Atomen op de loop

In de halfgeleiderindustrie is het zaak kristallen te maken die zeer zuiver zijn. Dat betekent niet alleen dat verontreinigingen van andere atoomsoorten ontbreken, ook moet het kristalrooster zo goed als geen fouten bevatten. Die fouten, of puntdefecten, zijn er in twee varianten. Om te beginnen kunnen in het rooster (ordeningspatroon) plaatsen onbezet zijn: er ontstaat dan een gat. Maar het komt ook voor dat een atoom op een plek zit waar het volgens het kristalrooster niet hoort: een tussenligger. Het mooiste is natuurlijk als beide categorieën even talrijk zijn en je bij het groeien van het halfgeleiderkristal, bijvoorbeeld silicium, de zaak zo kan regelen dat de tussenliggers massaal de gaten opvullen. Dat levert ongekend zuivere wafers op die nodig zijn om de steeds kleiner wordende schakelingen op chips goed te laten functioneren.

Hoeveel tussenliggers en gaten in een kristalrooster aanwezig zijn hangt af van de temperatuur. Die is een maat voor de sterkte van de trillingen waaraan de atomen onderhevig zijn en hoe warmer het kristal, des te meer puntdefecten het bevat. Als gevolg van diezelfde trillingen zitten tussenliggers en gaten niet op één positie in het rooster vastgepind, maar kunnen ze bij wijze van dronkemanswandeling met zekere snelheid door het rooster `hoppen'. Dit proces heet diffusie en hoewel het simpel oogt stelt het halfgeleideronderzoekers nog steeds voor verrassingen.

Dat blijkt weer eens uit een artikel over galliumantimoon dat Amerikaanse en Spaanse fysici deze week in Nature publiceerden. Galliumantimoon (GaSb) is een halfgeleider die gebruikt wordt in niche-toepassingen als infraroodlasers, lichtdetectors, nachtkijkers, zonnecellen en bepaalde typen transistoren. In vergelijking met de massamarkten voor halfgeleiders van bijvoorbeeld silicium en galliumarseen, waarmee de meeste lasers en telecommunicatieapparatuur zijn toegerust, nemen ze een bescheiden positie in. Wat niet wegneemt dat GaSb zeer interessante diffusieverschijnselen laat zien, waarvan het belang verder reikt dan deze specifieke halfgeleider.

Omdat het om twee soorten atomen gaat is diffusie in galliumantimoon complexer dan in silicium. In de praktijk blijkt dat de gallium- en antimoonatomen ieder in hun eigen onderrooster aan de wandel gaan, waarbij zowel tussenliggers als gaten een rol spelen. Altijd is gedacht dat de diffusie van beide atoomsoorten in samengestelde halfgeleiders ongeveer even groot was. Metingen aan de hand radioactieve isotopen hadden dit aan het licht gebracht, ook in het geval van galliumantimoon. Dat laatste resultaat wordt nu door de Amerikaans-Spaanse publicatie in Nature gelogenstraft.

De onderzoekers namen als uitgangspunt een gelaagde structuur met lagen die afwisselend uit GaSb en GaSb bestaan en die bij een temperatuur van 450 °C op elkaar zijn gestapeld. In hoeverre de isotopen (atomen van hetzelfde element maar met een ander aantal neutronen) aan de wandel gaan is bepaald met een massaspectrometer. Die is veel nauwkeuriger dan de methode op basis van radioactieve probes.

De uitkomst was dat de diffusnelheid van antimoon bij temperaturen tussen 571 en 708 °C een factor duizend kleiner is dan die van antimoon. De reden, zo merken de onderzoekers op, zou kunnen zijn dat galliumatomen de gaten bezetten die weggehopte antimoonatomen achterlieten. Hierdoor raakt de diffusie van antimoon min of meer geblokkeerd, terwijl op het zelfde moment het aantal galliumgaten toeneemt. Dit model leidt wellicht tot een beter begrip van diffusie, ook in andere materialen dan galliumantimoon, wat beter functionerende of nog kleinere elektronische en opto-elektronische componenten kan opleveren. Intussen zullen fysici zich zorgen moeten maken over de betrouwbaarheid van de resultaten van diffusiemetingen op basis van radioactiviteit bij andere samengestelde halfgeleiders.