Mikroelektronik

HZDR: Schockfrosten von Silizium ahmt Urknall nach: Neue Impulse für die Fertigung defektfreier Schichten des Halbleitermaterials

22. Juli 2025. Solarzellen und Computerchips verlangen nach möglichst perfekten Siliziumschichten. Jede Fehlstelle in der kristallinen Struktur eines Silizium-Wafers steigert das Risiko für geringere Wirkungsgrade oder fehlerhafte Schaltprozesse. Wer genau versteht, wie sich Siliziumatome auf einer dünnen Oberfläche zu einem kristallinen Gitter anordnen, gewinnt grundlegende Erkenntnisse für die Kontrolle des Kristallwachstums. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der Universität Duisburg-Essen und der kanadischen University of Alberta analysierte dazu das Verhalten von Silizium, das schockartig abgekühlt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Geschwindigkeit des Abkühlens einen großen Einfluss auf die Struktur von Siliziumoberflächen hat (DOI: 10.1103/rmc4-xqb3). Der zugrundeliegende Mechanismus trat vermutlich auch in Phasenübergängen im frühen Universum kurz nach dem Urknall auf.

Auf einer Silizium-Oberfläche organisieren sich Silizium-Atome zu Paaren, welche wie eine Wippe zwei verschiedene Positionen einnehmen können. Die Wechselwirkung zwischen den Wippen führt zu langreichweitiger und richtungsabhängiger Ordnung. Analog zum frühen Universum hängt die Größe der geordneten Bereiche von der Abkühl-Geschwindigkeit der Oberfläche ab. Bild: B. Schröder/HZDR

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Bei tiefen Temperaturen bilden sich auf einer Silizium-Oberfläche Paare aus Siliziumatomen, sogenannte Dimere, die wie eine Wippe entweder nach rechts oder nach links kippen können. Oberhalb einer kritischen Temperatur – im Falle von Silizium liegt diese bei 190 Kelvin (−83 °C) – wackeln die Dimere zwischen beiden Zuständen hin und her. „Beim Abkühlen unter die kritische Temperatur rasten die Dimere in einem der beiden Zustände ein“, sagt Dr. Gernot Schaller, Leiter des Bereichs Quanteninformationstechnologie am Institut für Theoretische Physik des HZDR. „Sie werden bei diesem Phasenübergang quasi eingefroren.“

Zudem beeinflussen sich die einzelnen Dimere gegenseitig. Dieser Einfluss ist jedoch von der Anordnung der Dimere abhängig: Die Kopplung in Querrichtung ist stärker als in Längsrichtung. „Und genau diese starke, sogenannte Anisotropie ist wesentlich für das Verhalten der Silizium-Dimere an der Oberfläche verantwortlich“, sagt Schaller. „Abhängig von der Kühlrate sehen wir einen Übergang von einem eindimensionalen zu einem zweidimensionalen Verhalten.“ Eindimensional bedeutet, dass sich bei extrem schnellem Abkühlen um mehr als 100 Grad pro Mikrosekunde die Kippwinkel der Dimere entlang langer Ketten einstellen. Fällt die Temperatur dagegen langsamer ab, dominiert das zweidimensionale Verhalten. Dabei bilden die Silizium-Dimere mehr oder weniger große, geordnete Flächen, sogenannte Domänen, die durch eine gleichmäßige Honigwabenstruktur gekennzeichnet sind. „Und je langsamer das Abkühlen verläuft, desto größer werden diese Domänen“, erläutert Schaller.

Für die Berechnungen der kristallinen Oberflächenstruktur griffen die Forschenden auf das sogenannte Ising-Modell zurück. Dieses mathematische Modell betrachtet die Kippwinkel der Silizium-Dimere, die nur einen von zwei möglichen Zuständen annehmen können. Diese dank des anisotropen Ising-Modells elegante Beschreibung eines Phasenübergangs beim Schockgefrieren von Silizium-Oberflächen ist nicht nur graue Theorie. So verglichen die Forschenden ihre analytischen und numerischen Rechnungen auch mit experimentellen Daten.

Honigwaben und Zickzack-Ketten

Hochaufgelöste Aufnahmen eines Rastertunnelmikroskops von tiefgekühlten Silizium-Oberflächen zeigen Strukturen, die mit den Simulationen im Einklang stehen. Deutlich sind dabei sowohl ausgedehnte zweidimensionale Honigwaben-Strukturen als auch scharfe eindimensionale Grenzen zwischen zickzackförmigen Ketten zu erkennen. „Und unsere Kollegen von der Universität Duisburg-Essen haben weitere Experimente geplant, die den Einfluss der Abkühlrate auf die Struktur der Silizium-Oberfläche – ganz analog zu unseren Simulationen – belegen könnten“, sagt Prof. Ralf Schützhold, Direktor des Instituts für Theoretische Physik am HZDR.

Die Ergebnisse geben aber nicht nur neue Impulse für die gezielte Fertigung defektfreier Siliziumoberflächen. „So weist das Verhalten der Silizium-Dimere auch Parallelen zum sogenannten Kibble-Zurek-Mechanismus auf“, sagt Schützhold. Benannt nach den theoretischen Physikern Tom Kibble und Wojciech Hubert Zurek beschreibt dieses theoretische Modell, wie beim schnellen Durchlaufen eines Phasenübergangs topologische Defekte, also Fehlstellen in einer geordneten Struktur, entstehen. Kibble betrachtete dafür Vorgänge beim Abkühlen des sehr jungen Universums nach dem Urknall. Dabei könnten topologische Defekte, wie etwa punktförmige Monopole oder linienförmige Defekte – die kosmischen Strings – entstanden sein. Zurek prognostizierte ein analoges Verhalten in kondensierter Materie am Beispiel von tiefkaltem, superflüssigem Helium. Und nun belegte das Team um Schaller und Schützhold, dass der Kibble-Zurek-Mechanismus offenbar noch weiter verbreitet ist als bisher angenommen und sogar in schockgefrorenen Silizium-Oberflächen auftreten kann.