Lattice site and thermal stability of transition metals in germanium

Valérie Augustyns
Persbericht

Lattice site and thermal stability of transition metals in germanium

De positiebepaling van - een klein aantal - onzuiverheden in germanium

De dag van vandaag wil iedereen graag snelle en betere computers. Hiervoor is een steeds betere chiptechnologie nodig. De vraag is hoe we zo goed mogelijk aan deze vraag kunnen voldoen. Een mogelijke oplossing is de horizon verruimen door onderzoek te doen naar andere elementen die als basismateriaal kunnen dienen voor de productie van chips. Germanium zou een mogelijkheid kunnen zijn in plaats van het tot nu toe veelvuldig gebruikte element silicium. In germanium kunnen ook onzuiverheden ingevoegd worden. Op deze manier kunnen de (functionele) eigenschappen van het basismateriaal alsnog verbeterd worden.

Voorbeelden van mogelijke onzuiverheden zijn overgangsmetalen. Dit zijn elementen die zich in het midden bevinden van het periodiek systeem, bijvoorbeeld mangaan, nikkel, ijzer of koper. Een nadeel van deze onzuiverheden is echter dat ze elektrische compensatiedefecten veroorzaken. Met andere woorden, ladingsdragers, die zorgen voor stroomgeleiding, kunnen in deze defecten gevangen worden en dus verloren gaan. Een belangrijke toepassing is de mogelijkheid tot het verkrijgen van magnetische eigenschappen in een niet-magnetisch basismateriaal, bijvoorbeeld door het invoegen van mangaan in germanium. Zowel de hierboven opgenoemde elektrische als magnetische eigenschappen zijn afhankelijk van de positie van onzuiverheden. De mogelijke posities die onzuiverheden innemen, kunnen onderverdeeld worden in twee belangrijke categorieën. Een eerste categorie onstaat door de impact van het inschieten van de onzuiverheden in het basismateriaal, waardoor germaniumatomen mogelijk een lege plaats achterlaten. Onzuiverheden kunnen dus posities bezetten die oorspronkelijk ingenomen waren door germaniumatomen. Anderzijds zijn er ook verschillende andere posities mogelijk, waarvan sommigen de voorkeur krijgen omwille van een bepaalde symmetrie in het materiaal. Wat betreft de magnetische toepassing, enkel de mangaan atomen op een oorspronkelijk ingenomen germaniumpositie zorgen voor magnetische eigenschappen van het materiaal. Bijgevolg is belangrijk om te bepalen waar de onzuiverheden zich juist bevinden in het basismateriaal.

Deze positiebepalende studie wordt gerealiseerd met behulp van nucleaire technieken in CERN (Zwitserland). Eerst wordt een radioactief ion geïmplanteerd - of ook wel ingeschoten - in germanium. Dit ion zendt omwille van het radioactief verval elektronen uit, die via de rijen van germaniumatomen in het rooster een weg naar de detector vinden. Door de vergelijking van de experimenten (zie bijlage) met theoretische simulaties kan achterhaald worden waar het radioactief ion zich bevindt. Ook kan een schatting gemaakt worden van de hoeveelheid (de fractie) ionen op een bepaalde positie. Aangezien vele elektronische apparaten opwarmen tijdens hun werking, laat de techniek ook toe om deze fracties te bepalen voor verschillende temperaturen waarop de onderzochte materialen opgewarmd worden.

