Stickstoff gilt als extrem reaktionsträges Gas. Daher ist es unter anderem schwer, Halbleiter gezielt mit Stickstoff zu dotieren. Warum dies so ist, haben Wissenschaftler jetzt aufgeklärt. Sie beschreiben in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erstmals, die Stickstoff in Zinkoxid-Halbleitern zu Gitterfehlern und damit verminderter Leistung führt.
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Stickstoff ist als Hauptbestandteil der Luft ein allgegenwärtiges, aber trotzdem wenig beachtetes Element. Das Molekül gilt als reaktionsträge. Im Labor arbeiten Forscher deshalb immer dann unter Stickstoffatmosphäre, wenn Sauerstoff oder die Feuchtigkeit der Luft zu aggressiv für empfindliche Proben sind. Der Grund für die Trägheit: Zwei Stickstoffatome sind im Molekül derart fest aneinandergebunden, dass sie für ihre Umgebung kaum Interesse haben. Andererseits könnte es sich jedoch lohnen, diese Bindung aufzubrechen um beispielsweise Halbleiter gezielt mit Stickstoff zu dotieren. Das allerdings stößt bisher auf ziemliche Probleme.
Wenn Stickstoff mit Zinkoxid…
Warum, das haben nun Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) aufgeklärt. Sie haben untersucht, was tatsächlich passiert, wenn Stickstoff mit einem Festkörper, wie zum Beispiel Zinkoxid in Verbindung tritt. „Unsere Ergebnisse erklären, warum es schwierig ist, die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien durch Dotieren mit Stickstoff zu ändern“, erklärt Professor Norbert Nickel vom HZB. Verbindungshalbleiter dienen als Basismaterialien in der Elektronik, deren elektrische Leitfähigkeit durch den gezielten Einbau von Fremdatomen, das sogenannte Dotieren, erhöht werden kann. Dabei ist es nicht immer einfach, das Fremdatom an der richtigen Stelle im Kristallgitter des Halbleiters zu platzieren.
Molekül bricht Halbleiterbindungen auf
Nickels Berechnungen ergeben, dass die eingeschleusten Stickstoffatome sich im Inneren des Halbleiters zu Stickstoffmolekülen zusammenfinden. Dort tritt das Stickstoffmolekül mit dem Zinkoxid-Gitter in Wechselwirkung und bricht dabei Bindungen zwischen Zink und Sauerstoff auf. In der Folge entstehen im Kristallgitter Defekte, die zu einer verminderten elektrischen Leitfähigkeit führen. „Dieser Reaktionsweg ist typisch für eine ganze Reihe von sogenannten Verbindungshalbleitern, zum Beispiel Magnesiumoxid oder Natriumchlorid“, so Nickel.
Dieser Prozess erklärt auch, warum selbst ein Dotieren mit hoher Stickstoffkonzentration kaum zu mehr Ladungsträgern im Kristall führt. „Zunächst einmal ist die Arbeit Grundlagenforschung. Sie liefert Erkenntnisse darüber, wie sich Stoffe verhalten und welchen Reaktionsmechanismen sie unterliegen“, erklärt Nickel. Doch darüber hinaus können die Erkenntnisse helfen, den Dotierprozess zu optimieren.
(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 12.01.2010 – NPO)
