ‘com¬puterexperimenten’ waarnemen, zullen we proberen fysisch/chemisch te verklaren. We willen op die manier een begin maken met het aanleggen van een ruime catalogus voor de trends in het gedrag van intrinsieke puntdefecten en onzuiverheidsatomen in germanium, en dit in de meeste gevallen nog voor het eerste experiment voor een element plaatsgevonden heeft. Deze re¬sultaten zullen een leidraad vormen voor experimenteel werk (in universiteit en industrie), en kunnen de weg wijzen naar onzuiverheden die absoluut vermeden moeten worden of die juist heel gewenst zijn voor specifieke toepassingen. We maken op die ma¬nier de droom van “computational materials design” voor een stuk werkelijkheid.