Deze techniek - de emissie kanalisatietechniek - wordt gebruikt om de posities van zowel kleine hoeveelheden mangaan als nikkel in germanium te bepalen. Aangezien het voor germanium, in vergelijking met silicium, gemakkelijker is om een atoom uit zijn oorspronkelijke locatie te doen wegschieten, zullen de ingebrachte onzuiverheden al zeker deze lege plaatsen innemen. Beide onderzochte elementen zitten alleszins op deze positie tot een opwarmingstemperatuur van 400°C. Naast het innemen van deze locatie bezetten mangaan en nikkel in germanium ook een positie die zich bevindt tussen twee plaatsen van de oorspronkelijk germaniumstructuur. Deze positie wordt spontaan ingenomen wanneer lege germaniumplaatsen aanwezig zijn. Deze locatie is dan ook gerelateerd aan de geïntroduceerde defecten, aangezien deze lege plaatsen ontstaan door de impact van het inschieten van onzuiverheden in germanium. Ook deze locatie wordt zowel bij mangaan als bij nikkel teruggevonden tot 400°C. Nikkel in germanium blijkt echter een speciaal geval te zijn. Naast de hierboven vermelde ingenomen locaties, nestelen nikkelatomen zich namelijk ook op een andere positie. Nikkel is overigens het eerste element van de tot hiertoe onderzochte overgangsmetalen in germanium dat op die positie is waargenomen. Het is nog niet helemaal duidelijk waarom een element deze positie inneemt, maar waarschijnlijk is het ook gerelateerd aan defecten. Meer onderzoek is hier dus zeker op zijn plaats.

Kortom, met behulp van de emissie kanalisatietechniek werden de posities van geïmplanteerd  mangaan en nikkel in germanium bepaald. Als gevolg van de implantatie kunnen defecten ontstaan.  Voor nikkel werden echter onverwachte posities waargenomen, wat verder onderzoek vereist.

Bibliografie

[1] H. Winkler, “Mittheilungen ¨uber das Germanium,” J. Prak. Chemie, vol. 34, p.

117, 1886.

[2] E. Simoen and C. Claeys, Germanium-based technologies: from materials to

devices. Amsterdam: Elsevier, 2007.

[3] G. Teal, M. Sparks, and E. Buelher, “Single-crystal germanium,” Proc. I.R.E.,

vol. 40, p. 906, 1952.

[4] K. Prabhakaran and T. Ogino, “Oxidation of Ge(100) and Ge(111) surfaces: an

UPS and XPS study,” Surf. Sci, vol. 325, p. 263, 1995.

[5] E. Schubert, “Silicon versus germanium - a historical perspective,”

http://www.ecse.rpi.edu/schubert/Course-Teaching-modules/

A027-Silicon-versus-germanium---A-historical-perspective.pdf, 2011.

[6] M. Separation, “Motorola Automotive Legacy,” http://direct.motorola.com/ENS/

T805/site/motolegacy.html, 2011.

[7] J. Kilby, “Invention of the integrated circuit,” IEEE Trans. Electron Dev., vol. 23,

p. 648, 1976.

[8] R. Hull and J. Bean, Germanium Silicon: Physics and Materials, Semiconductors

and Semimetals. San Diego: Academic, 1999.

[9] G. Knoll, Radiation detection and measurement. United States of America: John

Willey & Sons, 2000.

[10] D. Bode and H. Graham, “A comparison of the performance of copper-doped

germanium and mercury-doped germanium detectors,” Infrared Physics, vol. 3, p.

129, 1963.

 [11] S. Gaudet, C. Detavernier, A. Kellock, P. Desjardins, and C. Lavoie, “Thin film

reaction of transition metals in germanium,” J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 24(3),

p. 474, 2006.

[12] L. Pereira, U. Wahl, S. Decoster, j.G. Correia, L. Amorim, M. da Silva, J. A. ujo,

and A. Vantomme, “Stability and diffusion of interstitial and substitutional Mn in

GaAs of different doping types,” Phys. Rev. B, vol. 86, p. 125206, 2012.

[13] C. Kittel, Introduction to solid state physics. London: John Willey & Sons, 1953.

[14] W. Tyler, “Deep level impurities is germanium,” J. Phys. Chem. Solids, vol. 8,

p. 59, 1959.

[15] H. Woodbury and W. Tyler, “Properties of germanium doped with manganese,”

Phys. Rev., vol. 100(2), p. 659, 1955.

[16] W. Tyler, R. Newman, and H. Woodbury, “Properties of germanium doped with

nickel,” Phys. Rev., vol. 98(2), p. 461, 1955.

