Что такое легирование полупроводников
Перейти к содержимому

Что такое легирование полупроводников

  • автор:

легирование полупроводников

чтения мыслей

ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ — дозированное введение в полупроводник примесей или структурных дефектов с целью изменения их электрич. свойств. Наиб. распространено примесное Л. п. Электрич. свойства легированных полупроводников зависят от природы и концентрации вводимых примесей. Для получения полупроводников с электронной проводимостью (n-типа) с изменяющейся в широких пределах концентрацией электронов проводимости обычно используют донорные примеси, образующие «мелкие» энергетич. уровни в запрещённой зоне вблизи дна зоны проводимости 2548-98.jpgДля получения полупроводников с дырочной проводимостью (р-типа) вводятся акцепторные примеси, образующие уровни вблизи потолка 2548-99.jpgвалентной зоны. Атомы таких примесей при комнатной темп-ре (300 К) практически полностью ионизованы (энергия ионизации 2548-100.jpgэВ), так что их концентрация определяет концентрацию осн. носителей заряда, к-рая связана с проводимостью а полупроводника соотношением

2548-101.jpg

для электронного типа проводимости и

2548-102.jpg

2548-103.jpg

для дырочного типа проводимости. Здесь п — концентрация электронов; р — концентрация дырок; е — заряд электрона; — подвижности электронов и дырок (см. Полупроводниковые материалы).

Для Се и Si донорами служат элементы подгруппы Va периодич. системы элементов (Р, As, Sb), акцепторами — элементы подгруппы IIIa (В, Al, Ga). Для полупроводников типа 2548-104.jpgдоноры — элементы подгруппы VIa (S, Se, Те), а также Sn. Акцепторы-элементы подгруппы IIа (Be, Mg, Zn, Cd). Примеси Si и Ge в полупроводниках типа 2548-105.jpgв зависимости от условий получения кристаллов и эпитаксильных слоев могут проявлять как донорные, так и акцепторные свойства. В полупроводниках типа 2548-106.jpgи 2548-107.jpgтип и величина проводимости обычно регулируются отклонением от стехиометрич. состава, обеспечивающим заданную концентрацию собственных точечных дефектов (вакансии, межузелъные атомы).

Перечисленные примеси, как правило, образуют в полупроводниках твёрдые растворы замещения и обладают высокой растворимостью (10 18 -10 20 ат/см 3 ) в широком интервале темп-р. Растворимость их носит ретроградный характер и достигает максимума в Ge при 700-900 °С, в Si — при 1200-1350 0 С, в GaAs — при 1100-1200 0 С. Эти примеси имеют малые сечения захвата носителей, являются малоэффективными центрами рекомбинации и поэтому слабо влияют на время жизни носителей.

2548-108.jpg

Примеси тяжёлых и благородных металлов (Fe, Ni, Сг, Mb, W, Сu, Ag, Au и др.) образуют «глубокие» уровни в запрещённой зоне, имеют большие сечения захвата носителей и являются эффективными центрами рекомбинации, что приводит к значит. снижению времени жизни носителей. Эти примеси обладают малой и ярко выраженной ретроградной растворимостью. Их используют для получения полупроводников с малым временем жизни носителей или с высоким удельным сопротивлением, достигаемым за счёт компенсации мелких энергетич. уровней противоположной природы. Последнее часто применяют для получения полуизолирующих кристаллов широкозонных соединений (GaAs, GaP, InP, используют примеси Fe, Ni, Cr). Основные характеристики наиболее распространённых примесей в важнейших полупроводниках даны в табл.

Методы легирования. Л. п. обычно осуществляют непосредственно в процессах выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур. Примесь вводится в расплав, раствор или газовую фазу. Расчёт необходимого содержания примеси требует знания количественной связи между её концентрацией и свойствами полупроводника и свойств примеси: коэф. распределения К между фазами, упругости паров и скорости испарения в широком интервале темп-р, растворимости в твёрдой фазе и т. д.

При Л. п. необходимо равномерное распределение примеси в объёме кристалла или по толщине эпитаксиального слоя. При направленной кристаллизации из расплава равномерное распределение примеси по длине слитка достигается поддержанием постоянной её концентрации в расплаве (за счёт его подпитки) либо программированным изменением коэф. распределения примеси. Последнее достигается изменением параметров процесса роста. Повысить однородность распределения примесей в монокристаллах можно воздействуя на расплав магн. полем. Магн. поле, приложенное к проводящему расплаву, ведёт к возникновению пондеромоторных сил. Последние резко снижают интенсивность конвекции и связанные с ней флуктуации темп-ры и концентрации примесей. В результате однородность кристалла повышается. Однородного распределения при эпитаксии из жидкой фазы достигают кристаллизацией при пост. темп-ре; в случае газофазной эпитаксии, обеспечивая пост. концентрацию примеси в газовой фазе над подложкой.

Радиационное легирование. Доноры и акцепторы могут возникать в результате ядерных реакций. Наиб. важны реакции под действием тепловых нейтронов, к-рые обладают большой проникающей способностью. Это обеспечивает однородность распределения примеси. Концентрация примесей, образующихся в результате нейтронного облучения, определяется соотношением

2548-109.jpg

где N 0 — кол-во атомов в единице объёма полупроводника, 2548-110.jpg— сечение поглощения тепловых нейтронов, С — содержание нуклида в естеств. смеси (в %), 2548-111.jpg— плотность потока нейтронов, t — время облучения. Этот метод обеспечивает контролируемое введение примеси и равномерное её распределение. Однако в процессе облучения в кристалле образуются радиационные дефекты ,для устранения к-рых необходим последующий высокотемпературный отжиг (кроме того, появляется наведённая радиоактивность, требующая достаточно длит. выдержки образцов после облучения). Л. п. методом облучения тепловыми нейтронами используется, напр., для получения высокоомных монокристаллов Si(P):

2548-112.jpg

метод перспективен для легирования GaAs и др.

