Легування напівпровідників - Фізична енциклопедія
ЛЕГУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ - дозоване введення в напівпровідник домішок або структурних дефектів з метою зміни їх електрич. властивостей. наиб. поширене домішкова Л. п. Електрич. властивості легованих напівпровідників залежать від природи і концентрації домішок, що вводяться. Для отримання напівпровідників з електронною провідністю (n-типу) з концентрацією електронів провідності, що змінюється в широких межах, зазвичай використовують донорні домішки, що утворюють "дрібні" енергетич. рівні у забороненій зоні поблизу дна зони провідності Для отримання напівпровідників з дірковою провідністю (р-типу) вводяться акцепторні домішки, що утворюють рівні поблизу стелі валентної зони. Атоми таких домішок при кімнатній температурі (300 К) практично повністю іонізовані (енергія іонізації еВ), так що їх концентрація визначає концентрацію осн. носіїв заряду, яка пов'язана з провідністю а напівпровідника співвідношенням
для електронного типу провідності та
для діркового типу провідності. Тут п – концентрація електронів; р – концентрація дірок; е – заряд електрона; - рухливості електронів та дірок (див. Напівпровідникові матеріали).
Для Се і Si донорами служать елементи підгрупи Va періодич. системи елементів (Р, As, Sb), акцепторами – елементи підгрупи IIIa (В, Al, Ga). Для напівпровідників типу донори – елементи підгрупи VIa (S, Se, Ті), а також Sn. Акцептори-елементи підгрупи ІІа (Be, Mg, Zn, Cd). Домішки Si та Ge у напівпровідниках типу залежно від умов отримання кристалів та епітаксильних шарів можуть проявляти як донорні, так і акцепторні властивості. У напівпровідниках типу та тип і величина провідності зазвичай регулюються відхиленням від стехіометрич. складу,що забезпечує задану концентрацію власних точкових дефектів (вакансії, межвузелъние атоми).
Перелічені домішки, як правило, утворюють у напівпровідниках тверді розчини заміщення і мають високу розчинність (10 18 -10 20 ат/см 3 ) в широкому інтервалі темп-р. Розчинність їх носить ретроградний характер і досягає максимуму в Ge при 700-900 ° С, Si - при 1200-1350 0 С, GaAs - при 1100-1200 0 С. Ці домішки мають малі перерізи захоплення носіїв, є малоефективними центрами рекомбінації і тому слабко впливають час життя носіїв.
Домішки важких і благородних металів (Fe, Ni, Сг, Mb, W, Сu, Ag, Au та ін.) утворюють "глибокі" рівні в забороненій зоні, мають великі перерізи захоплення носіїв та є ефективними центрами рекомбінації, що призводить до значимості. зниження часу життя носіїв. Ці домішки мають малу і яскраво виражену ретроградну розчинність. Їх використовують для отримання напівпровідників з малим часом життя носіїв або з високим питомим опором, що досягається рахунок компенсації дрібних енергетич. рівнів протилежної природи Останнє часто застосовують для одержання напівізолюючих кристалів широкозонних сполук (GaAs, GaP, InP, використовують домішки Fe, Ni, Cr). Основні характеристики найбільш поширених домішок у найважливіших напівпровідниках наведено в табл.
Методи легування. Л. п. зазвичай здійснюють безпосередньо в процесах вирощування монокристалів та епітаксійних структур. Домішка вводиться у розплав, розчин або газову фазу. Розрахунок необхідного вмісту домішки вимагає знання кількісного зв'язку між її концентрацією та властивостями напівпровідника та властивостей домішки: коеф. розподілу До між фазами, пружності парів і швидкості випаровування в широкомуінтервалі темп-р, розчинності у твердій фазі і т. д.
При Л. п. необхідний рівномірний розподіл домішки в об'ємі кристала або за товщиною епітаксійного шару. При спрямованої кристалізації з розплаву рівномірне розподіл домішки по довжині зливка досягається підтримкою постійної її концентрації у розплаві ( рахунок його підживлення) чи програмованим зміною коэф. розподіл домішки. Остання досягається зміною параметрів процесу зростання. Підвищити однорідність розподілу домішок монокристалах можна впливаючи на розплав магн. полем. магніт. поле, прикладене до провідного розплаву, веде до виникнення пондеромоторних сил. Останні різко знижують інтенсивність конвекції та пов'язані з нею флуктуації темп-ри та концентрації домішок. В результаті однорідність кристала підвищується. Однорідного розподілу при епітаксії рідкої фази досягають кристалізацією при пост. темп-ре; у разі газофазної епітаксії, забезпечуючи пост. концентрацію домішки у газовій фазі над підкладкою.
Радіаційне легування. Донори та акцептори можуть виникати внаслідок ядерних реакцій. наиб. важливі реакції під дією теплових нейтронів, які мають велику проникаючу здатність. Це забезпечує однорідність розподілу домішки. Концентрація домішок, що утворюються внаслідок нейтронного опромінення, визначається співвідношенням
метод перспективний для легування GaAs та ін.
Дифузійний метод. p align="justify"> При створенні структур з р-n-переходами використовується дифузійне введення домішки. Профіль розподілу концентрації домішки при дифузії має вигляд плавної кривої, характер якої визначається: темп-рій і часом проведення процесу, товщиною шару, з якого здійснюється дифузія, концентрацією і формоюзнаходження домішки в джерелі, а також се електрич. зарядом та можливістю взаємодії з супутніми домішками та дефектами. Через малі коеф. дифузії дифузійне Л. п. зазвичай проводять при високих темп-рах (для Si при 1100-1350 ° С) і протягом тривалого часу. Воно, як правило, супроводжується генерацією означає. кількість дефектів, зокрема дислокацій. Методом дифузії важко отримати тонкі легіри. шари та різкі р-n-переходи.
- дно зони провідності, - стеля валентної зони.
У дужках зазначена температура, відповідна макс. розчинності.
Для одержання тонких легірів. шарів використовується іонна імплантація, що дозволяє вводити практично будь-яку домішку та керувати її концентрацією та профілем розподілу. Однак у процесі іонного Л. п. виникають точкові дефекти структури, області розпорядження ґрат, а при великих дозах - аморфізовані шари. Тому потрібен наступний відпал. Відпал проводять при темп-рах, значно нижчих, ніж при дифузії (напр., для 700-800 ° С).
Літ.: Горелік С. С., Дашевський М. Я., Матеріалознавство напівпровідників та металознавство, М., 1973; Мільвідський М. Р., Пелевін О. Ст, Сахаров Би. А., Фізикохімічні основи отримання напівпровідникових сполук, що розкладаються, М., 1974; Легування напівпровідників шляхом ядерних реакцій, Новосиб., 1981.