nanoporous ge

IntroduzioneGermanio Poroso

Preparazione eAnalisi delCampioneImpiantazione Ionica

Analisi delleimmagini SEMCross

Analisi degli spettriRBSProfilo di Ga in Si

Profili di Ga in Ge ecaratterizzazione

Conclusioni

Nanoporous GeProduzione e Caratterizzazione

di Germanio Nanoporoso

Ferro Valentina

Caruso Giuseppe Lo Faro JosèStornante Rosario Ventura Luigi

Università degli Studi di CataniaFacoltà di Scienze MM. FF. e NN. - CdL in Fisica

19 Luglio 2012

Nanoporous Ge 19-07-12 1/19

Conclusioni

Outline

1 IntroduzioneGermanio Poroso

2 Preparazione e Analisi del CampioneImpiantazione IonicaSEMRBS

3 Analisi delle immagini SEMCross

4 Analisi degli spettri RBSProfilo di Ga in SiProfili di Ga in Ge e caratterizzazione

5 ConclusioniNanoporous Ge 19-07-12 2/19

Conclusioni

Outline

Conclusioni

Outline

Conclusioni

Outline

Conclusioni

Outline

Conclusioni

Germanio PorosoCos’è e perché studiarlo g

Fenomeno di swelling del Germanio indotto da impianta-zione ionica:

Primi studi negli anni ’80 [1,2]Osservazione di un layer amorfo e poroso, le cuicaratteristiche dipendono da

Energia degli ioniFluenzaTemperatura del Substrato

[1] Wilson, J. Appl. Phys, 53, 1698 (1982)

[2] Wang and Birtcher, APL 55, 2494 (1989)

Conclusioni

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

this work, Ge 300 keV Strizker, Ge 1MeV Appleton, Bi 280 keV Holland, In 120 keV Kaiser, Ge 150 keV Kaiser, Sb 190 keV Kaiser, As 150 keV

Lo swelling è unafunzione del dpa.

B. Stritzker et al. NIMB 175, 193 (2001)

B.R. aPPLETON et al., APL 41, 711 (1982)

O.W. Holland et al., JAP 54, 2295 (1983)

R.J. KAISER et al., Thin Solid Films 518, 2323 (2010)

Conclusioni

Conoscere e controllare il Ge Poroso apre nuoveprospettive nello sviluppo di sensori.

Alto rapporto superficie/volumeInteresse verso lo swelling di film di GeStudio delle variazioni di grandezze fisiche cui èsensibile

Conclusioni

Germanio PorosoFormazione g

Nel caso di GaSb:Diffusione di vacanze ed interstiziali [3]

Conclusioni

Germanio PorosoFormazione g

Nel caso di GaSb:Diffusione di vacanze ed interstiziali [3]

Nel caso di Ge si ipotizza lostesso principio di formazione e siosservano tre regimi al variaredella temperatura [4].

[3] Nitta et al., JAP 92, 1799 (2002)

[4] Stritzker et al., NIMB 175-177, (2001)

Conclusioni

Produzione del Ge PorosoImpiantazione Ionica g

Ione: Ga+

Energia: 200keV (RP∼ 100nm)

Room Temperature

Area Impianto: 1”

Campioni Dosi (ions/cm2)Ge Bulk (100) 2.58E15 5E15Film Ge 200nm/SiO2 2.58E15 5E15Si Bulk (100) 5E15

Conclusioni

Ione: Ga+

Room Temperature

Area Impianto: 1”

Conclusioni

Ione: Ga+

Room Temperature

Area Impianto: 1”