Диффузионный метод. При создании структур с р-n-переходами используется диффузионное введение примеси. Профиль распределения концентрации примеси при диффузии имеет вид плавной кривой, характер к-рой определяется: темп-рой и временем проведения процесса, толщиной слоя, из к-рого осуществляется диффузия, концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также сё электрич. зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами. Из-за малых коэф. диффузии диффузионное Л. п. обычно проводят при высоких темп-рах (для Si при 1100-1350 °С) и в течение длительного времени. Оно, как правило, сопровождается генерацией значит. кол-ва дефектов, в частности дислокаций. Методом диффузии трудно получить тонкие легиров. слои и резкие р-n-переходы.

2548-113.jpg

2548-114.jpg— дно зоны проводимости, -потолок валентной зоны.2548-115.jpg

2548-116.jpg

В скобках указана темп-ра, соответствующая макс. растворимости.

2548-117.jpg

Для получения тонких легиров. слоев используется ионная имплантация ,позволяющая вводить практически любую примесь и управлять её концентрацией и профилем распределения. Однако в процессе ионного Л. п. возникают точечные дефекты структуры, области разупорядочения решётки, а при больших дозах — аморфизованные слои. Поэтому необходим последующий отжиг. Отжиг проводят при темп-рах, существенно более низких, чем при диффузии (напр., для 700-800 °С).

Лит.: Горелик С. С., Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973; Мильвидский М. Г., Пелевин О. В., Сахаров Б. А., Физикохимические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений, М., 1974; Легирование полупроводников методом ядерных реакций, Новосиб., 1981.

Легирование в полупроводниках

Чистый кремний или германий редко используются в качестве полупроводников. Практически используемые полупроводники должны иметь контролируемое количество примесей, добавляемых к ним. Добавление примеси изменит способность проводника, и она действует как полупроводник. Процесс добавления примеси к собственному или чистому материалу называется легированием, а примесь называется легирующей добавкой . После легирования внутренний материал становится внешним материалом. Практически только после допинга эти материалы становятся пригодными для использования.

Когда примесь добавляется в кремний или германий без изменения кристаллической структуры, образуется материал N-типа. В некоторых атомах электроны имеют пять электронов в своей валентной зоне, такие как мышьяк (As) и сурьма (Sb). Легирование кремния ни одной из примесей не должно изменять кристаллическую структуру или процесс связывания. Дополнительный электрон примесного атома не участвует в ковалентной связи. Эти электроны свободно удерживаются вместе своими атомами-инициаторами. На следующем рисунке показано изменение кристалла кремния с добавлением примесного атома.

Примеси атом

Влияние допинга на материал N-типа

Влияние легирования на материал N-типа заключается в следующем:

  • При добавлении мышьяка в чистый кремний кристалл становится материалом N-типа.
  • Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.
  • Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и они называются донорными примесями.
  • Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем собственный материал.
  • Материал N-типа не заряжен отрицательно. На самом деле все его атомы все электрически нейтральны.
  • Эти лишние электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.
  • Внешний кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость только с приложенной энергией 0,005 эВ.
  • Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.

При добавлении мышьяка в чистый кремний кристалл становится материалом N-типа.

Атом мышьяка имеет дополнительные электроны или отрицательные заряды, которые не участвуют в процессе ковалентной связи.

Эти примеси отдают или отдают один электрон кристаллу, и они называются донорными примесями.

Материал N-типа имеет дополнительные или свободные электроны, чем собственный материал.

Материал N-типа не заряжен отрицательно. На самом деле все его атомы все электрически нейтральны.

Эти лишние электроны не участвуют в процессе ковалентной связи. Они могут свободно перемещаться по кристаллической структуре.

Внешний кристалл кремния N-типа перейдет в проводимость только с приложенной энергией 0,005 эВ.

Всего 0,7 эВ требуется для перемещения электронов собственного кристалла из валентной зоны в зону проводимости.

Обычно электроны считаются основными носителями тока в кристаллах этого типа, а дырки – меньшими носителями тока. Количество донорного материала, добавляемого в кремний, определяет количество основных носителей тока в его структуре.

Число электронов в кремнии N-типа во много раз больше, чем пары электрон-дырка собственного кремния. При комнатной температуре существует существенная разница в электропроводности этого материала. Есть многочисленные носители тока, чтобы принять участие в потоке тока. Поток тока достигается в основном электронами в этом типе материала. Следовательно, внешний материал становится хорошим электрическим проводником.

Влияние допинга на материал типа P

Влияние легирования на материал типа Р заключается в следующем:

  • При добавлении индия (In) или галлия (Ga) к чистому кремнию образуется материал P-типа.
  • Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертого электрона.
  • В материале типа P каждое отверстие может быть заполнено электроном. Чтобы заполнить эту область отверстия, электроны из соседних ковалентно связанных групп требуют гораздо меньше энергии.
  • Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что P-материал будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.
  • При комнатной температуре существует очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.

При добавлении индия (In) или галлия (Ga) к чистому кремнию образуется материал P-типа.

Этот тип легирующего материала имеет три валентных электрона. Они с нетерпением ищут четвертого электрона.

В материале типа P каждое отверстие может быть заполнено электроном. Чтобы заполнить эту область отверстия, электроны из соседних ковалентно связанных групп требуют гораздо меньше энергии.

Кремний обычно легируется легирующим материалом в диапазоне от 1 до 106. Это означает, что P-материал будет иметь гораздо больше дырок, чем электронно-дырочные пары чистого кремния.

При комнатной температуре существует очень определенная характерная разница в электропроводности этого материала.

На следующем рисунке показано, как изменяется кристаллическая структура кремния при легировании акцепторным элементом – в данном случае индием. Часть материала P не заряжена положительно. Все его атомы в основном электрически нейтральны.

Однако в ковалентной структуре многих групп атомов есть дыры. Когда электрон движется и заполняет отверстие, отверстие становится пустым. Новая дыра создается в связанной группе, где ушел электрон. Движение дырок в действительности является результатом движения электронов. Материал P-типа вступит в проводимость только с приложенной энергией 0,05 эВ.

