Nanoscale doping in silicon via phosphorus end-functionalized polymers and thermal scanning probe lithography

As electronic devices continue to shrink, research aims to develop alternative methods that combine nanoscale doping precision with innovative, less harmful and more efficient processes. Traditional doping techniques involve complex procedures and toxic gases, resulting in significant consumption of resources and considerable environmental impact. To address these challenges, new approaches have been explored that, not only enable precise control of the dopant dose, but are also compatible with three-dimensional designs and offer greater sustainability. This thesis work explores nanoscale doping using a novel technique based on self-limited “grafting to” reaction of phosphorus end-functionalized polymers. In this technique, the functional polymers are grafted onto the surface, forming a polymer brush layer. Once it is removed, the phosphorus atoms remain bound to the surface. A thin silicon oxide capping layer is then deposited to protect the dopants and high-temperature thermal treatments were performed to promote the diffusion of the impurities into the underlying silicon substrate. The dopant dose can be precisely tuned by varying the molar mass of the polymer chains. This approach provides a non-destructive, cost-effective and highly controllable alternative to conventional doping methods. The main objective of this work is to integrate this novel doping technique with thermal scanning probe lithography (t-SPL) to create nanoscale doped patterns. Morphological and electronic characterizations were performed on the resulting structures. The results demonstrate that this approach enables precise spatial control of phosphorus distribution at the nanoscale, while preserving the structural integrity of the substrate. The ability to selectively dope the silicon surfaces in a controlled and localized manner opens new paths for the fabrication of advanced nanoelectronic and quantum devices, such as single-electron transistors, spin qubits and quantum dots.

Con la continua miniaturizzazione dei dispositivi elettronici, la ricerca mira a sviluppare metodi alternativi che uniscano la precisione del drogaggio su scala nanometrica a processi più innovativi, meno dannosi e più efficienti. I metodi tradizionali di drogaggio prevedono procedure complesse e gas tossici, causando un elevato consumo di risorse e un significativo impatto ambientale. Per superare queste criticità, sono stati sviluppati nuovi approcci che consentono un controllo preciso del livello di drogaggio, sono compatibili con strutture tridimensionali e risultano più sostenibili. Questo lavoro di tesi si concentra sull'introduzione controllata di drogante sulla nanoscala tramite una tecnica innovativa basata su una reazione auto-limitante “grafting to”, che utilizza polimeri funzionalizzati con gruppi terminali contenenti fosforo. In questa tecnica, i polimeri vengono innestati sulla superficie, formando uno strato a spazzola polimerica. Una volta rimosso, gli atomi di fosforo rimangono legati alla superficie. Successivamente, viene depositato uno strato di ossido di silicio per proteggere i droganti, seguito da trattamenti termici ad alta temperatura per favorire la diffusione delle impurità nel substrato sottostante. Il livello di drogaggio può essere modulato con precisione variando la massa molare delle catene polimeriche. Questo metodo è un'alternativa non distruttiva, economica e controllabile ai metodi tradizionali. L’obiettivo di questo lavoro è integrare tale tecnica con la litografia termica a sonda di scansione (t-SPL), al fine di realizzare pattern drogati su scala nanometrica. Le strutture ottenute sono state analizzate dal punto di vista morfologico ed elettronico. I risultati sperimentali dimostrano che questo approccio consente un controllo spaziale preciso nella distribuzione del fosforo, preservando l’integrità strutturale del substrato. La possibilità di drogare selettivamente superfici di silicio in modo controllato e localizzato apre nuove prospettive per la realizzazione di dispositivi nanoelettronici e quantistici, come transistor a singolo elettrone, spin qubit e quantum dot.