Beryllium oxide for semiconductor technology

Abstract

Investigámos o hidrogénio como impureza no óxido de berílio usando a espectroscopia do spin do muão. No primeiro capítulo expomos vários problemas derivados da continua diminuição de escala dos transistores. Como principais causas destes, destacamos efeitos de túnel quântico e defeitos na rede. Estudos comprovam que o BeO é um material promissor no que toca a mitigar estes problemas. O hidrogénio é uma impureza abundante em oxidos e o BeO não é exceção. Isto pode ser prejudicial para a operação de futuras aplicações tais como tecnologia cmos (complimentary metal-oxide-semiconductor). O hidrogénio como impureza no BeO está mal caracterizada e esse passa pelo objetivo principal desta dissertação. De forma a concretizar este objetivo utilizámos a técnica de espetroscopia do muao onde se usa o muão positivo para imitar o comportamento dos protões. A atividade experimental foi levada a cabo no ISIS, Reino Unido. Lá, investigámos a dependência do sinal $\mu$SR com a temperatura usando um campo magnético transverso ao spin dos muões. Tirámos também medidas de campo longitudinal numa tentativa de restaurar a polarização inicial dos muões e assim estimar a interação hiperfina. Para além disto usamos uma técnica chamada \textit{quadrupole avoided level-crossing} de forma a caracterizar a posição ocupada pelo muão. Caracterizámos uma configuração dadora e aceitadora do hidrogénio no BeO. Em particular, a configuração dadora é atribuída ao muão positivo numa posição ligante ao oxigénio. A configuração aceitadora é atribuída ao muónio neutro intersticial. Aplicámos ao BeO um modelo emergente para a formação de muónio em óxidos. De acordo com este, o muónio tem de passar por um estado de transição antes de chegar a uma configuração final estável.

We have investigated the hydrogen impurity in beryllium oxide using muon spin spectroscopy. In the first chapter we lay out several problems that arise from the continuing downscale of transistors. We highlight tunneling and lattice defects as the main causes of this. Studies have shown that BeO is a promising material with respect to solving these issues. Hydrogen is an abundant impurity in oxides and BeO is no exception. This may be detrimental to the operation of future applications such as cmos (complimentary metal-oxide-semiconductor) technology. The hydrogen impurity in BeO is poorly characterized and this is the main objective of this dissertation. To do this we use the muon spin spectroscopy technique in which the positive muon is used to mimic the behavior of the protons. The experimental work took place at ISIS, UK. There we investigated the dependence of the $\mu$SR signal with temperature using a transverse magnetic field (to the initial spin polarization). We also took longitudinal field measurements in an attempt at restoring the initial polarization of the muons and thus estimate the hyperfine interaction. Furthermore we made use of a technique called quadrupole avoided level-crossing in order to attempt a characterization of the muon site. We characterized the donor and acceptor configurations of the hydrogen in BeO. In particular the donor configuration is attributed to the positive muon in an oxygen bound position. The acceptor configuration is attributed to interstitial neutral muonium. We apply to BeO an emerging model for muonium formation in oxides, according to which, muonium must go through a transition state before reaching a stable final configuration.