P Тип Кристалл

На рисунке выше показано, как будет реагировать кристалл P-типа при подключении к источнику напряжения. Обратите внимание, что число дырок больше, чем у электронов. При подаче напряжения электроны притягиваются к положительной клемме аккумулятора.

Отверстия в некотором смысле движутся к отрицательной клемме аккумулятора. В этот момент электрон улавливается. Электрон немедленно заполняет дыру. Отверстие становится пустым. В то же время электрон вытягивается из материала положительным контактом батареи. Поэтому отверстия движутся к отрицательному концу из-за смещения электронов между различными связанными группами. С приложенной энергией поток отверстия непрерывен.

Легирование (полупроводник) — Doping (semiconductor)

В производстве полупроводников легирование — это преднамеренное введение примесей в собственный полупроводник с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств. Легированный материал упоминается как примесный полупроводник. Полупроводник, легированный до такой степени, что он действует больше как проводник, чем полупроводник, называется вырожденным полупроводником.

В контексте люминофоров и сцинтилляторы, легирование более известно как активация. Допинг также используется для контроля цвета некоторых пигментов.

  • 1 История
  • 2 Концентрация носителей
  • 3 Влияние на структуру зон
    • 3.1 Связь с концентрацией носителей (низкое легирование)
    • 6.1 Полупроводники IV группы
    • 6.2 Кремниевые легирующие добавки
    • 6.3 Другие полупроводники

    История

    Эффекты легирования полупроводников были давно эмпирически известны в таких устройствах, как кристаллические радио детекторы и селеновые выпрямители. Например, в 1885 г. Шелфорд Бидвелл и в 1930 г. немецкий ученый Бернхард Гудден независимо друг от друга сообщали, что свойства полупроводников обусловлены содержащимися в них примесями. Формально процесс допинга был впервые разработан Джоном Робертом Вудьярдом, работавшим в Sperry Gyroscope Company во время Второй мировой войны, с патентом США, выданным в 1950 году. его работа над радаром лишила Вудярда возможности продолжить исследования по легированию полупроводников.

    Аналогичная работа была выполнена в Bell Labs Гордоном К. Тилом и Морганом Спаркс, с патентом США, выданным в 1953 году.

    Предыдущий патент компании Woodyard оказался основанием для обширного судебного разбирательства со стороны Sperry Rand.

    Концентрация носителя

    Концентрация используемой добавки влияет на многие электрические свойства. Наиболее важным является концентрация носителей заряда в материале. В собственном полупроводнике при тепловом равновесии концентрации электронов и дырок эквивалентны. То есть

    В несобственном полупроводнике при тепловом равновесии соотношение становится (для низкого уровня допирования):

    n 0 ⋅ p 0 = ni 2 \ cdot p_ = n_ ^ \>

    где n 0 — концентрация проводящих электронов, p 0 — концентрация проводящих дырок, а n i — собственная концентрация носителей материала. Концентрация собственных носителей различается в зависимости от материала и температуры. Кремний ‘sn i, например, составляет примерно 1,08 × 10 см при 300 кельвинах, примерно комнатной температуре.

    В общем, повышенное легирование приводит к повышенной проводимости из-за более высокой концентрации носителей. Вырожденные (очень сильно легированные) полупроводники имеют уровни проводимости, сравнимые с металлами, и часто используются в интегральных схемах в качестве замены металла. Часто надстрочные символы плюс и минус используются для обозначения относительной концентрации легирования в полупроводниках. Например, n обозначает полупроводник n-типа с высокой, часто вырожденной концентрацией легирования. Точно так же p будет указывать на очень слабый легированный материал p-типа. Даже вырожденные уровни легирования подразумевают низкие концентрации примесей по сравнению с основным полупроводником. В собственном кристаллическом кремнии содержится приблизительно 5 × 10 атомов / см. Концентрация легирования кремниевых полупроводников может составлять от 10 до 10 см. Концентрация легирования выше примерно 10 см считается вырожденной при комнатной температуре. Вырожденно легированный кремний содержит долю примесей по отношению к кремнию порядка частей на тысячу. Эта доля может быть уменьшена до частей на миллиард в очень слаболегированном кремнии. Типичные значения концентрации попадают где-то в этот диапазон и адаптированы для обеспечения желаемых свойств в устройстве, для которого предназначен полупроводник.

    Влияние на структуру полосы

    Диаграмма полосы работы PN-перехода в режиме прямого смещения, показывающая уменьшение ширины обеднения. Как p-, так и n-переходы легированы на уровне легирования 1 × 10 / см, что приводит к встроенному потенциалу ~ 0,59 В. Об уменьшении ширины обеднения можно судить по сжимающемуся профилю заряда, так как при увеличении прямого смещения обнажается меньше легирующих примесей.

    Легирование полупроводника в хороший кристалл вводит разрешенные энергетические состояния в пределах запрещенной зоны, но очень близко к энергетической зоне, соответствующей типу легирующей примеси. Другими словами, электронодонорные примеси создают состояния вблизи зоны проводимости, в то время как электронно-акцепторные примеси создают состояния около валентной зоны. Зазор между этими энергетическими состояниями и ближайшей энергетической зоной обычно называется энергией связи узла примеси или E B и является относительно небольшим. Например, E B для бора в объеме кремния составляет 0,045 эВ по сравнению с шириной запрещенной зоны кремния примерно 1,12 эВ. Поскольку E B настолько мало, комнатная температура достаточно высока, чтобы термически ионизировать практически все легирующие атомы и создать свободные носители заряда в зоне проводимости или валентной зоне..

