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

In recent years germanium found a renewed interest both in the scientific and in the technological field, since it appears an effective alternative to silicon as a substrate for the realization of smaller and smaller technological devices. This interest stimulates new studies about some fundamental physical properties of this material, as most part of the literature at disposal about germanium dates back to the fifties and sixties and it is incomplete. In this thesis two not-well investigated aspects of germanium are addressed: the presence and the nature of the defects formed following amorphizing and sub-amorphizing implants, through the study of the strain induced in the substrate; the lattice parameter variation induced by boron atoms placed in substitutional sites or in clusters with interstitial Ge atoms. Both the arguments are addressed mainly using the High Resolution X Ray Diffraction (HRXRD) technique, which allows to reveal the strain due to the presence of small defects and present with low density, for these reasons invisible by other techniques. The study of the defects caused by implantation is important especially for the consequences that they can have in the interaction with dopants subsequently introduced in the substrate. In this thesis it is demonstrated that both amorphizing and sub-amorphizing implants give rise to defects; the study of the dissolution kinetics shows that in both cases they are simple objects, such as point defects. In particular, in the amorphized samples defects are formed at the end of the implant range, revealed by HRXRD both before and after the epitaxial regrowth of the amorphous layer, which dissolve after annealing at moderate temperatures (< 400 C). In the sub-amorphized implants the nature and the stability of the defects formed depend on the implant fluence. The same samples are grown with thin boron layers, which should diffuse for the presence of interstitials formed by implants and put in motion by the thermal treatments (boron diffusion mechanism in germanium is interstitials mediated). The absence of any diffusion suggests the presence of local mechanisms of recombination between interstitials and vacancies, of which germanium is rich on the contrary of silicon. About the second topic, the interest on boron is due to the fact that it is the the primary p-type dopant, especially for its low diffusivity. The dopant is usually introduced by ion implantation in the amorphized substrate, not in the crystalline substrate to avoid that dopant ions can go deep into the sample, broadening the implant profile in a not controlled manner. In this thesis it is demonstrated that also in crystal implantation very good results about boron substitutionality and the electrical activation can be obtained, if during the implant procedure the substrate is kept at low temperature (in particular, at liquid nitrogen temperature). By the HRXRD analysis of samples it is possible to detect the lattice parameter variations induced by substitutional and clustered boron, still lacking in literature. These results represent a fundamental step forward in the description of fundamental physical phenomena in germanium, such as implant damage and dopant diffusion, and they can contribute in the formulation of more complete theoretical models for their interpretation.

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.