Emanuele Francesco Pecora

Past President

My motto: "shaping the future with research; managing the presence to excellence".

There is one question I ask myself every day: how can I make a real impact on people lives? Scientific research and commitment to leadership are my answers.

Energy is the most important challenge of the next century. I am interested in energy efficiency and new approaches to enable competitive renewable energy sources. In my research, I work with light and matter. I create semiconductor nanostructures specifically designed to be efficient light sources; on a different side, I manipulate and trap light to envision next generation of silicon-based solar cells. I am a physicist by training (PhD in 2010). Right now, my research activity is across physics, materials science, and engineering. The perfect balance between fundamental concepts applied to real devices. I always had a strong interaction with semiconductor industries. I have large experience and ability to design, fabricate and test new materials and device prototypes, developing a new idea from the basic physical principles to an actual implementation.

I am aware that innovation can be made only by a diverse team of people focused on the same goal. Getting the best out of each of us is the most challenging role of a leader. I had the possibility to manage small and large groups of people, achieving unexpected great results, with a large impact on the group members as well as on a large community.

My strengths are: excellent time management, people values and interests evaluation, peer support and consulting, mentoring experience, events organization, tasks organization and coordination.

People I met with think I am action-oriented and collaborative.
My friends define me as trustworthy and problem solver.
I consider myself curious and organized.