    Легирующие примеси также обладают важным эффектом сдвига энергетических зон относительно уровня Ферми. Энергетическая зона, соответствующая допанту с наибольшей концентрацией, заканчивается ближе к уровню Ферми. Поскольку уровень Ферми должен оставаться постоянным в системе в термодинамическом равновесии, наложение слоев материалов с различными свойствами приводит к множеству полезных электрических свойств, вызванных изгибом зон, если интерфейсы могут быть выполнены достаточно чисто. Например, свойства p-n-перехода обусловлены изгибом полосы, который происходит в результате необходимости выстраивать полосы в контактирующих областях материала p-типа и n-типа. Этот эффект показан на полосовой диаграмме . Зонная диаграмма обычно показывает изменение валентной зоны и краев зоны проводимости в зависимости от некоторого пространственного измерения, часто обозначаемого x. Уровень Ферми также обычно указывается на диаграмме. Иногда показан собственный уровень Ферми E i, который является уровнем Ферми в отсутствие легирования. Эти диаграммы полезны для объяснения работы многих типов полупроводниковых устройств.

    Взаимосвязь с концентрацией носителей (низкое легирование)

    При низких уровнях легирования соответствующие энергетические состояния редко заполняются электронами ( зона проводимости) или дырки (валентная зона). Можно написать простые выражения для концентраций электронов и дырок, игнорируя исключение Паули (с помощью статистики Максвелла – Больцмана ):

    ne = NC (T) exp ⁡ ((EF — EC) / к T), nh знак равно NV (T) ехр ⁡ ((EV — EF) / к T), = N _ > (T) \ exp ((E _ > — E _ >) / kT), \ quad n_ = N _ > (T) \ exp ((E _ > — E _ >) / kT),>

    где E F — уровень Ферми, E C — минимальная энергия зона проводимости, а E V — максимальная энергия валентной зоны. Они связаны со значением собственной концентрации через

    ni 2 = nhne = NV (T) NC (T) exp ⁡ ((EV — EC) / k T), ^ = n_ n_ = N _ > (T) N _ > (T) \ exp ((E _ > — E _ >) / kT),>

    выражение, которое не зависит от уровня легирования, поскольку E C — E V (запрещенная зона ) не меняется с допингом.

    Коэффициенты концентрации N C (T) и N V (T) даются как

    NC (T) = 2 (2 π me ∗ k Т / ч 2) 3/2 NV (Т) = 2 (2 π mh ∗ k Т / ч 2) 3/2. > (T) = 2 (2 \ pi m_ ^ kT / h ^ ) ^ \ quad N _ > (T) = 2 (2 \ pi m_ ^ kT / h ^ ) ^ .>

    где m e и m h — плотность состояний, эффективные массы электронов и дырок, соответственно, величины, которые примерно постоянны по температуре.

    Методы легирования и синтеза

    Синтез полупроводников n-типа может включать использование парофазной эпитаксии. При парофазной эпитаксии газ, содержащий отрицательную легирующую примесь, пропускается по пластине подложки. В случае легирования GaAs n-типа сероводород пропускается через арсенид галлия, и сера включается в структуру. Этот процесс характеризуется постоянной концентрацией серы на поверхности. В случае полупроводников в целом для получения желаемых электронных свойств необходимо легировать только очень тонкий слой пластины. Условия реакции обычно находятся в диапазоне от 600 до 800 ° C для n-легирования элементами VI группы, а время обычно составляет 6–12 часов в зависимости от температуры.

    Процесс

    Некоторые легирующие примеси добавляются по мере роста (обычно кремния ) були, что дает каждый пластина практически однородное начальное легирование. Чтобы определить элементы схемы, выбранные области, обычно контролируемые фотолитографией, дополнительно обрабатываются такими процессами, как диффузия и ионная имплантация, последний метод более популярен в большие объемы производства из-за повышенной управляемости.

    Небольшое количество примесей атомов может изменить способность полупроводника проводить электричество. Когда на 100 миллионов атомов добавляется порядка одного атома легирующей примеси, легирование считается слабым или легким. Когда добавляется еще много атомов примеси, порядка одного на десять тысяч атомов, легирование считается сильным или сильным. Это часто обозначается как n + для легирования n-типа или p + для легирования p-типа. (См. Статью о полупроводниках для более подробного описания механизма легирования.)

    Легирующие элементы

    Полупроводники группы IV

    (Примечание: когда обсуждая группы периодической таблицы, физики-полупроводники всегда используют более старые обозначения, а не текущие обозначения групп IUPAC. Например, углеродная группа называется «группой IV», а не «Группа 14».)

    Для полупроводников Группы IV, таких как алмаз, кремний, германий, карбид кремния и кремний германий, наиболее распространенными легирующими добавками являются акцепторы из группы III или доноры из Элементы группы V. Бор, мышьяк, фосфор и иногда галлий используются для легирования кремния. Бор является предпочтительной примесью p-типа для производства кремниевых интегральных схем, поскольку он диффундирует со скоростью, позволяющей легко контролировать глубину перехода. Фосфор обычно используется для объемного легирования кремниевых пластин, в то время как мышьяк используется для диффузии переходов, поскольку он диффундирует медленнее, чем фосфор, и, таким образом, его легче контролировать.

    При легировании чистого кремния элементами группы V, такими как фосфор, добавляются дополнительные валентные электроны, которые становятся несвязанными с отдельными атомами и позволяют соединению быть электропроводящим. полупроводник n-типа. Легирование элементами группы III, в которых отсутствует четвертый валентный электрон, создает «разорванные связи» (дырки) в решетке кремния, которые могут свободно перемещаться. В результате получается электропроводящий полупроводник p-типа. В этом контексте говорят, что элемент группы V ведет себя как электронный донор, а элемент группы III — как акцептор. Это ключевая концепция в физике диода.

    . Очень сильно легированный полупроводник ведет себя больше как хороший проводник (металл) и, таким образом, демонстрирует более линейный положительный тепловой коэффициент. Такой эффект используется, например, в сенсорах. Более низкая дозировка легирования используется в других типах (NTC или PTC) термисторов.

