Development and analysis of n-type doping processes for high purity germanium

Dopo un periodo di scarso interesse, nelle ultime due decadi il germanio è diventato uno dei semiconduttori più studiati e ora esso è utilizzato in molti campi di ricerca come la microlettronica, fotonica, energia solare e detector di radiazioni. Il basso bandgap, l’alta mobilità dei portatori di carica e la sua disponibilità anche con alta purezza, sono proprietà molto interessanti che rendono il germanio più efficiente del silicio in molti casi. La tendenza verso lo scaling dei dispositivi e il continuo miglioramento delle performance richiedono livelli di drogaggio sempre più alti e giunzioni sempre più sottili. Perciò, un grande sforzo è necessario per trovare nuove tecniche di drogaggio. Il primo scopo di questo lavoro è l’implementazione di processi di drogaggio convenzionali e innovativi sul germanio, per ottenere strati omogeneamente drogati, caratterizzati da un’alta densità di atomi elettricamente attivi e nessun danno reticolare. Parallelamente, un altro obiettivo è quello di soddisfare un’avvincente richiesta che emerge nel campo di ricerca sui detector gamma: lo sviluppo di un processo di drogaggio adatto alla formazione di un contatto di tipo n segmentabile su germanio iperpuro (HPGe), con leakage trascurabile in polarizzazione inversa. Nei detector HPGe, che sono dei grossi diodi, il contatto di tipo n è stato realizzato con diffusione a bassa temperatura di litio per 40 anni. Tale tecnica produce una regione drogata molto spessa (0.5 mm), che non è efficace nella raccolta dei raggi gamma (zona morta). Anche la necessità di segmentare entrambi i contatti in modo da consentire la tracciatura dei raggi gamma contribuisce alla richiesta di una nuova tecnica per la formazione del contatto n. Infatti un contatto spesso è difficile da segmentare e inoltre, il litio diffonderebbe durante gli annealing a bassa temperatura usati per recuperare i danni da radiazione compromettendo così l’isolamento dei segmenti. In questa tesi alcune tecniche di drogaggio sono state applicate al germanio e al germanio iperpuro, in particolare la spin-on diffusion di fosforo, la diffusione di antimonio da sorgenti realizzate via sputtering e la diffusione di antimonio tramite laser thermal annealing. Molte tecniche di caratterizzazione sono state utilizzate per valutare le proprietà morfologiche ed elettriche degli strati drogati e in tutti i casi, dopo l’ottimizzazione dei processi, sono stati ottenuti dei contatti continui alto-drogati. Successivamente, i metodi di drogaggio sono stati testati per capire se essi alterassero la purezza del materiale HPGe. Per tutti i campioni HPGe trattati, è stata effettuata la caratterizzazione della concentrazione di contaminanti elettricamente attivi presenti nel bulk. È stato sviluppato un modello fenomenologico che descrive il processo di contaminazione durante i trattamenti convenzionali di annealing. Esso è stato utilizzato per determinare il processo di diffusione dei contaminanti. Da quest’ultimo studio è emerso che i processi di drogaggio fuori-equilibrio hanno maggiori possibilità di essere impiegati con successo nella formazione di contatti n in HPGe, conservando il livello di purezza. Fra di essi, il laser thermal annealing è risultato essere il più promettente; un preliminare prototipo di diodo in HPGe di tipo p è stato costruito con questa tecnica ed è stato testato con successo come detector di raggi gamma.