[17] S. Decoster, “Ion implantation in Ge: structural and electrical investigation of the

induced lattice damage and study of the lattice location of implanted impurities,”

Phd thesis, Katholieke Universiteit Leuven, 2009.

[18] J. Ara´ujo, K. Bharuth-Ram, J. Correia, M. da Silva, S. Decoster, B. D. Vries,

H. Hofs¨ass, T. Mendon¸c, C. R. L. Pereira, J. Soares, A. Vantomme, and U. Wahl,

“Emission channeling lattice location experiments with short-lived isotopes (2006),”

Proposal to the isolde and neutron time-of-flight experiments committee (INTC),

2006.

[19] Nature publishing group, “Nature materials inside, spintronics,” Nature, vol. 11,

p. 063712, 2012.

[20] S. Zhou and H. Schmidt, “Mn-doped Ge and Si: a review of the experimental

status,” Materials, vol. 3, p. 5054, 2010.

[21] A. Ural, P. Griffin, and J. Plummer, “Self-diffusion in silicon: similarity between

the properties of native point defects,” Phys. Rev. Lett., vol. 83, p. 3454, 1999.

[22] A. Fazzio, A. Janotti, and A. da Silva, “Microscopic picture of the single vacancy

in germanium,” Phys. Rev. B, vol. 61, p. R2401, 2000.

[23] A. Giese, N. Stolwijk, and H. Bracht, “Double-hump diffusion profiles of copper

and nickel in germanium wafers yielding vacancy-related information,” Appl. Phys.

Lett., vol. 77(5), p. 642, 2000.

[24] G. Vogel, G. Hettich, and H. Mehrer, “Self-diffusion in intrinsic germanium and

effects of doping on self-diffusion in germanium,” J. Phys. C: Solid State Phys.,

vol. 16, p. 6197, 1983.

[25] M. Werner, H. Mehrer, and H. Hochheimer, “Effect of hydrostatic pressure,

temperature, and doping on self-diffusion in germanium,” Phys. Rev. B, vol. 32,

p. 3930, 1985.

[26] A. Portavoce, O. Abbes, Y. Rudzevich, L. Chow, V. L. Thanh, and C. Girardeaux,

“Manganese diffusion in monocrystalline germanium,” Scripta Materialia, vol. 67,

p. 269, 2012.

[27] L. Wei, “Diffusion of silver, cobalt and iron in germanium,” J. Phys. Chem. Solids,

vol. 18, p. 162, 1961.

[28] F. Frank and D. Turmbull, “Mechanisms of diffusion of copper in germanium,”

Phys. Rev., vol. 104, p. 617, 1956.

[29] F. van der Maesen and J. Brenkman, “On the behaviour of rapidly diffusing

acceptors in germanium,” J. Electrochem. Soc., vol. 102, p. 229, 1955.

[30] H. Bracht, N. Stolwijk, and H. Mehrer, “Diffusion and solubility of copper, silver

and gold in germanium,” Phys. Rev. B, vol. 43, p. 14465, 1991.

[31] A. Giese, H. Bracht, N. Stolwijk, and H. Mehrer, “Diffusion of nickel and zinc in

germanium,” Defect and diff. forum, vol. 143(2), p. 1059, 1997.

[32] R. Hall, “Variation of the distribution coefficient and solid solubility with temperature,”

J. Phys. Chem. Solids., vol. 3, p. 63, 1957.

[33] F. Trumbore, “Solid solubilities of impurity elements in Ge and Si,” The bell

system technical journal, 1960.

[34] A. Continenza, G. Profeta, and S. Picozzi, “Transition metal impurities in Ge:

Chemical trends and codoping studied by electronic structure calculations,” Phys.

Rev. B, vol. 73, p. 35212, 2006.