    кремниевых примесей

    • Акцепторов, p-тип
      • Бор является легирующей примесью p-типа. Его скорость диффузии позволяет легко контролировать глубину стыка. Распространено в технологии CMOS. Может быть добавлен путем диффузии газа диборана. Единственный акцептор с достаточной растворимостью для эффективных эмиттеров в транзисторах и других приложениях, требующих чрезвычайно высоких концентраций примеси. Бор диффундирует примерно так же быстро, как и фосфор.
      • Алюминий, используется для глубокой p-диффузии. Не популярен в СБИС и ULSI. Также обычная непреднамеренная примесь.
      • Галлий — это легирующая примесь, используемая для длинноволновых инфракрасных кремниевых детекторов фотопроводимости в атмосферном окне 8–14 мкм. Кремний, легированный галлием, также перспективен для солнечных элементов из-за длительного времени жизни неосновных носителей заряда без ухудшения срока службы; как таковой он приобретает все большее значение в качестве замены легированных бором подложек для солнечных элементов.
      • Индий — это легирующая добавка, используемая для длинноволновых инфракрасных фотопроводящих кремниевых детекторов в атмосферном окне 3–5 мкм.
      • Phosphorus представляет собой легирующую добавку n-типа. Он быстро диффундирует, поэтому обычно используется для объемного легирования или для формирования скважин. Используется в солнечных элементах. Может быть добавлен путем диффузии газа фосфина. Массовое легирование может быть достигнуто посредством ядерной трансмутации путем облучения чистого кремния нейтронами в ядерном реакторе. Фосфор также захватывает атомы золота, которые в противном случае быстро диффундируют через кремний и действуют как центры рекомбинации.
      • Мышьяк является легирующей примесью n-типа. Его более медленная диффузия позволяет использовать его для диффузных переходов. Используется для подземных слоев. Имеет такой же атомный радиус, что и кремний, может быть достигнута высокая концентрация. Его коэффициент диффузии составляет примерно одну десятую от фосфора или бора, поэтому он используется там, где легирующая добавка должна оставаться на месте во время последующей термической обработки. Полезно для мелких диффузий, где требуется хорошо контролируемая резкая граница. Предпочтительная легирующая добавка в схемах СБИС. Предпочтительная легирующая добавка в диапазонах низкого удельного сопротивления.
      • Сурьма представляет собой легирующую добавку n-типа. Имеет небольшой коэффициент диффузии. Используется для подземных слоев. Имеет диффузию, аналогичную мышьяку, используется как его альтернатива. Его диффузия является практически чисто замещающей, без межузельных включений, поэтому она свободна от аномальных эффектов. Из-за этого превосходного свойства его иногда используют в СБИС вместо мышьяка. Сильное легирование сурьмой важно для силовых устройств. Кремний, сильно легированный сурьмой, имеет более низкую концентрацию примесей кислорода; Минимальные эффекты автодопирования делают его пригодным для эпитаксиальных подложек.
      • Висмут — многообещающая добавка для длинноволновых инфракрасных кремниевых детекторов фотопроводимости, жизнеспособная альтернатива n-типа материалу, легированному галлием p-типа.
      • Литий используется для легирования кремния в радиационно-стойких солнечных элементах. Присутствие лития вызывает отжиг дефектов в решетке, вызванных протонами и нейтронами. Литий может быть введен в легированный бором p + кремний в количествах, достаточно низких, чтобы сохранить p-характер материала, или в достаточно большом количестве, чтобы противопоставить его низкоомному типу n.
      • Германий может использоваться для проектирования запрещенной зоны. Слой германия также препятствует диффузии бора во время этапов отжига, обеспечивая сверхмелкие переходы p-MOSFET. Объемное легирование германием подавляет большие пустотные дефекты, увеличивает внутреннее геттерирование и улучшает механическую прочность пластины.
      • Кремний, германий и ксенон могут использоваться в качестве ионных пучков для предварительного аморфизация поверхностей кремниевых пластин. Формирование аморфного слоя под поверхностью позволяет формировать сверхмелкие переходы для p-MOSFET.
      • Азот важен для выращивания бездефектного кристалла кремния. Повышает механическую прочность решетки, увеличивает образование объемных микродефектов, подавляет агломерацию вакансий.
      • Золото и платина используются для контроля срока службы неосновных носителей. Они используются в некоторых приложениях инфракрасного обнаружения. Золото вводит донорный уровень на 0,35 эВ выше валентной зоны и акцепторный уровень на 0,54 эВ ниже зоны проводимости. Платина вводит донорный уровень также на 0,35 эВ выше валентной зоны, но ее акцепторный уровень находится всего на 0,26 эВ ниже зоны проводимости; поскольку акцепторный уровень в кремнии n-типа меньше, скорость генерации пространственного заряда ниже и, следовательно, ток утечки также ниже, чем при легировании золотом. При высоких уровнях впрыска платина лучше подходит для сокращения срока службы. Обратное восстановление биполярных устройств больше зависит от срока службы на низком уровне, и его восстановление лучше выполняется с помощью золота. Золото обеспечивает хороший компромисс между прямым падением напряжения и временем восстановления в обратном направлении для биполярных устройств с быстрым переключением, где необходимо минимизировать заряд, накопленный в областях базы и коллектора. И наоборот, во многих силовых транзисторах требуется длительный срок службы неосновных носителей заряда для достижения хорошего усиления, а примеси золота / платины должны быть низкими.

      Другие полупроводники

      • Арсенид галлия
        • n-типа: теллур, сера ( замещающий As), олово, кремний, германий (заменяющий Ga)
        • p-тип: бериллий, цинк, хром (замещающий Ga), кремний, германий (заменяющий As)
        • n- тип: теллур, селен, сера (замещающий фосфор)
        • p-тип: цинк, магний (замещающий Ga), олово (заменяющий P)
        • n-типа: кремний (заменяющий Ga), германий (заменяющий Ga, лучшее соответствие решетки), углерод (заменяющий Ga, естественным образом встраиваемый в слои MOVPE в низкой концентрации)
        • p-тип: магний (замещающий Ga) — сложный из-за относительно высокой энергии ионизации над краем валентной зоны, сильной диффузии из межузельный Mg, водородные комплексы, пассивирующие акцепторы Mg и за счет самокомпенсации Mg при более высоких концентрациях)
        • n-тип: индий, алюминий (замещающий Cd), хлор (замещающий Te)
        • p-тип: фосфор (замещающий Te), литий, натрий (замещающий Cd)
        • n-тип: галлий (замещающий Cd), йод, фтор (замещающий S)
        • p-тип: литий, натрий (заменяющий Cd)

        Компенсация

        В большинстве случаев в полученном легированном полупроводнике будут присутствовать многие типы примесей. Если в полупроводнике присутствует равное количество доноров и акцепторов, дополнительные остовные электроны, предоставленные первым, будут использоваться для удовлетворения разорванных связей из-за последнего, так что легирование не дает свободных носителей любого типа. Это явление известно как компенсация и возникает на p-n переходе в подавляющем большинстве полупроводниковых устройств. Частичная компенсация, когда количество доноров превышает количество акцепторов, или наоборот, позволяет производителям устройств многократно изменять (инвертировать) тип данной части материала путем последовательного применения более высоких доз легирующих добавок, так называемое контрдопирование . Большинство современных полупроводников изготавливаются путем последовательных этапов селективного контрдопирования для создания необходимых областей типа P и N.

        Хотя компенсация может использоваться для увеличения или уменьшения количества доноров или акцепторов, подвижность электронов и дырок всегда уменьшается за счет компенсации, поскольку на подвижность влияет сумма донорных и акцепторных ионов.

        Легирование проводящих полимеров

        Проводящие полимеры можно легировать путем добавления химических реагентов для окисления или иногда восстановления системы, так что электроны выталкиваются в проводящие орбитали в уже потенциально проводящей системе. Существует два основных метода легирования проводящего полимера, в каждом из которых используется окислительно-восстановительный (т.е. окислительно-восстановительный ) процесс.

        1. Химическое легирование включает воздействие на полимер, такой как меланин, обычно тонкую пленку, окислителем, таким как йод или бром. В качестве альтернативы полимер можно подвергнуть воздействию восстановителя ; этот метод гораздо менее распространен и обычно включает щелочные металлы.
        2. Электрохимическое легирование включает суспендирование покрытого полимером рабочего электрода в растворе электролита, в котором полимер нерастворим вместе с отдельными противоэлектродами и электродами сравнения. Между электродами создается электрическая разность потенциалов, которая заставляет заряд и соответствующий противодействующий ион из электролита проникать в полимер в виде присоединения электронов ( то есть n-легирование) или удаление (то есть p-легирование).

        N-легирование гораздо реже, потому что атмосфера Земли богата кислородом, таким образом создавая окислительная среда. Богатый электронами, n-легированный полимер будет немедленно реагировать с элементарным кислородом, чтобы удалить примесь (то есть повторно окислить до нейтрального состояния) полимера. Таким образом, химическое легирование n-типа должно выполняться в среде инертного газа (например, аргона ). Электрохимическое n-легирование гораздо более распространено в исследованиях, потому что легче исключить кислород из растворителя в герметичной колбе. Однако маловероятно, что проводящие полимеры с примесью n-типа доступны на рынке.

        Легирование органических молекулярных полупроводников

        Молекулярные легирующие примеси предпочтительны для легирования молекулярных полупроводников из-за их совместимости обработки с основным материалом, то есть близких температур испарения или контролируемой растворимости. Кроме того, относительно большие размеры молекулярных примесей по сравнению с размерами примесей ионов металлов (таких как Li и Mo), как правило, полезны, обеспечивая превосходное пространственное ограничение для использования в многослойных структурах, таких как OLED и Органические солнечные элементы. Типичные легирующие примеси p-типа включают F4-TCNQ и Mo (tfd) 3. Однако, подобно проблеме, возникающей при легировании проводящих полимеров, устойчивые к воздуху n-легирующие примеси, подходящие для материалов с низким сродством к электрону (EA), все еще неуловимы. Недавно фотоактивация с помощью комбинации расщепляемых димерных допантов, таких как [RuCpMes] 2, предлагает новый путь к реализации эффективного n-легирования в материалах с низким содержанием EA.

        Магнитное легирование

        Исследования магнитного легирования показали, что на значительное изменение некоторых свойств, таких как удельная теплоемкость, могут влиять небольшие концентрации примеси; например, легирующие примеси в полупроводниковых ферромагнитных сплавах могут создавать различные свойства, как впервые предсказали Уайт, Хоган, Зуль и Накамура. Включение легирующих элементов для придания разреженного магнетизма приобретает все большее значение в области Магнитных полупроводников. Присутствие дисперсных ферромагнитных частиц является ключом к функциональности появляющейся спинтроники, класса систем, в которых помимо заряда используется спин электрона. Используя теорию функционала плотности (DFT), можно смоделировать температурно-зависимое магнитное поведение легирующих примесей в пределах заданной решетки для определения возможных полупроводниковых систем.

        Отдельные легирующие примеси в полупроводниках

        Чувствительная зависимость свойств полупроводника от примесей дала возможность исследовать широкий спектр настраиваемых явлений и применять их к устройствам. Можно идентифицировать влияние одиночной легирующей примеси на характеристики коммерческих устройств, а также на фундаментальные свойства полупроводникового материала. Появились новые приложения, для которых требуется дискретный характер одной примеси, например, односпиновые устройства в области квантовой информации или транзисторы с одной легирующей примесью. Значительный прогресс за последнее десятилетие в наблюдении, контролируемом создании и манипулировании отдельными легирующими добавками, а также их применение в новых устройствах позволили открыть новую область солотроники (оптоэлектроника с одиночными легирующими добавками).

