Processo diffusivo del gallio

Per la diffusione del Ga l’unico lavoro, degno di nota, trovato in letteratura che usasse la tecnica SOD è quello di Sharp (Sharp W. , 2013) che però ha utilizzato come sorgente drogante la soluzione GaB_260 della Filmtronics, contenente oltre al gallio anche il boro. Sharp ha proceduto come segue nel drogaggio di campioni di Ge type n di dimensioni 1x1 cm2:

 Pulizia superficiale con immersione in una soluzione 1:1:20 di NH4OH: H2O2: H2O per 30 secondi al fine di erodere circa 100 nm di superficie, seguito da un immersione 1:1:3 di HCl: HBr: H2O per rimuovere l’ossido superficiale e passivare la superficie.

 Deposizione della soluzione sulla superficie di un campione 1x1 cm2 di Si e distribuzione mediante spin-coater, di cui non sono noti i parametri, con successivo passaggio in stufa per far evaporare il solvente.

 Realizzazione di un proximity capping con il campione di Ge precedentemente pulito.

 Trattamento di diffusione in forno con temperature variabili tra 750 e 880 °C e con tempi variabili tra 2 e 36 minuti in atmosfera di N2. Non sono note le rampe di salita.

Da notare come la soluzione drogante non sia stata posta sopra il substrato di Ge ma su quello di Si, questo con l’intenzione di evitare di rovinare la superficie del campione di Ge. I campioni di Ge che sono stati preparati in questo lavoro di tesi, hanno seguito solo parzialmente la procedura appena descritta. Quelli preparati per la caratterizzazione SIMS sono i seguenti:

 N(1) Ga_250 trattato a 708°C per 30 minuti con proximity capping.

 N(3) Ga_250 trattato a 758°C per 30 minuti con proximity capping.

 (20) Ga_250 trattato per 20 minuti a 858°C con proximity capping.

I campioni N(1) e N(3) sono stati prodotti partendo da Ge tipo n di dimensioni 0.8 x 1.3 cm2 puliti con immersione in H2O calda (circa 90 °C) per 120 s, per poi passare ad un’immersione in HF (1%) per altri 120 secondi. Dopo un veloce risciacquo in H2O ed asciugatura con N2 è stato utilizzato un bastoncino di cotone imbevuto di isopropanolo per rimuovere alcune tracce di cera che sono state messe in evidenza da questa pulizia, per poi passare ad un risciacquo in HF (1%) e poi in H2O e di nuovo asciugatura con N2. Il campione (20) Ga_250 invece è stato prodotto a partire da un Ge 1x1cm2 tipo p sul quale è stata eseguita la pulizia 5 cicli H2O – HF già descritta in precedenza. Questo campione appartiene alla prima serie di campioni realizzati per la caratterizzazione al SIMS. Su tutti e tre i campioni sono stati depositati 40μl/cm2 di soluzione Ga_250 e poi passati allo spin-coater con accelerazione di 1820 rps, 4500 rpm per 15 s e poi in stufa a 200 °C per 15 min.

Il processo diffusivo in forno è avvenuto in flusso di N2 a 500 cm3/min per tutti i campioni, con tempi variabili dai 20 ai 30 minuti, conteggiando il tempo di diffusione sempre a partire dai 450 °C per i campioni N(1) e N(2), al fine di uniformarsi alle prove di diffusione con il fosforo, anche se Sharp indica i 700°C come T alla quale la diffusione diventa significativa. Per il campione (20) invece, il conteggio del tempo di diffusione è iniziato a partire dai 750°C, per cui bisogna tenere conto nel tempo di diffusione di ulteriori 4 minuti necessari per passare dai 450 ai 750°C, questo per poterlo confrontare con i tempi di diffusione degli altri due campioni. Una differenza importante tra i campioni N(1) e N(3) ed il campione (20) è che per quest’ultimo il vuoto raggiunto prima di flussare N2 è stato dell’ordine del 10-2 mbar, mentre per gli altri due è stato di 1.2x10 -5. A processo di diffusione avvenuto si è passati all’etching per la rimozione del coating con HF (10%) per 60 s.

La caratterizzazione SIMS per i campioni N(1) e N(3) ha prodotto i risultati riassunti nel grafico di figura 3.19.

Figura 3.19 Caratterizzazione SIMS dei campioni N(1) e N(3)

L’andamento del profilo di diffusione si presenta molto simile a quello ottenuto da Sharp, ma molto diverso da quello a “cassetta” che si era ottenuto nel caso del drogaggio del fosforo, proprio perché la diffusione del Ga non risente del drogaggio del substrato. Per fare una stima della profondità di diffusione si può considerare il valore medio della concentrazione e valutare la profondità di diffusione a quel valore. Da qui risulta una profondità di diffusione variabile tra 15 e 30 nm per concentrazioni variabili da 0.5 x1019 a 5x1020 atomi/cm3. Utilizzando l’equazione 2.8 si è calcolato il coefficiente di diffusione dei campioni N(1) e N(2) che sono messi a confronto in tabella 3.4 con il coefficiente di diffusione del campione GE0219 prodotto da Sharp ad una T di 750°C per 2 minuti di diffusione

Tabella 3.4 Coefficienti di diffusione dei campioni drogati Ga

Campione Coeff. diffusione estrinseco D

cm2/s N(1) 708°C 30 minuti 6.25 x 10-16 N(2) 758°C 30 minuti 2.5 x 10-15 GE0219:1 750°C 2 minuti 1.7 x 10-15

Si può osservare come l’ordine di grandezza del coefficiente di diffusione del campione N(1) sia lo stesso del campione realizzato da Sharp con T di diffusione molto simili ma con tempi diversi. D’altra parte non è stato possibile capire il momento esatto in cui inizia il conto del tempo di diffusione nelle prove realizzate da Sharp.

La caratterizzazione SIMS del campione (20) Ga_250 ha prodotto invece il grafico di figura 3.20

Figura 3.20 Caratterizzazione SIMS del campione (20) Ga_250

Questo grafico presenta in pratica una curva con due pendenze. Sicuramente la diffusione del Ga ha raggiunto profondità maggiori rispetto agli altri due campioni drogati Ga, nell’ordine di qualche centinaio di nanometri, però l’interpretazione di questo grafico non è semplice. Da ricordare come il substrato in cui è stato fatto diffondere il drogante sia di tipo p, quindi esso stesso già drogato gallio con una concentrazione compresa tra 8.22x1015 e 8.22x1016, e come la stessa superficie del campione non si presenti in maniera ottimale. Si potrebbe anche ipotizzare l’esistenza di una fase germanio-gallio, creatasi nel primo strato del bulk, non meglio definita che dovrebbe essere meglio verificata con caratterizzazione XRD (diffrazione a raggi x).