Fisica dei semiconduttori e dei cristalli avanzati

Staff

Marco Bazzan, Davide De Salvador, Enrico Di Russo, Andrea Gasparotto, Valeria Milotti, Enrico Napolitani, Andrea Sanson,  Francesco Sgarbossa.

Borsisti e assegnisti

Stefano Bertoldo, Alessandro Venier

Dottorandi

Daris Fontana, Giulia Maria Spataro, Alessandro Tonon, Davide Valzani.

Personale tecnico

Nicola Argiolas, Luca Bacci, Sara Maria Carturan, Gianluigi Maggioni.

  Attività di ricerca

Il gruppo ha lo scopo di sviluppare processi innovativi per futuri dispositivi a semiconduttore e altri materiali avanzati usando le proprie competenze riguardo alle caratterizzazioni strutturali ed elettriche e di modellizzazione. La ricerca al DFA si basa sui seguenti strumenti: La ricerca al DFA si basa sui seguenti strumenti:

  • Secondary ion mass spectrometry (SIMS)
  • High resolution X-ray diffraction (HRXRD)
  • Van der Pauw - Hall anche a temperature criogeniche
  • Rapid Thermal Processing
  • Laboratorio di Laser Processing - #DFATHesis
  • Laboratorio di crescita Czochralski
  • Laboratorio di Ottica

Presso i vicini Laboratori Nazionali di Legnaro il gruppo ha accesso- nell’ambito di una convenzione tra UNIPD-DFA e INFN-LNL ad altre facility:

  • Rutherford Backscattering Spectrometry/ Nuclear Reaction Analysis in configurazione di channeling
  • Camera pulita e laboratorio chimico
  • Sputtering

Inoltre, il gruppo accede a facility internazionali di luce di Sincrotrone (ESRF, ELETTRA) e al laboratorio microRaman dell’università di Verona. 

Principali filoni di ricerca

Drogaggio alla nanoscala

(Enrico Napolitani, Davide De Salvador, Alberto Carnera)

I processi di  drogaggio vanno investigati sulla scala nanometrica per poter sviluppare i dispositivi nano-elettronici del futuro. A questo scopo, sviluppiamo studi sperimentali di base e modelli rate-eqautions per comprendere come cambiano i fenomeni di diffusione e drogaggio su tale scala.

Drogaggio del Germanio

(Enrico Napolitani, Davide De Salvador, Alberto Carnera, Andrea Sanson)

Il germanio sta avendo un rinnovato interesse applicativo per la nanoelettronica e la fotonica (laser e fotodiodi nell’IR, plasmonica, fotovoltaico…) e la sensoristica. La ricerca sul doping del Germanio va sviluppata sia sui processi standard (impiantazione e diffusione) per renderla matura come in silicio, sia su processi innnovativi per migliorare le prestazioni dei dispositivi in modo compatibile con la nanoscala:

  • Laser annealing per ottenere alti livelli di attivazione e per modificare i livelli di strain in strati Ge/Si.
  • Drogaggio di Ge iperpuro per migliorare le performance dei detector gamma.
  • Molecular doping, per il drogaggio sulla nanoscala

Cristalli per esperimenti di channeling

(Davide De Salvador, Alberto Carnera)

L’esperienza maturata nella lavorazione e caratterizzazione di cristalli ha posto le basi per sviluppare un applicazione esotica: cristalli curvi possono essere usati per deflettere fasci accelerati anche ultra-relativistici, con risvolti applicativi per le tecnologie degli acceleratori e la produzione di radiazione. Il gruppo costruisce e testa dispositivi a cristalli curvi principalmente di germanio ed esegue esperimenti a LNL, all’università di Mainz (MAMI) e al CERN, nell’ambito di collaborazioni nazionali e internazionali.

