ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

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 Для получения полупроводников с дырочной проводимостью ( р -типа) вводятся акцепторные примеси, образующие уровни вблизи потолка валентной зоны. Атомы таких примесей при комнатной темп-ре (300 К) практически полностью ионизованы (энергия ионизации эВ), так что их концентрация определяет концентрацию осн. носителей заряда, к-рая связана с проводимостью а полупроводника соотношением

для электронного типа проводимости и

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 доноры - элементы подгруппы VIa (S, Se, Те), а также Sn. Акцепторы-элементы подгруппы IIа (Be, Mg, Zn, Cd). Примеси Si и Ge в полупроводниках типа в зависимости от условий получения кристаллов и эпитаксильных слоев могут проявлять как донорные, так и акцепторные свойства. В полупроводниках типа и тип 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 (10¹⁸-10²⁰ 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.

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

где N₀ - кол-во атомов в единице объёма полупроводника, - сечение поглощения тепловых нейтронов, С - содержание нуклида в естеств. смеси (в %), - 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):

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.

- дно зоны проводимости, -потолок валентной зоны.

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

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.

М. Г. Милъвидский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.