        Нейтронное трансмутационное легирование

        Нейтрон трансмутация легирование (NTD) — необычный метод легирования для специальных приложений. Чаще всего он используется для легирования кремния n-типа в мощной электронике и полупроводниковых детекторах. Он основан на превращении изотопа Si-30 в атом фосфора путем поглощения нейтронов следующим образом:

        30 S i (n, γ) 31 S i → 31 P + β — (T 1 / 2 = 2,62 ч). \ mathrm \, (n, \ gamma) \, ^ \ mathrm \ rightarrow \, ^ \ mathrm + \ beta ^ \; (\ mathrm _ = 2.62h).>

        На практике кремний обычно помещают рядом с ядерным реактором для приема нейтронов. Поскольку нейтроны продолжают проходить через кремний, в результате трансмутации образуется все больше и больше атомов фосфора, и поэтому легирование становится все более сильным. NTD — гораздо менее распространенный метод легирования, чем диффузионная или ионная имплантация, но он имеет преимущество в создании чрезвычайно однородного распределения легирующей примеси.

        Модуляционное легирование

        Модуляционное легирование — это метод синтеза, в котором легирующие примеси пространственно отделены от носителей. Таким образом подавляется рассеяние носителей-доноров, что позволяет достичь очень высокой подвижности.

        См. Также

        • Внешний полупроводник
        • Собственный полупроводник
        • pn переход
        • Список полупроводниковых материалов

        Ссылки

        Внешние ссылки

        • СМИ, связанные с Допинг (полупроводник) на Wikimedia Commons

        Легирование полупроводников У этого термина существуют и другие значения см Легирование Леги рование полупроводников нем

        Леги́рование полупроводников (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — внедрение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

        При производстве полупроводниковых приборов легирование является одним из важнейших технологических процессов (наряду с травлением и осаждением).

        Цели легирования Править

        Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности p-n-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор и мышьяк (позволяют получить n-тип проводимости) и бор (p-тип).

        Симметричные и несимметричные p-n-переходы Править

        В зависимости от степени легирования (концентрации донорной и акцепторных примесей), различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. В симметричных переходах концентрация носителей в областях полупроводника почти одинакова. В несимметричных переходах концентрации могут различаться во много раз.

        Способы легирования Править

        В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, ядерное легирование (нейтронно-трансмутационное легирование, НТЛ) и термодиффузия.

        Ионная имплантация Править

        Основная статья: Ионная имплантация

        Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие p-n-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

        • Загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа).
        • Активация примеси, контроль глубины залегания и плавности p-n-перехода путём отжига.

        Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

        • доза — количество примеси;
        • энергия — определяет глубину залегания примеси (чем выше, тем глубже);
        • температура отжига — чем выше, тем быстрее происходит перераспределение носителей примеси;
        • время отжига — чем дольше, тем сильнее происходит перераспределение примеси.

        Нейтронно-трансмутационное легирование Править

        При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций, вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для легирования подложки, особенно для устройств силовой электроники.

        Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30 Si образуется радиоактивный изотоп 31 Si, который затем испытывает бета-распад с периодом полураспада около 157 минут и образованием стабильного изотопа фосфора 31 P. Образующийся при этом стабильный изотоп 31 P создаёт проводимость n-типа в кремнии. «Под воздействием потока нейтронов в кремнии появляются равномерные вкрапления атомов фосфора».

        В России возможность нейтронно-трансмутационного легирования кремния в промышленных масштабах на реакторах АЭС и без ущерба для производства электроэнергии была показана в 1980 году.

        • 2004 год — доведена до промышленного использования технология легирования слитков кремния диаметром до 85 мм, в частности, на Ленинградской АЭС.
        • 2022 год — на исследовательском реакторе Томского политеха запустили промышленный комплекс ядерного легирования кремния (предельно больших размеров — слитки более 200 мм, до 4 тонн ежегодно).

        В мире производится около 150 тонн ядерно-легированного кремния в год на 2-х десятках облучательных установках (в Германии, Австралии, Южной Корее…). «Силовой» кремний, облучённое сырьё, продаётся в Китай, где сконцентрирована большая часть мирового добавления стоимости электронной промышленности.

        Термодиффузия Править

        Термодиффузия содержит следующие этапы:

        • Осаждение легирующего материала.
        • Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
        • Удаление легирующего материала.

        См. также Править

        • Примесь
        • Полупроводниковые материалы

        Примечания Править

        1. Акимова Г. Н. Электронная техника. — Москва: Маршрут, 2003. — С. 23. — 290 с. — ISBN ББК 39.2111-08.
        2. Технологии модифицирования полупроводниковых материалов(неопр.) . Дата обращения: 23 июля 2016.13 марта 2016 года.
        3. ↑ В Сибири впервые в России начали облучать крупный кремний от 23 декабря 2022 на Wayback Machine — Российская газета
        4. Радиационные технологии на Ленинградской атомной станции(неопр.) . Дата обращения: 23 июля 2016.11 апреля 2016 года.

        Литература Править

        • Глазов В. М., Земсков В. С. Физико-химические основы легирования полупроводников. — М., Наука, 1967. — 371 c.

        Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры

        Дата публикации: Сентябрь 28, 2023, 08:16 am
        Самые читаемые

        Иерофей (Прилуцкий)

        Иезек.

        Идштейн

        Идущий в огне

        Ида Галич

        Идаволл

        Идзьо, Виктор Вячеславович

        Идзясъю

        Идеологическая основа

        Изяслав Владимирович (князь Курский)

        © Copyright 2021, Все права защищены.

