: DOPANT AND NON-DOPANT IMPURITIES IN SEMICONDUCTORS: BORON IN GERMANIUM

Il germanio negli ultimi anni ha riscontrato un rinnovato interesse, sia nel campo scientifico che tecnologico, in quanto sembra costituire una valida alternativa al silicio come substrato per la realizzazione di dispositivi tecnologici di dimensioni sempre più piccole. Questo interesse ha stimolato nuovi studi riguardanti proprietà fisiche fondamentali di questo materiale, poichè la maggior parte della letteratura a disposizione sul germanio risale agli anni Cinquanta e Sessanta ed è incompleta. In questa tesi vengono affrontati due aspetti poco indagati del germanio: la presenza e la natura dei difetti formati a seguito di impianti amorfizzanti e sub-amorfizzanti, attraverso lo studio dello strain indotto nel substrato; la variazione del parametro reticolare indotto da atomi di boro posti in siti sostituzionali o in clusters con atomi di germanio interstiziale. Entrambi gli argomenti vengono affrontati utilizzando principalmente la tecnica di diffrazione a raggi x ad alta risoluzione (HRXRD), tecnica che permette di rivelare lo strain dovuto alla presenza di difetti anche molto piccoli o presenti con bassa densità, per questo invisibili con altre tecniche. Lo studio dei difetti da impianto è importante soprattutto a causa delle conseguenze che questi possono avere nell’interazione con i droganti successivamente introdotti nel substrato. In questa tesi si dimostra che impianti sia amorfizzanti che sub-amorfizzanti danno luogo a difetti di tipo interstiziale; lo studio delle cinetiche di scioglimento ha indicato che in entrambi i casi sono oggetti semplici, come difetti di punto. In particolare, nei campioni con impianto amorfizzante si formano difetti a fine range di impianto, rivelati tramite HRXRD sia prima sia dopo la ricrescita epitassiale del film amorfo, i quali si sciolgono dopo annealing a temperature moderate (< 400 C). Nei campioni impiantati con dosi non-amorfizzanti si formano difetti la cui natura e stabilità dipendono dalla dose di impianto. In questi campioni non-amorfizzati sono presenti layer sottili di boro, il quale dovrebbe diffondere per la presenza di interstiziali generati dagli impianti e messi in movimento da trattamenti termici (il meccanismo di diffusione del boro in germanio `e proprio di tipo interstiziale). L’assenza di diffusione suggerisce la presenza di meccanismi locali di ricombinazione degli interstiziali con le vacanze, di cui il germanio è ricco a differenza del silicio. Per quanto riguarda il secondo argomento, l’interesse verso il boro nasce dal fatto che è il drogante di tipo più promettente in germanio, soprattutto per la sua bassa diffusività. Il drogante viene di norma introdotto per impianto ionico nel substrato amorfizzato e non nel cristallo, per evitare che gli atomi di drogante possano penetrare in profondità nel campione per effetto channeling, allargando il profilo di impianto in maniera incontrollata. In questa tesi si dimostra che anche impiantando in cristallo si possono ottenere ottimi risultati dal punto di vista della sostituzionalità e dell’attivazione elettrica del boro, se durante l’impianto si mantiene il substrato a temperature molto basse (in particolare alla temperatura dell’azoto liquido). Attraverso l’analisi di questi campioni con la tecnica HRXRD è possibile individuare la variazione del parametro reticolare indotto dal boro sostituzionale e quello indotto dal boro associato agli interstiziali, dati ancora mancanti in letteratura. Questi risultati costituiscono un tassello fondamentale per la corretta interpretazione di fenomeni fisici quali il danno da impianto e la diffusione del drogante, e possono essere utilizzati per costruire modelli teorici sempre più accurati.