[35] S. Decoster, U. Wahl, S. Cottenier, J. Correia, T. Mendon¸ca, L. Amorim, L. Pereira,

and A. Vantomme, “Lattice position and thermal stability of diluted As in Ge,”

Appl. Phys. Lett., vol. 111, p. 53528, 2012.

[36] U. Wahl, J. Correira, A. Vantomme, G. Langouche, and the ISOLDE collaboration,

“Lattice location of implanted Cu in Si,” Physica B, vol. 273-273, p. 367, 1999.

[37] P. Clauws and E. Simoen, “Metals in germanium,” Mat. Sci. Semicond. Proc.,

vol. 9, p. 546, 2006.

[38] P. Clauws, J. V. Gheluwe, J. Lauwaert, E. Simoen, J. Van-hellemont, M. Meuris,

and A. Theuwis, “Deep level transient spectroscopy of transition metal impurities

in germanium,” Physica B, vol. 401, p. 188, 2007.

[39] E. Simoen, K. Opsomer, C. Claeys, K. Maex, C. Detavernier, R. V. Meirhaeghe,

and P. Clauws, “Study of metal-related deep level defects in germanide Schottky

barriers on n-type germanium,” J. Appl. Phys., vol. 104, p. 23705, 2008.

[40] S. Decoster, S. Cottenier, B. D. Vries, H. Emmerich, U. Wahl, J. Correia, and

A. Vantomme, “Transition metal impurities on the bond-centered site in germanium,”

Phys. Rev. Lett., vol. 102, p. 65502, 2009.

[41] U. Wahl, J. Correia, J. Soares, and the ISOLDE Collaboration, “Lattice location

and stability of implanted Cu in Ge,” Physica B, vol. 340, p. 799, 2003.

[42] H.P. Gunnlaugsson AND G. Weyer AND M. Dietrich AND M. Fanciulli AND

K. Bharuth-Ram and R. Sieleman AND (ISOLDE Collaboration), “M¨ossbauer

spectroscopy on Fe impurities in germanium,” Physica B, vol. 340-342, p. 537,

2003.

[43] J. Mayer, L. Eriksson, and J. Davies, Ion implantation of semiconductors. New

York: Academic Press, 1970.

[44] T. Haynes and O. Holland, “Comparative study of implantation-induced damage

in GaAs and Ge: temperature and flux dependence,” Appl. Phys. Lett., vol. 59, p.

452, 1991.

[45] S. Sigurd, G. Fladda, L. Eriksson, and K. Bj¨orkqvist, “Lattice disorder in Ge by

boron ion bombardment,” Radiat. Eff., vol. 3, p. 145, 1970.

[46] B. Appleton, O. Holland, J. Narayan, O. Schow, J. Williams, K. Short, and

E. Lawson, “Characterization of damage in ion implanted Ge,” Appl. Phys. Lett.,

vol. 41(8), p. 711, 1982.

[47] S. Decoster and A. Vantomme, “Implantation-induced damage in Ge: strain and

disorder profiles during defect accumulation and recovery,” J. Phys. D: Appl.

Phys., vol. 42, p. 165404, 2009.

[48] C. Emtsev, T. Mashovets, V. Mikhnovich, and N. Vitosvkii, “Frenkel pairs in

silicon and germanium,” Radiat. Eff. Defects Solids, vol. 99, p. 111, 1989.

[49] H. H¨ofler, N. Atodiresei, K. Schroeder, R. Zeller, and P. Dederichs, “Impurityvacancy

complexes in Si and Ge,” Hyperfine interactions, vol. 158, p. 37, 2004.

[50] S. Cottenier, “WIEN2K,” http://www.wien2k.at/reg user/textbooks, 2001, [ISBN

90-807215-1-4].

[51] P. Blaha, K. Schwarz, G. Madsen, D. Kvasnicka, and J. Luitz, Wien2K: An

augmented plane wave pluc local orbitals program for calculating crytal properties.

Austria: Karlheinz Schwarz, Techn. Universit¨at Wien, 2001.

[52] S. Decoster, S. Cottenier, U. Wahl, J. Correia, and L. P. et al., “Diluted manganese

on the bond-centered site in germanium,” Appl. Phys. Lett., vol. 97, p. 151914,

2010.

[53] H. Haesslein, R. Sielemann, and C. Zistl, “Vacancies and Self-interstitials in

Germanium Observed by Perturbed Angular Correlation Spectroscopy,” Phys. Rev.

B, vol. 80(12), p. 2626, 1997.

[54] U. Wahl, Emission channeling: charged particle-solid interactionm detection and

lattice location methods (Script to accompany a Masters course on this subject).

Sacav´em, Portugal: Instituto Tecnol´ogico e Nuclear, 2006.

[55] B. N. L. National Nuclear Data Center, “NuDat 2.6,” http://www.nndc.bnl.gov/

nudat2/.

[56] W.H. Bragg, “The consequence of the corpuscular hypothesis of the α and X rays,

and the range of β rays ,” Philosophical Magazine, vol. 20, pp. 385–416, 1910.

[57] L.C. Feldman and J.W. Mayer, Fundamentals of surface and thin film analysis.

New York: North-Holland, 1986.

[58] J. Lindhard, “Influence of crystal lattice on motion of energetic charged particles,”

Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk., vol. 34, p. 14, 1965.

[59] B. D. Vries, “Lattice site location of impurities in group III nitrides using emission

channeling,” Phd thesis, Katholieke Universiteit Leuven, 2006.

[60] L. Amorim, J. Ara´ujo, K. Bharuth-Ram, J. Correia, V. Darakchieva, M. da Silva,

S. Decoster, H. Hofs¨ass, M. Nagl, L. Pereira, A. Vantomme, U. Vetter, and U. Wahl,

“Emission channeling lattice location experiments with short-lived isotopes (2010),”

Proposal to the isolde and neurton timeo-of-flight experiments committee (INTC);

status report and addendum to experiment IS453, 2010.

[61] P. Van Duppen, “Isotopes separation on line and post acceleration,” Lect. Notes

Phys., vol. 700, pp. 37–77, 2006.

[62] ISOLDE Corporation, “General overview of ISOLDE complex,” http://

ab-dep-op-iso.web.cern.ch/ab-dep-op-iso/HTML/hall overview.htm.

[63] U. Wahl, J. Correia, A.Czermak, S.G.Jah, J. P.Jalocha, A. Ridge, F. Schopper,

J. Soares, and A. Vantomme, “Position sensitive Si pad detectors for electron

emission channeling experiment,” Nucl. Instr. And Meth. in Phys. Rev. A, vol.

524, pp. 245–256, 2004.

[64] H. ass and G. Lindner, “Emission channeling and blocking,” Phys. Rep.-Rev. Sec.

Phys. Lett., vol. 3201, p. 121, 1991.

[65] J. Ziegler, J. Biersack, and U. Littmark, The stopping and range of ions in solids.

New York: Pergamon Press, 1985.

[66] J. Beirlant, G. Dierkx, and M. Hubert, Statistiek en wetenschap. ACCO, 2005.

[67] S. Agostinelli et al., “Geant4 - a simulation toolkit,” Nucl. Instr. And Meth. A,

vol. 506, p. 250, 2003.

[68] S. Estreicher, M. Sanati, and N. G. Szwacki, “Iron in silicon: Interactions with

radiation defects, carbon and oxygen,” Phys. Rev. B, vol. 77, p. 125214, 2008.

[69] S. Decoster, B. D. Vries, U. Wahl, J. Correia, and A. Vantomme, “Experimental

evidence of tetrahedral interstitial and bond-centered Er in Ge,” Appl. Phys. Lett.,

vol. 93, p. 141907, 2008.

[70] U. Wahl, A. Vantomme, and G. Langouche, “Lattice location and stability of ion

implantated Cu in Si,” Phys. Rev. Lett., vol. 84(7), p. 1495, 2000.

Universiteit of Hogeschool
Master in de fysica
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: