Hochfrequenz-Untersuchungen an paramagnetischen und diamagnetischen Myonenspezies in Silizium

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Wasserstoff spielt bei der Herstellung von Halbleitern eine wichtige Rolle. In vielen Produktionsschritten von Halbleiterbauelementen, wie dem Ätzen von Strukturen und Schaltkreisen, ist Wasserstoff in Form von wässrigen Säuren und Lösungen vorhanden. Er diffundiert aufgrund seiner geringen Größe sehr leicht durch das Material und kann chemische Reaktionen mit dem Halbleiter, eingebrachten Fremdatomen (Dotierung) oder Verunreinigungen (Sauerstoff) eingehen. Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass Wasserstoff im Halbleiter Störstellen (Dotieratome) passivieren [Pankove 1991, Pearton 1992] oder in bestimmten Temperaturbereichen die Sauerstoffdiffusion stark beschleunigen kann [Murray 1991, Myers 1992]. Dabei sind die zugrunde liegenden Prozesse oft noch nicht ganz verstanden. Um weitere Erkenntnisse über die ablaufenden Prozesse zu erhalten, wird in dieser Arbeit der Einfluss von Bor-Dotierung, Phosphor-Dotierung und Sauerstoff auf die Bildung wasserstoffähnlicher Myonenspezies in Silizium untersucht.

Das positive Myon kann wie das Proton ein Elektron an sich binden und bildet somit wasserstoffähnliches Myonium. Da das Myon etwa 1/9 der Masse des Protons besitzt kann Myonium als leichtes Wasserstoff-Isotop angesehen werden, das sich chemisch nahezu identisch verhält. Die Myonenspektroskopie ist durch die Verwendung kernphysikalischer Methoden wesentlich empfindlicher bei der Vermessung geringster Wasserstoff-Konzentrationen, wie sie im Halbleiter vorkommen, als herkömmliche Methoden wie z.B. NMR, ESR oder IR-Spektroskopie. So wurde Myonium auf einem Bond-Center Platz (MuBC) schon 14 Jahre vor dem entsprechenden Wasserstoffzustand, in der NMR als AA9-Zentrum bekannt, entdeckt. Zusätzlich werden bei der Verwendung von Myonen Probleme wie Wasserstoff-Agglomeration oder Strahlenschädigungen, wie sie bei starker Protonenbestrahlung auftreten, elegant umgangen.

Die Stuttgarter Myonengruppe des Max-Planck-Institutes für Metallforschung untersucht schon seit längerem mit Hilfe der Myonenspektroskopie wasserstoffähnliches Myonium, in eigenleitenden (intrinsischen) und dotierten Halbleitern [Major 1992, Iwanowski 1994, Scheuermann 1997, Schmidl 1997, Kormann 1998, Kormann 1999, Kormann 2000, Major 2000, Schefzik 2001].

In dieser Arbeit wurden unterschiedlich dotierte Silizium-Kristalle (intrinsisch (eigenleitend), bor-dotiert (p-leitend), phosphor-dotiert (n-leitend)) die entweder nach dem Zonenschmelzverfahren (englisch: Float-Zone, FZ) oder nach dem Czochralski-Verfahren (hoher Sauerstoff-Gehalt) gezogen wurden untersucht. Mit dieser Arbeit wurden die Untersuchungen an Halbleitern abschließend behandelt und es konnten viele offene Fragen geklärt werden. So konnte durch den erstmaligen Nachweis einer in dotierten Halbleitern bisher nur aufgrund von Modellvorstellungen vermuteten Myonenspezies die Modellvorstellung überprüft und entscheidend überarbeitet werden. Zusätzlich bietet diese Arbeit viele Hinweise über den Aufbau und den Umgang mit der Messelektronik und den Hochfrequenz-Spulen.