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Titoli

Scuola Superiore di Catania

Facoltà: Physics

Anno di conseguimento: 2006

Relatore: Prof. Francesco Priolo Dott. Salvatore Mirabella

Tesi: Boron diffusion and clustering in amorphous silicon

La strada per ottenere chip sempre piu piccoli e contenenti un numero sempre maggiore di dispositivi elementari a bassa resistenza richiede la minimizzazione delle dimensioni verticali e laterali dei transistor e contemporaneamente l'aumento della concentrazione dei portatori di carica. In sostanza e necessario ottenere elevate concentrazioni di drogante in regioni estremamente piccole. La carica nelle regioni di source drain e channel di un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Eect Transistor ) e generalmente ottenuta introducendo nella matrice di silicio atomi che si comportano come droganti. La metodologia attuale consiste nell'impiantazione di detti atomi in un substrato precedentemente amorfizzato e in una successiva ricristallizzazione della matrice tramite ricrescita epitassiale da fase solida (Solid Phase Epitaxial Regrowth SPER). Questa procedura consente di minimizzare la diusione degli atomi droganti durante i trattamenti termici tipici delle fasi di processo di un dispositivo. I processi di attivazione precipitazione e diusione dei droganti in silicio cristallino sono stati ampiamente studiati negli ultimi 30 anni mettendo in 2 luce una grande quantita di meccanismi microscopici di notevole importanza. Nonostante questo interesse si ha una conoscenza davvero scarsa sul comportamento dei droganti in silicio amorfo campo invece estremamente rilevante poiche prima della ricrescita epitassiale i droganti sono inseriti nella matrice amorfa e il profilo finale del drogante o la sua attivazione elettrica possono essere inuenzati dai processi che accadono nella fase amorfa. Per esempio di recente e stato mostrato che il boro precipita gia nella fase amorfa prima della ricristallizzazione. La diusione di boro in silicio amorfo rimane invece un campo totalmente inesplorato. Il lavoro presentato in questa tesi e inserito in questo contesto che e un argomento di ricerca estremamente importante sia per il significato fisico che per le applicazioni industriali. I risultati sperimentali ottenuti rappresentano una caratterizzazione completa delle proprieta di diusione e precipitazione di boro in silicio amorfo e il modello microscopico proposto riesce a spiegare il meccanismo di diffusione del boro all'interno delle proprieta note della matrice. Il primo capitolo e dedicato ad una rassegna delle proprieta note del silicio amorfo. Esso viene generalmente descritto come un Continuous Random Network CRN ovvero come un reticolo ideale di atomi con posizioni casuali e legati tramite legami covelenti in maniera continua; in questa struttura il silicio mantiene localmente la coordinazione tetraedrica tipica del cristallo ma non possiede la struttura ordinata a lunga estensione. Il silicio amorfo possiede rispetto al cristallo un eccesso di entalpia libera pari a circa 0.1 eV/atomo alla temperatura di 300 K. Comunemente si pensa che questa energia venga principalemente immagazzianata sotto forma di distorsione dell'angolo di legame costretto ad adattarsi alla disposizione disordinata degli atomi. Trattamenti termici a bassa temperatura provocano il cosiddetto rilassamento strutturale del silicio amorfo: il reticolo e in grado di riorganizzarsi e diventare progressivamente sempre piu ordinato mentre i difetti (distorsioni reticolari) tendono ad annichilarsi reciprocamente. La matrice si rilassa attraversando una serie di stati di non equilibrio prima che inizi la cristallizzazione. Nel capitolo sono descritte le principali evidenze relative a questo processo il ruolo dei difetti di punto e il modello proposto per la descrizione di questo sistema. Inoltre al ne di meglio comprendere il meccanismo di diusione del boro viene discussa la diusione dei metalli in silicio amorfo. E' noto che i metalli in silicio amorfo diffondono attraverso un meccanismo limitato da trappole che ne riducono la diusivita di diversi ordini di grandezza rispetto alla diusivita in silicio cristallino. Cio non e necessariamente vero nel caso di altre impurezze e in particolare studieremo somiglianze e dierenze nel caso del boro. Nel secondo capitolo vengono descritti il piano sperimentale adottato per studiare la diusione e la precipitazione di boro in silicio amorfo e le principali tecniche sperimentali adottate. Per uno studio completo della diffusione e della precipitazione abbiamo bisogno di mantenere il campione nella fase amorfa per tutta la durata dei trattamenti termici. Per questo motivo abbiamo utilizzato come substrato una struttura Silicon On Insulator in cui lo strato superiore di silicio monocristallino (spesso circa 600 nm) e separato da uno strato di ossido di silicio dal silicio sottostante. Questa struttura opportunamente preamorzzata blocca la ricrescita epitassiale da fase solida. Inoltre abbiamo bisogno di un elevato gradiente di concentrazione di boro per un ampio intervallo di concentrazioni. Per questa ragione i campioni sono stati preparati tramite la tecnica dell'epitassia da fasci molecolari (Molucular Beam Epitaxy MBE). Questa ci consente di crescere in maniera epitassiale strati di silicio cristallino drogato su un substrato cristallino. Abbiamo preparato campioni contenenti due strati di materiale drogato con boro (spessore 20 nm) immersi in strati non drogati. Abbiamo scelto due diverse concentrazioni di boro negli stati drogati: una superiore e una infe- riore al limite di concentrazione per la precipitazione ( 1 1020 cm3). Il processo di amorzzazione e stato eseguito tramite impiantazione di atomi di silicio per ottenere uno strato amorfo dalla superficie ad una profondita maggiore rispetto a quella a cui si trova l'ossido di silicio. Per indurre la diusione degli atomi di boro sono stati eseguiti trattamenti