Leiden (NL) – De halfgeleiderindustrie verontreinigt halfgeleiders met het element boor zodat ze beter geleiden. Dat lukt niet altijd. Leids onderzoek schaft inzicht in dit raadselachtige verschijnsel. Boor kiest soms een onhandige positie.


Enkele zeer zuivere kristallen van siliciumcarbide vormden de sleutel tot het succesvolle onderzoek naar de verontreiniging van dat materiaal met boor. In deze uit Rusland afkomstige kristallen kon de Leidse FOM-onderzoeker Ankie van Duijn-Arnold zeer precies de structuur van het materiaal bepalen.

Bij de productie van halfgeleiders voor de microelektronica zorgt de verontreiniging van het materiaal met spoortjes van andere atomen voor het gewenste gedrag. Halfgeleiderlasers, transistoren, sensoren – zonder dergelijke verontreinigingen zouden ze niet werken. Voor het materiaal siliciumcarbide (commercieel toegepast sinds 1891) vormen atomen van het element boor een populaire verontreiniging. Zo'n verontreiniging kan een elektron wegvangen en daardoor de geleiding van het materiaal be├»nvloeden.
Siliciumcarbide kan tal van gedaanten aannemen. Silicium en koolstof stapelen zich als lagen en vormen zo diverse kristalstructuren. Er zijn er wel honderdenzeventig bekend, elk met andere eigenschappen en een specifieke hoeveelheid verschillende roosterposities. Op die posities kan bijvoorbeeld een booratoom, dat een elektron minder heeft dan koolstof, plaatsnemen, en elektronen invangen.
Soms levert het aangebrachte boor echter het tegengestelde resultaat, zo blijkt in de praktijk. Volgens de industrie zou boor dan diep in het materiaal zitten en elektronen vasthouden, terwijl het die voor de goede geleiding van de halfgeleider juist gemakkelijk zou moeten afstaan.
De scepsis ten opzichte van de ervaring van de industrie, is dankzij het Leidse onderzoek nu verleden tijd. Met twee in Leiden ontwikelde technieken bestuurde Ankie van Duijn nauwgezet het gedrag van elektronen rond de atoomkernen in met boor verontreinigde siliciumcarbidekristallen. Daarmee stelde zij vast hoe de elektronen over de kristallen zijn verdeeld. Daarbij bleek dat boor inderdaad, zoals de industrie al dacht, soms een ongunstige positie kan innemen en het geleidingsvermogen van de halfgeleider verlaagt in plaats van vergroot.

Erick Vermeulen