Elektrische und strukturelle Eigenschaften von supraleitenden Schichten in Gallium- implantiertem Silizium und Germanium

Fiedler, Jan GND

In this work, a pioneering attempt to analyze the influence of superconducting gallium-rich precipitates on the electrical transport properties of heavily-doped silicon and germanium layers is presented. An innovative path for the fabrication of superconducting layers in commercial silicon and germanium wafers by ion implantation and short term annealing is demonstrated. Ion implantation via a thin dielectric cover layer was used to introduce a gallium concentration far above the equilibrium solid solubility limit into the silicon and germanium layers. To initiate the redistribution of the implanted gallium, rapid thermal annealing was subsequently employed. The redistribution of the gallium was investigated and the formation of 10 nm thin gallium-rich layers at the cover layer/semiconducting interface was observed. A new model describing the redistribution mechanism was proposed. It has been observed, that for gallium concentrations at the interface exceeding a critical value of 15 at.%, the layers could become superconducting at temperatures below 6 – 7 K. This critical temperature is comparable to formerly studied thin amorphous gallium films. Therefore, for the first time it is demonstrated, that gallium-rich precipitates lead a critical temperature comparable to that of amorphous gallium. With increasing annealing time superconductor insulator transition was observed. Such transitions are often studied as function of layer thickness. Following the data available in the literature, this phase transition is connected to the normal state sheet resistance. As gallium-rich precipitates are hard to detect in germanium due to the small differences in mass and electronic structure, the structural investigations focus on the silicon layers. Most results of this model system can be transferred to the properties of gallium in germanium. This comparison shows that only the critical temperature of the gallium-rich layers does not depend on the substrate material. Up to now, superconductivity in gallium-doped germanium was only observed at temperatures below 1 K. Based on the results presented in this thesis it can be concluded, that the critical temperature of the superconducting state in gallium-doped germanium is a suitable parameter to distinguish between a doping related superconducting state and superconductivity because of gallium clusters.

Zielstellung der Dissertation ist die detaillierte Analyse der Auswirkungen von supraleitenden Galliumausscheidungen auf das elektrische Transportverhalten hochdotierter Silizium- und Germaniumschichten. Dafür wird ein neues Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Schichten in kommerziellen Silizium- und Germanium-Wafern mit Hilfe von Ionenimplantation und Kurzzeitausheilung entwickelt. Mittels Ionenimplantation durch eine dünne dielektrische Deckschicht wurden Galliumkonzentrationen weit über der Gleichgewichtslöslichkeit in die Silizium- und Germaniumsubstrate eingebracht. Kurzzeitausheilverfahren wurden verwendet, um die die Umverteilung des Galliums anzuregen. Die resultierende Galliumverteilung wurde analysiert und es konnte ein Modell entwickelt werden, welches die Ursache für die Ausbildung einer 10 nm dünnen Gallium-reichen Schichten an der Deckschicht/Halbleiter-Grenzfläche beschreibt. Übersteigt die Galliumkonzentration an der Grenzfläche den kritischen Wert von 15 at.%, können die Schichten bei Temperaturen unterhalb von 6 – 7 K supraleitend werden und zeigen damit eine ähnlich kritische Temperatur wie bereits untersuchte dünne amorphe Galliumfilme. Es wird somit erstmalig gezeigt, dass Gallium-reiche Ausscheidungen eine mit reinem Gallium vergleichbare kritische Temperatur haben. Der bisher häufig als Funktion der Schichtdicke erforschte Supraleiter-Isolator-Übergang konnte in den Schichten durch die Variation der Ausheilzeit hervorgerufen werden. Der normalleitende Schichtwiderstand ist als entscheidender Parameter für den Phasenübergang anzusehen. Da sich Gallium-reiche Ausscheidungen in Germanium wegen der geringen Differenz in Masse und Elektronenstruktur nur schwer nachweisen lassen, erfolgten die Strukturuntersuchungen hauptsächlich an Siliziumschichten. Die Ergebnisse dieses Modellsystems lassen sich zum großen Teil auf das Verhalten von Gallium in Germanium übertragen. Dieser Vergleich zeigt, dass außer der kritischen Temperatur alle elektrischen Eigenschaften der Gallium-reichen Schichten vom Substratmaterial abhängen. Supraleitung in Gallium-dotiertem Germanium wurde bisher nur bei Temperaturen unterhalb von 1 K beobachtet. Deshalb ist die kritische Temperatur ein geeigneter Parameter, um durch Dotierung hervorgerufene Supraleitung in Germanium von supraleitenden Ausscheidungen zu unterscheiden.

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Fiedler, Jan: Elektrische und strukturelle Eigenschaften von supraleitenden Schichten in Gallium- implantiertem Silizium und Germanium. 2013.

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