Innovative Methods for Germanium Doping

Uno dei principali obiettivi della ricerca nel campo dei semiconduttori è la produzione di giunzioni sottili conformi alla superficie. Questa richiesta emerge da un crescente uso di strutture di dimensioni nanometriche nei nuovi dispositivi a semiconduttore, le quali necessitano di nuovi metodi di drogaggio compatibili anche con geometrie non planari e adatte alla nano-scala. Una delle più promettenti tecniche che è stata proposta negli ultimi anni è chiamata “Monolayer Doping” (MLD). Proposta per la prima volta su silicio, essa si basa sul deposito di monostrati molecolari sulla superficie dei semiconduttori: la molecola depositata fungerà poi da sorgente di drogante superficiale, il quale diffonderà nel materiale a seguito di processi termici diffusivi. Grazie all’intrinseca natura conforme di questa tecnica, essa è compatibile con strutture tridimensionali anche alla nano-scala e grazie al suo basso costo, è adatta anche per il drogaggio su larga scala. Oggigiorno il germanio è ritornato ad essere un materiale semiconduttore in luce nel campo della ricerca scientifica per le sue ritrovate interessanti proprietà elettriche, come la mobilità dei portatori, la sua piccola band-gap e la scoperta della possibilità di promuovere transizioni dirette tramite l’uso di stress e alti drogaggi: grazie ad esse, nuove sue applicazioni nella nano-elettronica e nel termo-fotovoltaico, ma anche nella plasmonica e nei detector sono sempre più studiate nella letteratura scientifica. Questo lavoro si è focalizzato nello studio del drogaggio di tipo n del germanio, utilizzando la tecnica MLD: in particolare è stato studiato il comportamento e la reattività superficiale di questo semiconduttore con diversi precursori. Sono stati utilizzati tre diversi precursori del fosforo, appartenenti a tre famiglie di composti a base di P, fatti reagire o per via chimica in riflusso o tramite l’uso di una dry-box, mentre un nuovo fenomeno di adsorbimento autolimitante è stato scoperto e testato per il caso dell’antimonio, a partire da una sorgente gassosa. Alla luce di tutti gli studi è emerso che il comportamento dell’ossido di germanio gioca in tutti i casi un ruolo cruciale. Nei casi in studio, la formazione del legame P-O-Ge e Sb-O-Ge è alla base della formazione e della stabilità dei layer, ma determina anche il mancato rilascio della specie drogante. Infatti, le specie atomiche P e Sb debbono essere rilasciati dal layer e debbono diffondere nel semiconduttore sottostante come conseguenza del trattamento termico applicato. Un comportamento completamente diverso è stato rilevato tramite l’uso della tecnica “Pulsed Laser Melting” applicata ai monostrati molecolari sulla superficie di Ge. Tramite l’uso di impulsi laser nell’ultravioletto, tutti i precursori utilizzati hanno agito fungendo da sorgenti di drogante per il substrato. Nel caso dei vari precursori del fosforo, sono stati rilevati diversi comportamenti a seconda della tipologia del precursore, anche se in tutti i casi è sempre stata rilevata una diffusione del P e la formazione di una zona drogata superficialmente. Alla luce dei risultati diffusivi, per i precursori molecolari a base di fosforo trattamenti multi-impulso sono preferibili. Nel caso della sorgente di antimonio, tutto il monolayer è risultato disponibile alla diffusione già a seguito di un trattamento mono-impulso, sebbene la sorgente di partenza fosse un ossido stabile di antimonio. Le evidenze sperimentali suggeriscono che il laser abbia non solo un effetto sul riscaldamento della superficie del germanio, ma anche un effetto riducente. La creazione di giunzioni superficiali con concentrazioni di oltre 10^20 cm^-3 Sb, con il 100% di attivazione elettrica, è la chiara dimostrazione di come la tecnica PLM utilizzata ad esempio con una sorgente Sb ML sia un valido metodo di drogaggio per il Ge.