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Wie perfekt ist ein Silicium-Einkristall?

31.12.2005

Im Laufe der letzten Jahre wurden im Rahmen des internationalen Avogadroprojekts immer wieder bei der Dichtebestimmung von Siliciumkristallen relative Abweichungen bis zu einigen 10-6 festgestellt. Es setzte sich zunächst die Meinung durch, dass die gefundenen Abweichungen durch Kristallbaufehler wie Löcher oder Leerstellencluster verursacht würden. Nur überzeugende Beweise für diese Hypothese ließen sich nicht finden, da keine Löcher in Silizium nachgewiesen werden konnten.

Züchtungsexperimente unter verschiedenen Wachstumsbedingungen in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kristallzüchtung in Berlin sollten Antworten auf dieses Problem finden. Im Rahmen dieser Kooperation konnten erstmals gezielt Si-Einkristalle mit Löchern durch Dotieren mit Wasserstoff hergestellt und sichtbar gemacht werden. Die Wasserstoffkonzentration wurde so gewählt, dass das versetzungsfreie Kristallwachstum nicht gefährdet war. Die gegen undotierte Proben gemessenen relativen Dichteunterschiede waren in keinem Falle größer als 1 x 10-7 (Proben 1,2;6,7;8,9 s. Bild). Durch Co-Dotierung mit Stickstoff konnte der Dichteverlust rückgängig gemacht werden: Die Kristalldefekte bildeten sich zurück und erlangten eine Größe von wenigen Nanometern, die nur noch mit Röntgenbeugungsexperimenten sichtbar gemacht werden konnten (Proben 3,4,5 s. Bild).

Die Resultate zeigen einerseits, dass die beobachteten großen Abweichungen der Kristalldichten innerhalb des Avogadroprojekts nicht durch intrinsische Kristalldefekte verursacht werden, und andererseits, dass sich bei sorgfältigem Kristallwachstum die Dichten von Si-Einkristallen höchstens im Bereich 10-8 unterscheiden können.


Dichteunterschiede von wasserstoff- und stickstoffdotierten Si-Einkristallen. Probe #1: Referenz, undotiert. Probe #2: Wasserstoff dotiert, Dichte wird durch die Bildung von Löchern reduziert. Proben #3-5: ansteigende co-Dotierung mit Stickstoff: Die Löcher heilen aus. Übertragen auf die im Avogadroprojekt benutzten Kristalle sind die beobachteten Resultate nicht relevant: Im Bereich 10-8 ist die Siliciumdichte als konstant anzusehen.