        U etogo termina sushestvuyut i drugie znacheniya sm Legirovanie Legi rovanie poluprovodnikov nem legieren splavlyat ot lat ligare svyazyvat vnedrenie nebolshih kolichestv primesej ili strukturnyh defektov s celyu kontroliruemogo izmeneniya elektricheskih svojstv poluprovodnika v chastnosti ego tipa provodimosti Pri proizvodstve poluprovodnikovyh priborov legirovanie yavlyaetsya odnim iz vazhnejshih tehnologicheskih processov naryadu s travleniem i osazhdeniem Soderzhanie 1 Celi legirovaniya 2 Simmetrichnye i nesimmetrichnye p n perehody 3 Sposoby legirovaniya 3 1 Ionnaya implantaciya 3 2 Nejtronno transmutacionnoe legirovanie 3 3 Termodiffuziya 4 Sm takzhe 5 Primechaniya 6 LiteraturaCeli legirovaniya PravitOsnovnaya cel izmenit tip provodimosti i koncentraciyu nositelej v obyome poluprovodnika dlya polucheniya zadannyh svojstv provodimosti polucheniya trebuemoj plavnosti p n perehoda Samymi rasprostranyonnymi legiruyushimi primesyami dlya kremniya yavlyayutsya fosfor i myshyak pozvolyayut poluchit n tip provodimosti i bor p tip Simmetrichnye i nesimmetrichnye p n perehody PravitV zavisimosti ot stepeni legirovaniya koncentracii donornoj i akceptornyh primesej razlichayut simmetrichnye i nesimmetrichnye p n perehody V simmetrichnyh perehodah koncentraciya nositelej v oblastyah poluprovodnika pochti odinakova V nesimmetrichnyh perehodah koncentracii mogut razlichatsya vo mnogo raz 1 Sposoby legirovaniya PravitV nastoyashee vremya tehnologicheski legirovanie proizvoditsya tremya sposobami ionnaya implantaciya yadernoe legirovanie nejtronno transmutacionnoe legirovanie NTL i termodiffuziya Ionnaya implantaciya Pravit Osnovnaya statya Ionnaya implantaciya Ionnaya implantaciya pozvolyaet kontrolirovat parametry priborov bolee tochno chem termodiffuziya i poluchat bolee rezkie p n perehody Tehnologicheski prohodit v neskolko etapov Zagonka implantaciya atomov primesi iz plazmy gaza Aktivaciya primesi kontrol glubiny zaleganiya i plavnosti p n perehoda putyom otzhiga Ionnaya implantaciya kontroliruetsya sleduyushimi parametrami doza kolichestvo primesi energiya opredelyaet glubinu zaleganiya primesi chem vyshe tem glubzhe temperatura otzhiga chem vyshe tem bystree proishodit pereraspredelenie nositelej primesi vremya otzhiga chem dolshe tem silnee proishodit pereraspredelenie primesi Nejtronno transmutacionnoe legirovanie Pravit Pri nejtronno transmutacionnom legirovanii legiruyushie primesi ne vvodyatsya v poluprovodnik a obrazuyutsya transmutiruyut iz atomov ishodnogo veshestva kremnij arsenid galliya v rezultate yadernyh reakcij vyzvannyh oblucheniem ishodnogo veshestva nejtronami NTL pozvolyaet poluchat monokristallicheskij kremnij s osobo ravnomernym raspredeleniem atomov primesi Metod ispolzuetsya v osnovnom dlya legirovaniya podlozhki osobenno dlya ustrojstv silovoj elektroniki 2 Kogda obluchaemym veshestvom yavlyaetsya kremnij pod vozdejstviem potoka teplovyh nejtronov iz izotopa kremniya 30Si obrazuetsya radioaktivnyj izotop 31Si kotoryj zatem ispytyvaet beta raspad s periodom poluraspada okolo 157 minut i obrazovaniem stabilnogo izotopa fosfora 31P Obrazuyushijsya pri etom stabilnyj izotop 31P sozdayot provodimost n tipa v kremnii Pod vozdejstviem potoka nejtronov v kremnii poyavlyayutsya ravnomernye vkrapleniya atomov fosfora 3 V Rossii vozmozhnost nejtronno transmutacionnogo legirovaniya kremniya v promyshlennyh masshtabah na reaktorah AES i bez usherba dlya proizvodstva elektroenergii byla pokazana v 1980 godu 2004 god dovedena do promyshlennogo ispolzovaniya tehnologiya legirovaniya slitkov kremniya diametrom do 85 mm v chastnosti na Leningradskoj AES 4 2022 god na issledovatelskom reaktore Tomskogo politeha zapustili promyshlennyj kompleks yadernogo legirovaniya kremniya predelno bolshih razmerov slitki bolee 200 mm do 4 tonn ezhegodno 3 V mire proizvoditsya okolo 150 tonn yaderno legirovannogo kremniya v god na 2 h desyatkah obluchatelnyh ustanovkah v Germanii Avstralii Yuzhnoj Koree Silovoj kremnij obluchyonnoe syryo prodayotsya v Kitaj gde skoncentrirovana bolshaya chast mirovogo dobavleniya stoimosti elektronnoj promyshlennosti 3 Termodiffuziya Pravit Termodiffuziya soderzhit sleduyushie etapy Osazhdenie legiruyushego materiala Termoobrabotka otzhig dlya zagonki primesi v legiruemyj material Udalenie legiruyushego materiala Sm takzhe PravitPrimes Poluprovodnikovye materialyPrimechaniya Pravit Akimova G N Elektronnaya tehnika Moskva Marshrut 2003 S 23 290 s ISBN BBK 39 2111 08 Tehnologii modificirovaniya poluprovodnikovyh materialov neopr Data obrasheniya 23 iyulya 2016 Arhivirovano 13 marta 2016 goda 1 2 3 V Sibiri vpervye v Rossii nachali obluchat krupnyj kremnij Arhivnaya kopiya ot 23 dekabrya 2022 na Wayback Machine Rossijskaya gazeta Radiacionnye tehnologii na Leningradskoj atomnoj stancii neopr Data obrasheniya 23 iyulya 2016 Arhivirovano 11 aprelya 2016 goda Literatura PravitGlazov V M Zemskov V S Fiziko himicheskie osnovy legirovaniya poluprovodnikov M Nauka 1967 371 c Istochnik https ru wikipedia org w index php title Legirovanie poluprovodnikov amp oldid 130052221

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *