Diffusion of Be, Co and Mn impurities in compound semiconductors and glassy carbon studied by the modified radiotracer technique

The main method of modifying properties of semiconductors is to introduce small amount of impurities inside the material. This is used to control magnetic and optical properties of materials and to realize p- and n-type semiconductors out of intrinsic material in order to manufacture fundamental components such as diodes. As diffusion can be described as random mixing of material due to thermal movement of atoms, it is essential to know the diffusion behavior of the impurities in order to manufacture working components. In modified radiotracer technique diffusion is studied using radioactive isotopes of elements as tracers. The technique is called modified as atoms are deployed inside the material by ion beam implantation. With ion implantation, a distinct distribution of impurities can be deployed inside the sample surface with good con- trol over the amount of implanted atoms. As electromagnetic radiation and other nuclear decay products emitted by radioactive materials can be easily detected, only very low amount of impurities can be used. This makes it possible to study diffusion in pure materials without essentially modifying the initial properties by doping. In this thesis a modified radiotracer technique is used to study the diffusion of beryllium in GaN, ZnO, SiGe and glassy carbon. GaN, ZnO and SiGe are of great interest to the semiconductor industry and beryllium as a small and possibly rapid dopant hasn t been studied previously using the technique. Glassy carbon has been added to demonstrate the feasibility of the technique. In addition, the diffusion of magnetic impurities, Mn and Co, has been studied in GaAs and ZnO (respectively) with spintronic applications in mind.

Puolijohdemateriaalien sähköisten ominaisuuksien hyödyntäminen on mahdollistanut huikean teknologisen kehityksen viime vuosikymmenten aikana. Keskeisin puolijohteiden ominaisuuksien muokkaamiseen käytetty menetelmä on epäpuhtausalkuaineiden hallittu seostaminen materiaaliin. Atomien lämpöliikkeestä johtuvan satunnaisen liikkumisen seurauksena tapahtuvaa sekoittumista kutsutaan diffuusioksi. Diffuusion lämpötilariippuvuus sekä diffuusiomekanismit on tunnettava seostetun puolijohteen ominaisuuksien hallitsemiseksi. Tutkimuksessa käytetyssä menetelmässä diffuusiota tutkitaan käyttämällä alkuaineiden radioaktiivisia isotooppeja. Radioaktiiviset isotoopit eivät kemiallisilta ominaisuuksiltaan eroa vakaista isotoopeista, mutta niiden pitoisuuksia on helppo mitata radioaktiivisessa hajoamisessa purkautuvan säteilyn avulla. Näin epäpuhtauspitoisuudet voidaan pitää riittävän pieninä ja materiaalin ominaisuuksia voidaan tutkia muuttamatta niitä oleellisesti. Tässä tutkimuksessa radioaktiivisten merkkiaineiden menetelmää on käytetty tutkittaessa berylliumin diffuusiota galliumnitridissä (GaN), sinkkioksidissa (ZnO), piigermaniumissa (SiGe) sekä amorfisessa hiilessä (glassy carbon). Näistä kolme ensimmäistä ovat puolijohdeteollisuutta kiinnostavia ajankohtaisia materiaaleja, joissa kevyen berylliumin diffuusiota ei ole aiemmin tutkittu. Amorfinen hiili on poikkeavana materiaalina otettu mukaan tutkimukseen osoittamaan menetelmän monipuolisuutta. Näiden lisäksi myös magneettisten epäpuhtausatomien, mangaanin ja koboltin, diffuusiota on tutkittu galliumarsenidissa (GaAs) ja sinkkioksidissa (ZnO). Näiden ominaisuuksia on tutkittu spintroniikaksi kutsuttua elektroniikan alaa silmällä pitäen. Spintroniikassa pyrkimyksenä on hyödyntää materiaalien magneettisia ominaisuuksia elektronisten lisäksi.