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

After a period of low interest, in the last two decades germanium has become one of the most studied semiconductors and now it is applied in many research fields such as microelectronics, photonics, solar energy and radiation detectors. The small bandgap, the high charge carrier mobility and its availability also with high purity are appealing properties that make Ge more suitable than Si in many cases. The tendency toward a scaling of devices and the continuous improvement of performances require higher doping levels and thinner junctions. Hence, a great effort is demanded to find new doping technologies. The first aim of this work is the implementation of conventional and innovative doping processes on Ge, in order to achieve homogeneously doped layers characterized by a high density of electrically active doping atoms and no lattice damages. In parallel, another purpose is to satisfy a compelling open question that has arisen in the field of gamma detector research: the development of a suitable doping process to form a segmented n-type contact on high purity Ge (HPGe), with negligible leakage under reverse bias. In HPGe gamma detectors, which are big diodes, the n-type contact has been done by low-temperature diffusion of Li for 40 years. Lithium diffusion produces a thick (0.5 mm) doped region that is not effective in gamma collection (dead layer). The need to segment both contacts in order to permit gamma-ray tracking requires a change, since a thick contact is difficult to be segmented. Beside, Li would diffuse under low temperature annealing used to recover the radiation damage, thus compromising the isolation between segments. In this work some doping technique have been applied to Ge and HPGe, in particular P spin-on diffusion, Sb diffusion from sputtered sources and Sb diffusion by laser thermal annealing. Many characterization techniques were used to evaluate morphological and electrical properties of doped layers and in all the cases, after optimization of the processes, continuous n+ contacts were obtained. After this crucial step, the doping methods were tested in order to understand if they alter the purity of HPGe material. For all treated HPGe samples, a characterization of electrically active contaminant concentration into the pure bulk has been carried out. A phenomenological model describing the contamination process under conventional annealing treatments was developed and used to asses solid-state diffusion doping processes. It turned out that out-of-equilibrium doping processes have higher possibilities to be successfully employed for the formation of HPGe n contacts, maintaining the purity. Among them, laser thermal annealing results to be the most promising and finally, a preliminary p-HPGe small diode prototype was fabricated with such technique and successfully tested as a gamma-ray detector.

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.