termici nell'intervallo di temperature tra 500 e 700 C. La durata di questi processi e sempre molto inferiore al tempo necessario per innescare il processo di cristallizzazione per nucleazione casuale di grani. I profili di concentrazione di boro sono stati misurati tramite spettrometria in massa di ioni secondari (Secondary Ion Mass Spectrometry SIMS) mentre le proprieta della matrice amorfa in presenza di atomi di boro sono state studiate attraverso esperimenti di decorazione dei difetti con il rame. Nel capitolo 3 sono descritte le principali caratteristiche osservate della diusione di boro in silicio amorfo ottenute dai nostri esperimenti mentre nel capitolo 4 queste evidenze sono state spiegate con l'ausilio di una semplice modellizzazione. Innanzitutto abbiamo messo in luce che gli atomi di boro diondono in silicio amorfo con un andamento transiente. Infatti la diffusivita del boro e abbastanza alta durante le prime fasi dei trattamenti termici e raggiunge un livello di saturazione dopo un transiente dipendente dalla temperatura. Questo valore di saturazione aumenta all'aumentare della temperatura coprendo un intervallo di circa quattro ordini di grandezza all'interno di un intervallo di temperature di 200 K. Inoltre la diffusione di boro in silicio amorfo puo raggiungere valori quattro ordini di grandezza superiori al valore di equilibrio della diusivita in silicio cristallino alle stesse temperature. Abbiamo mostrato che la diusione di boro in amorfo dipende fortemente dallo stato di rilassamento della matrice. Infatti la diusivita e molto piu alta se la matrice e totalmente non rilassata cioe con una maggiore concentrazione di difetti. Abbiamo dimostrato sperimentalmente che il processo di precipitazione avviene nei primi stadi del trattamento termico nelle regioni con una con- centrazione di atomi di boro maggiore di 1 1020 cm3 e che la quantita di boro precipitato non subisce alcuna evoluzione osservabile al variare della durata o della temperatura dei processi termici. Inoltre abbiamo mostrato che la diusivita del boro ha un comporta- mento dipendente dalla concentrazione: gli atomi di boro diondono piu velocemente dove la concentrazione di boro e maggiore come dimostrato dal fatto che la pendenza dei proli di boro dopo la diusione e piu ripida rispetto a quella del campione dopo l'amorzzazione. A partire da questi dati abbi- amo proposto un modello in grado di spiegare il meccanismo microscopico di diusione del boro. Dati presenti in letteratura riportano che il boro nel suo stato fondamen- tale in silicio amorfo sia trivalente. Nel nostro modello ipotizziamo che la diusione di boro sia assistita da un difetto di punto (un atomo di silicio con un legame pendente). In particolare immaginiamo che la formazione di un legame tra un atomo di boro e il difetto crei un atomo di boro tetrava- lente che e mobile anche se per una distanza molto breve. Dopo lo sposta- mento uno dei legami tra il boro mobile e un atomo di silicio si rompe e il boro torna nel suo stato immobile. La diusivita risulta dunque essere fortemente dipendente dalla concentrazione di difetti e dalla loro evoluzione temporale. Adottando questo modello siamo riusciti a ttare la diusivita 6 ottenuta sperimentalmente a partire dallo strato drogato con boro alla piu bassa concentrazione: l'accordo con i dati sperimentali e molto buono. L'evidenza di una diusione non Gaussiana nel caso dello strato a piu alta concentrazione e stata invece spiegata con successo osservando (attraverso la rivelazione dei difetti col rame) che la presenza di atomi di boro in alte dosi introduce un eccesso di difetti. Inoltre questo eccesso viene mantenuto anche in seguito a trattamenti termici a basse temperature. La presenza del boro potrebbe infatti modicare il potenziale chimico dei difetti agendo cos da meccanismo trainante che si oppone alla diusione dei difetti. Assumendo un aumento lineare della diusivita con la concentrazione di boro anche in questo caso siamo stati in grado di riprodurre in maniera soddisfacente i proli sperimentali di boro. Inne abbiamo estratto la dipendenza dalla temperatura della diusivita del boro in una matrice totalemente rilassata. L'analisi di questi dati rivela un processo attivato termicamente con una singola energia di attivazione pari a Ea 2.5 eV. Questo valore corrisponde a quello del processo di epitassia da fase solida e al valore piu alto mai osservato per il processo di annichilazione dei difetti in silicio amorfo. E' plausibile proporre che tra la grande varieta di difetti con diverse energie di attivazione presenti nel silicio amorfo in seguito ai trattamenti termici sopravviva un singolo semplice difetto con una energia di migrazione di 2.5 eV e che questo sia il responsabile di una gran varieta di fenomeni dierenti tra loro tra cui la ricrescita epitassiale e la diffusione di boro.

Università di Catania

Facoltà: Physics

Anno di conseguimento: 2006

Relatore: ND

Tesi: ND

ND

Università di Catania

Facoltà: Physics of matter

Anno di conseguimento: 2004

Relatore: ND

Tesi: ND

ND

 

Esperienze lavorative

      Postdoctoral Scholar @ Stanford University (San Francisco Bay Area)

      PostDoctoral Associate @ Boston University

      Postdoctoral Fellow @ University of Catania

      PhD Student @ University of Catania

      iFarm Team program volunteer @ Stanford University Office of Technology Licensing

      Coach @ Stanford University (San Francisco Bay Area)

      President of the Association @ Alumni Scuola Superiore di Catania

      Laboratory Safety Coordinator @ Boston University Research Compliance – Environmental Health & Safety

      Webmaster @ Matis - CNR-IMM

      Vice-President and member of the Executive Board @ Alumni Scuola Superiore di Catania

      Representative of Ph. D. Students in the Department Executive Committee @ Department of Physics and Astronomy, University of Catania

      Chief Organizer @ TEDxSSC

      Chief Organizer @ TEDxSSCLive