Conclusioni

Scanning Electron MicroscopyAnalisi delle Immagini g

Analisi di Superficie

Energia: 5keV

Rivelatori: In Lens

Area dei poriRaggi

Analisi in Cross

Energia: 2keV

Rivelatori: In Lens

Profili di ProfonditàCaratterizzazione deipori per il film di Ge

Conclusioni

Energia: 5keV

Rivelatori: In Lens

Area dei poriRaggi

Analisi in Cross

Energia: 2keV

Rivelatori: In Lens

Conclusioni

Energia: 5keV

Rivelatori: In Lens

Area dei poriRaggi

Analisi in Cross

Energia: 2keV

Rivelatori: In Lens

Conclusioni

Rutherford Backscattering Spectrometryg

Caratteristiche del fascio

Ione: 4He+

Energia: 2MeV

Caratteristiche del rivelatore

Angolo Solido Ω: 0.92mstr

Angolo di Rivelazione ϕ: 15

Conclusioni

Ione: 4He+

Energia: 2MeV

Conclusioni

Ione: 4He+

Energia: 2MeV

Conclusioni

Ge Bulk - 2.58 E15 ions cm−2

Conclusioni

Risultati SperimentaliArea224 ± 155nm2

Diametro Circolare17 ± 4nm

Conclusioni

Risultati SperimentaliRaggio Massimo11 ± 3nmRaggio Minimo6 ± 5nm

Conclusioni

Ge Bulk - 5 E15 ions cm−2

Conclusioni

Ge MBE - 2.58 E15 ions cm−2

Conclusioni

Risultati SperimentaliArean.d.Diametro Circolare14.0 ± 3.5nm

Conclusioni

Risultati SperimentaliArean.d.Diametro Circolare14.0 ± 3.5nm

Conclusioni

Risultati SperimentaliRaggio Massimo10 ± 4nmRaggio Minimo3.8 ± 0.9nm

Conclusioni

Risultati SperimentaliRaggio Massimo10 ± 4nmRaggio Minimo3.8 ± 0.9nm

Conclusioni

Ge MBE - 5 E15 ions cm−2

Conclusioni

Risultati SperimentaliArea300+290

−175nm2

Conclusioni

Risultati SperimentaliArea300+290

−175nm2

Conclusioni

Risultati SperimentaliConfronto tra i diversi campioni

Ge Bulk Ge Bulk Ge MBE Ge MBE5 E15 2.58 E15 5 E15 2.58 E15

Area (nm2) 240 ± 160 224 ± 155 300+290−175 n. d.

Area % 23 ± 5% 16 ± 2% 0.06+0.05−0.02 n. d.

Diametro Circ (nm) 19 ± 6 17 ± 4 23 ± 10 14.0 ± 3.5

Rmax (nm) 11 ± 3 11 ± 3 14 ± 3 10 ± 4

Rmin (nm) 6 ± 2 6 ± 5 7 ± 3 3.8 ± 0.9

Conclusioni

RisoluzioneProfili di Linea g

∼6nm

Conclusioni

Analisi delle Cross SectionProfondità di swelling e caratterizzazione dei porig

Ga/FilmGe 5e15

270 nm

185 nm

Regione che ha subito swelling ∼ 185nm.

I pori sono più larghi in profondità del ∼ 10 ÷ 60%.

I pori si estendono ∼ 125nm in profondità.

Conclusioni

Ga/FilmGe 5e15

48 nm 43 nm 43 nm 52 nm 49 nm 24 nm 27 nm 34 nm 43 nm 49 nm

69 nm54 nm75 nm 69 nm 43 nm 52 nm 39 nm 43 nm 30 nm 48 nm 64 nm

Conclusioni

Ga/FilmGe 5e15

134 nm

112 nm

134 nm 125 nm 114 nm 123 nm 114 nm

139 nm134 nm

Conclusioni

Analisi RBS - SilicioImpianto di Ga nel Si come riferimentog

1 , 0 0 1 , 0 5 1 , 1 0 1 , 1 5 1 , 4 5 1 , 5 0 1 , 5 5 1 , 6 0 1 , 6 50

alized

E n e r g y ( M e V )

S i - a

Conclusioni

1 , 0 0 1 , 0 5 1 , 1 0 1 , 1 5 1 , 4 5 1 , 5 0 1 , 5 5 1 , 6 0 1 , 6 50

alized

S i - a

Spessore di Si amorfo∼ 230 ± 30nm

Dose Effettiva di Impianto5.15E15 ions/cm2

2.66E15 ions/cm2

0 , 9 0 0 , 9 5 1 , 0 0 1 , 0 5 1 , 1 0 1 , 1 5 1 , 2 0 1 , 2 50

alized

E n e r g y [ M e V ]

2 2 8 ± 3 0 n m

1 , 4 8 1 , 5 0 1 , 5 2 1 , 5 4 1 , 5 6 1 , 5 8 1 , 6 00

5 , 1 5 ± 0 , 0 2 E 1 5 a t m / c m 2

3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0D e p t h [ n m ]

2 , 0 x 1 0 2 0

4 , 0 x 1 0 2 0

6 , 0 x 1 0 2 0

8 , 0 x 1 0 2 0

1 , 0 x 1 0 2 1

1 , 2 x 1 0 2 1

1 , 4 x 1 0 2 1

tion [

atm/cm

Conclusioni

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 00

1 x 1 0 2 0

2 x 1 0 2 0

3 x 1 0 2 0

4 x 1 0 2 0

5 x 1 0 2 0

G a / S i C o n c e n t r a t i o n S R I M - 2 0 0 8 S i m u l a t i o n

tion [

atm/cm

D e p t h [ n m ]

Range Proiettato∼ 140nm

Conclusioni

Analisi RBS - GermanioImpianto di Ga nel Germanio Bulkg

Profili di impianto di Ga nel Germanio Bulk attraversosimulazioni SRIM-2008

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 00 , 0

5 , 0 x 1 0 1 9

1 , 0 x 1 0 2 0

1 , 5 x 1 0 2 0

2 , 0 x 1 0 2 0

2 , 5 x 1 0 2 0

tion [

atm/cm

D e p t h [ n m ]0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

1 x 1 0 2 0

2 x 1 0 2 0

3 x 1 0 2 0

4 x 1 0 2 0

5 x 1 0 2 0

tion [

atm/cm

D e p t h [ n m ]

