Losse atomen inbrengen en meten in halfgeleiders

TU/e-onderzoekers onder leiding van prof.dr. Paul Koenraad hebben vorige week de omslag gehaald van Physical Review Letters, een van de voornaamste tijdschriften voor natuurkundig onderzoek. Ze presenteren in het blad de oplossing van een belangrijk raadsel in de halfgeleiderfysica.

– Foto: De afbeelding die op de cover staat van Physical Review Letters –

“Het gaat hier om de langverwachte stap naar ‘single atom electronics and photonics’ in halfgeleiders”, vertelt Koenraad. “Ofwel de elektronica en fotonica waarin slechts een enkel atoom actief is en verantwoordelijk voor de functionaliteit van de schakeling. We zijn in staat individuele doterings-atomen te manipuleren en bestuderen. In de publicatie in het blad laten we zien dat we de ladingsverdeling van een enkel elektron gebonden aan een doteringsatoom kunnen meten en begrijpen.”

De afbeelding die de omslag siert van Physical Review Letters, toont magnetische mangaanionen in een rooster van galliumarsenide (GaAs). GaAs is een materiaal met toepassingen in onder meer LEDs, lasers en zonnecellen. Het plaatje is gemaakt met een zogeheten ‘scanning tunneling microscope’. Hiermee maken de onderzoekers het oppervlak van de halfgeleider tot op het niveau van individuele atomen zichtbaar.

Op de afbeelding zijn de mangaanatomen zichtbaar – in geel en rood – in het GaAs rooster. De mangaanatomen – zogeheten onzuiverheden – slokken een elektron uit het GaAs op, waardoor ze een positieve ladingsverdeling om zich heen creëren. De vorm van deze ladingsverdeling is afhankelijk van de diepte waarop het mangaanatoom zich in het materiaal bevindt, zo tonen Koenraad en zijn collega’s aan. Bovendien verklaren ze de vorm van de ladingsverdeling rond onzuiverheden in andere materialen.

Het onderzoek is belangrijk voor het begrip van magnetische onzuiverheden in halfgeleiders. Deze magnetische atomen (zoals mangaan) worden met opzet aangebracht in de hoop dat ze gebruikt kunnen worden in bijvoorbeeld magnetische geheugenelementen. In 2004 was de groep van Koenraad, Photonics and Semiconductor Nanophysics (Technische Natuurkunde/COBRA), de eerste die zag dat de ladingsverdeling rond mangaanionen in GaAs niet bolvormig was. Dit had men tot dan toe wel aangenomen. De huidige publicatie biedt hiervoor een verklaring en legt de relatie met de diepte onder het oppervlak waar de ionen zich bevinden.

Door de toenemende miniaturisatie van computerchips worden in verhouding steeds meer van de toegevoegde onzuiverheden, die bepalend zijn voor de eigenschappen van het materiaal, beïnvloed door de nabijheid van het oppervlak. Goed begrip van deze oppervlakeffecten is daarom essentieel, zegt Koenraad. “Niet alleen onderzoekers in ons vakgebied zien in dat dit interessant is, maar deze publicatie toont tevens aan dat je rekening moet houden met deze effecten in steeds kleiner wordende ‘devices’.”