Russisch kristal helpt onderzoek halfgeleiders
De Leidse FOM-onderzoeker Ankie van Duijn-Arnold heeft dankzij
Russische kristallen achterhaald waarom halfgeleiders soms niet beter,
maar slechter worden. De vaak in twijfel getrokken diepe
booracceptoren blijken wel degelijk te bestaan.
De eigenschappen van halfgeleiders in allerlei technische
toepassingen, van blauwe lasers tot sensoren voor het doen van
metingen onder extreme omstandigheden, worden verbeterd door de
materialen opzettelijk te verontreinigen met andere atomen. In het
veelgebruikte materiaal siliciumcarbide (eerste commerciële toepassing
in 1891) worden daarvoor bijvoorbeeld atomen van het element boor
gebruikt. Soms werkt het aanbrengen van deze atomen echter averechts.
Onderzoek van FOM, de NWO-Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der
Materie, heeft met behulp van uit Rusland afkomstige kristallen de
oorzaak daarvan achterhaald.
In halfgeleiders kan men de elektrische geleiding bevorderen door in
de kristalstructuur atomen aan te brengen die één valentie-elektron
meer hebben dan de aanwezige atomen (de ingebrachte atomen heten dan
donoren) of juist één valentie-elektron minder hebben (deze atomen
heten acceptoren). Met de juiste donoren of acceptoren kunnen de
eigenschappen van een geleidend materiaal heel precies worden
aangepast aan de eisen van de specifieke toepassing.
In de elektronische wereld is siliciumcarbide een veel gebruikt
materiaal. Siliciumcarbide kan tal van gedaanten aannemen. Silicium en
koolstof stapelen zich als lagen, waardoor verschillende
kristalstructuren worden gevormd. Die worden polytypes genoemd;
daarvan zijn er wel 170 bekend. Ieder polytype heeft karakteristieke
eigenschappen en een specifieke hoeveelheid verschillende
roosterposities. Het zijn die posities die door andere atomen als
donor of als acceptor kunnen worden bezet. Een van de gebruikte
acceptoren is het atoom boor (B).
Het blijkt dat boor een elektron heel zwak kan binden, maar ook heel
sterk. In het eerste geval is boor een ondiepe acceptor. Zodra de
temperatuur wordt verhoogd, gaat het elektron aan de wandel en
bevordert daarmee de elektrische geleiding. In het tweede geval is
boor een diepe acceptor en houdt het elektronen vast. De industrie
heeft proefondervindelijk vastgesteld hoe men diepe booracceptoren
moet vermijden. In het begin werd de bewering dat diepe acceptoren
zouden bestaan, met scepsis ontvangen.
Promovendus Ankie van Duijn-Arnold heeft nu aan-getoond dat diepe
booracceptoren wel degelijk bestaan. Haar onderzoek werd door een
combinatie van enkele factoren een succes. Het Huygens Laboratorium in
Leiden, waar zij haar onderzoek deed, heeft goede connecties met
Rusland. De Russen maken enorm goede kristallen. Zo kwam promotor
prof. dr. Jan Schmidt aan zeer zuiver siliciumcarbide. Daarnaast heeft
zijn onderzoeksgroep de afgelopen jaren twee technieken ontwikkeld
waarmee het mogelijk is met veel grotere nauwkeurigheid dan voorheen
te kijken naar het gedrag van elektronen rond atoomkernen. Daardoor
kon Van Duijn precies de verdeling van de elektronen over het kristal
vaststellen. Ook kon met deze techniek het bestaan van diepe
acceptoren onomstotelijk worden vastgesteld.
Nadere informatie bij:
* drs. Ankie van Duijn-Arnold (UL, Natuurkunde)
* tel. (071) 5153655 (privé)
* Promotie 2 mei 2001