2.66E15Range Proiettato∼ 95nmDose Massima∼ 2, 3E20 atm/cm3

5.15E15Range Proiettato∼ 95nmDose Massima∼ 4, 5E20 atm/cm3

Conclusioni

Analisi RBS - GermanioImpianto di Ga nel Germanio Bulkg

1 , 3 1 , 4 1 , 5 1 , 6 1 , 7- 1 0

alized

G e + G a 2 , 5 8 E 1 5 G e + G a 5 E 1 5

1 5 0 n m

1 4 5 n m

Spessore di Ge amorfizzato dalGa alle due diverse concentrazioni

Conclusioni

Analisi RBS - GermanioImpianto di Ga nel Film di Germanio MBEg

Profili di impianto di Ga nel Germanio MBE attraversosimulazioni SRIM-2008

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 00 , 0

5 , 0 x 1 0 1 9

1 , 0 x 1 0 2 0

1 , 5 x 1 0 2 0

2 , 0 x 1 0 2 0

2 , 5 x 1 0 2 0

tion [

atm/cm

D e p t h [ n m ]

F i l m G e

S i O 2

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 00

1 x 1 0 2 0

2 x 1 0 2 0

3 x 1 0 2 0

4 x 1 0 2 0

5 x 1 0 2 0

tion [

atm/cm

D e p t h [ n m ]

F i l m G e

S i O 2

2.66E15Range Proiettato∼ 95nmDose Massima

∼ 2, 3E20 atm/cm3

5.15E15Range Proiettato∼ 95nmDose Massima

∼ 4, 5E20 atm/cm3

Conclusioni

1 , 4 0 1 , 4 5 1 , 5 0 1 , 5 5 1 , 6 0 1 , 6 5 1 , 7 00

1 02 03 04 05 06 07 08 09 0

alized

E n e r g y [ M e v ]

1 9 7 ± 2 8 n m

Spessore di film MBE depositatosu SiO2 per MBE a 200C

Conclusioni

1 , 4 0 1 , 4 5 1 , 5 0 1 , 5 5 1 , 6 0 1 , 6 5 1 , 7 00

1 02 03 04 05 06 07 08 09 0

alized

F i l m G e a s d e p F i l m G e + G a 5 e 1 5

1 9 7 ± 2 8 n m1 8 8 ± 2 8 n m

Confronto degli spettri RBS delGeMBE prima e dopo l’impianto di

5.15E15 di GaNanoporous Ge 19-07-12 17/19

Conclusioni

1 , 4 0 1 , 4 5 1 , 5 0 1 , 5 5 1 , 6 0 1 , 6 5 1 , 7 00

1 02 03 04 05 06 07 08 09 0

alized

1 9 7 ± 2 8 n m1 8 8 ± 2 8 n m

270 nm

185 nm

Conclusioni

0 1 0 0 2 0 0 3 0 00

1 x 1 0 2 4

2 x 1 0 2 4

3 x 1 0 2 4

D e p t h [ n m ]

Simulazioni SRIM-2008 per ilcalcolo di vacanze prodotte nel Ge

Conclusioni

0 1 0 0 2 0 0 3 0 00

1 x 1 0 2 4

2 x 1 0 2 4

3 x 1 0 2 4

D e p t h [ n m ]

Simulazioni SRIM-2008 per ilcalcolo di vacanze prodotte nel Ge

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 00

1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0

G a / F i l m G e , 2 0 0 k e V R o m a n o , G e 3 0 0 k e V S t r i z k e r , G e 1 M e V A p p l e t o n , B i 2 8 0 k e V H o l l a n d , I n 1 2 0 k e V K a i s e r , G e 1 5 0 k e V K a i s e r , S b 1 9 0 k e V K a i s e r , A s 1 5 0 k e V

s laye

r thick

Conclusioni

1 , 0 0 1 , 0 5 1 , 4 0 1 , 4 5 1 , 5 0 1 , 5 50

alized

Fenomeno di Intermixing all’interfaccia Ge/SiO2

Conclusioni

ConclusioniRisultati Sperimentalig

Nel presente lavoro è stata studiata la morfologia del GePoroso, sia attraverso analisi SEM che RBS

Le dimensioni dei pori aumentano con la fluenza.Questo andamento rispecchia quanto presente inletteratura[5].Grosse differenze sono state evidenziate tra il GeBulk ed il Film:

Morfologia profondamente diversaPori mediamente più grandi nel filmMinor numero di pori in superficie

Nonostante le differenze, l’andamento dello spessoredi swelling in funzione del dpa per il film è in accordocon quanto si riscontra nel caso del bulk.