Nitruri

(Andrea Gasparotto, Enrico Napolitani)

Il nitruro di gallio e le sue leghe sono materiali strategici grazie alle loro proprietà: sono attualmente usati per fabbricare emettitori di luce visibile LED e Laser, e per l’elettronica di potenza. Per migliorare l’efficienza dei dispositivi è cruciale la ricerca in diversi ambiti, tra i quali il gruppo si occupa di studiare:

  • Il meccanismo di diffusione del drogante Mg ad alta temperature ed alta densità di corrente.
  • Il profilo di drogaggio di C e F usati per creare strati semi-isolanti
  • L’impiantazione ionica e l’attivazione di Mg e C per il drogaggio e l’isolamento elettrico.
  • Studio di trattamenti di laser processing per l’attivazione elettrica di Mg.

Controllo dell’espansione termica dei materiali

(Andrea Sanson, Alberto Carnera)

L’espansione termica dei materiali rappresenta un problema in moltissime applicazioni tecnologiche. Nel design di nuovi materiali diventa quindi fondamentale riuscire a controllare l'espansione termica. Questo è possibile tramite l'utilizzo di materiali non convenzionali con proprietà di espansione termica negativa (NTE). In tale attività di ricerca vengono studiati tutti quei fenomeni fisici connessi alla NTE, e in collaborazione con la University of Science and Technology Beijing, i metodi possibili per il controllo dell'espansione termica, quali intercalazione chimica, sostituzione chimica, effetti nanometrici.

Trasporto di carica in ossidi ferroelettrici

(Marco Bazzan, Davide De Salvador)

Se paragonati con altri materiali di interesse tecnologico, la nostra comprensione dei meccanismi di fotogenerazione e trasporto di carica negli ossidi ferroelettrici è ancora limitata, e allo stesso tempo di estrema importanza per molte importanti applicazioni che vanno dall'ottica nonlineare allo sfruttamento dell'energia solare. L'attività di ricerca in questo settore è rivolta allo studio teorico e sperimentale dell'auto-localizzazione e del moto di portatori di carica (polaroni), principalmente in Niobato di Litio, tramite preparazione di campioni dedicati, analisi con tecniche ottiche ed elettriche e modellizzazione teorica dei risultati.

Rilevazione di disaccordo modale in cavità per interferometri gravitazionali

(Marco Bazzan)

La prossima generazione di interferometri per la misura di onde gravitazionali sarà operata con stati non classici di luce (luce “squeezed”) per migliorarne la sensibilità. Questo tipo di luce è però estremamente sensibile alle perdite ottiche, le quali ne degradano rapidamente le proprietà utili. Una delle principali sorgenti di perdite è costituita dall’imperfetto accoppiamento tra il campo ottico circolante nell’interferometro e le varie cavità ottiche di cui quest’ultimo è costituito.

Questa attività di ricerca, svolta in collaborazione con il gruppo INFN Virgo PD – TN,  è dedicata allo sviluppo di un nuovo tipo di sensore elettro-ottico per monitorare il disaccordo modale e fornire un segnale di retroazione volto alla sua cancellazione.

  Research activity

The group of Semiconductors and Advanced Crystals has the aim of developing innovative processes for future semiconductor devices and advanced materials, exploiting the competences about chemical profiling, structural and electrical characterization, lattice vibrational dynamics, modelling, and out-equilibrium diffusion phenomena in solid state matter. The group make research at DFA with different lab instrumentations:

  • Secondary ion mass spectrometry (SIMS)
  • High resolution X-ray diffraction (HRXRD)
  • Van der Pauw - Hall also at cryogenic temperatures
  • Rapid Thermal Processing
  • Laser Processing laboratory
  • Czochralski growth laboratory
  • Optics laboratory

At the close Laboratory Nazionali di Legnaro the group has access -in the framework of UNIPD-DFA/INFN-LNL collaboration agreement- to other facilities:

  • Rutherford Backscattering Spectrometry/ Nuclear Reaction Analysis with channeling equipment
  • Clean room and chemical lab
  • Sputtering systems

Moreover, the group periodically accesses to international Synchrotron Radiation facilities (ESRF, ELETTRA) for x-ray absorption fine structure (XAFS) experiments and to the Vibrational Spectroscopy laboratory of the University of Verona for Raman measurements. 

Main research lines

Nanoscale doping

(Enrico Napolitani, Davide De Salvador, Alberto Carnera)

Doping process has to be understood at nanoscale for successful design of future semiconductor devices. Basic experimental studies and modelling are being developed on silicon nanoclusters system.

Germanium doping

(Enrico Napolitani, Davide De Salvador, Alberto Carnera, Andrea Sanson)

Germanium is having a renewed interest for its application in nanelectronics, photonics (IR-detectors and lasers, plasmonics, photovoltaics,...)and gamma-ray detectors. Research about doping processes has to be developed at various levels: experiments about standard processes (diffusion, ion implantation) has to be investigated and modelled to transfer the mature design ability on Si to Ge; moreover, innovative processes have to be investigated to dress growing performance request: very high doping, compatibility with nanoscale and high purity.

  • Laser annealing is one of the most promising technique for high level activation, and also for strain tailoring in Ge/Si layers.
  • Doping of high purity Ge is a particular task crucial for the developing of innovative gamma-ray detector systems
  • Molecular doping is a promising strategy for nanostructures doping.

Crystals for channeling experiments

(Davide De Salvador, Alberto Carnera)

The maturated experience in crystals manipulation and characterization is the basis for an exotic application: bend crystals can be used to steer accelerated beams even in ultra-relativistic regime; this has application for accelerators technology and radiation production. The group builds and tests bent crystalline devices especially in Germanium and run dedicate experiments at LNL, and in the framework of national and international collaborations at University of Mainz (MAMI) and CERN.

Nitrides

(Andrea Gasparotto, Enrico Napolitani)

Gallium Nitride (GaN)and other III-N compounds like InGaN and AlGaN has become important strategic materials thanks to their properties. They are currently used to fabricate light emitting devices (LED and Lasers) in the visible region of the light spectrum and control and power electronic devices. Research on nitride materials is very active aiming to improve efficiency and reliability of these devices. Among others the following aspects are currently being investigated:

  • Diffusion mechanisms of acceptor dopant (Mg) due to high temperature or high current density treatments.
  • Doping profiles of C and Fe used for semi-insulating buffer compensation
  • Ion implantation and activation of Mg and C for doping and device isolation.
  • Investigation of Laser Processes for the improvement of Mg electrical activation

Tailoring thermal expansion of materials

(Andrea Sanson, Alberto Carnera)

Thermal expansion is critical in many technological applications and its control represents a challenge for the material design. The most promising route to achieve the control of thermal expansion is the use of non-conventional materials with Negative Thermal Expansion (NTE) properties. The group studies the physical phenomena connected to NTE and, in collaboration with the University of Science and Technology Beijing, the possible methods to control thermal expansion, like chemical intercalation, chemical substitution, nano-size effects.

Charge transport in ferroelectric oxides

(Marco Bazzan, Davide De Salvador)

Compared to other technological materials, our understanding of the charge photogeneration and transport mechanisms in ferroelectric oxides is still quite limited and yet very essential for a number of important applications, ranging from nonlinear optics to solar energy harvesting. The research activity in this field is devoted to the experimental and theoretical investigation of the self-localization and motion of charge carriers (polarons) mainly in ferroelectric Lithium Niobate by preparing samples with tailored characteristics, analyzing them by electrical and optical methods and modelling the obtained results.

Mode Mismatch sensing for gravitational interferometers

(Marco Bazzan)

The next generation of interferometers for gravitational waves detection will be operated using nonclassical light states (“squeezed” light) to improve their sensitivity. However, this kind of light is extremely sensitive to optical losses, which quickly degrade its useful properties. One of the major sources of optical losses is the imperfect matching between the optical field circulating in the interferometer and the modes of the different cavities inside it.

This research activity, carried out in collaboration with the INFN Virgo PD-TN group, is devoted to the development of a new type of electro-optical sensor for  mode mismatch monitoring and providing a feedback signal that will be used to cancel it out.