Способы легирования

Влияние других примесей, находящихся в растворе

Во-первых, в кристалле может происходить взаимодействие примесей, связанное с электронно-дырочным взаимодействием. В качестве примера рассмотрим полупроводник, который легируется донорной примесью в присутствии акцепторной. Если в результате электронно-дырочного взаимодействия при таком легировании возникают недиссоциированные или слабо диссоциированные электронно-дырочные пары, то растворимость донора в присутствии акцептора растет. Действительно, в кристалле происходят следующие квазихимические реакции:

[C _a ] = [C _a ⁻ ] + р,

[C _d ] = [C _d ⁺ ] + e,

e + р = (eh)⁰.

Из закона действующих масс следует, что дырки р, образованные вследствие первой реакции, могут взаимодействовать с электронами e, образованными вследствие второй реакции, и это в конечном итоге увеличит растворимость донорной примеси. Этот процесс эффективен при низких температурах.

Очевидно, что введение в кристалл двух добавок одного знака приводит к взаимному понижению растворимости.

Во-вторых, может происходить взаимодействие между примесными ионами, приводящее к образованию нейтральных пар, устойчивых при низких температурах. Обычно такое взаимодействие реализуется, если один из ионов подвижен.

Подвижными ионами в полупроводнике могут являться, например, ионы примесей внедрения с малыми ионными радиусами; таким образом, нейтральные пары могут образовываться при взаимодействии иона примеси внедрения с ионом примеси замещения. Тогда к выше перечисленным реакциям добавляется еще одна:

[A⁻] + [D⁺] = [A⁻D⁺]⁰,

где A⁻ — ион акцептора; D⁺ — ион донора; [A⁻D⁺]⁰ — нейтральная ионная пара.

Образование нейтральных пар приводит к взаимному увеличению растворимости как донора так и акцептора. Причем процесс будет эффективен и при низких температурах.

I. Легирование непосредственно в процессе получения полупроводникового кристалла:

1. Ведение примеси в расплав в элементарном виде.

Ограничения:

· сложность легирования летучими примесями;

· сложность применения примеси с (при этом требуется навеска малой массы, которую трудно взвесить с большой точностью).

2. Введение примеси в виде лигатуры.

Лигатура – сплав примеси с легируемым полупроводником. В качестве лигатуры используют сильнолегированные кусочки ранее полученного монокристалла. Это удобно, потому, что по электрофизическим свойствам можно судить о концентрации примеси в лигатуре. Используют либо гранулы, либо мерные загрузки. Способ позволяет уменьшить потери летучей примеси и повысить точность легирования.

3. Легирование из газовой фазы.

Источником легирующей примеси служат пары легирующего элемента либо газообразное соединение. В первом случае управление легированием осуществляется за счет введения дополнительной тепловой зоны, позволяющей управлять давлением паров. Во втором – интенсивностью потока газообразного соединения.

Газообразные соединения для легирования: (летучие легко разлагающиеся соединения). Такое легирование легко проводить при проведении процесса зонной плавки, так как постоянен объем расплавленной зоны.

4. Обеспечение управляемого отклонения от стехиометрии, как способа управления свойствами полупроводника.

Метод применим для полупроводниковых соединений, обладающих значительной областью гомогенности, и заключается в легировании соединения собственными атомами. Отклонение от стехиометрии меняет не только концентрацию носителей заряда, но и тип проводимости.

Рис. 51. Диаграмма состояния системы Ga – As (а) и вид области гомогенности соединения GaAs (б). (g – твердый раствор на основе GaAs).

Любое конгруэнтно плавящееся соединение вблизи точки плавления обладает областью гомогенности, обычно носящей ретроградный характер. В качестве примера на рис. 51. приведена область гомогенности арсенида галлия в системе Ga – As.

Тип проводимости выращенного полупроводникового соединения определяется характером твердого раствора на его основе. В системах A^II – B^VI и A^IV – B^VI области гомогенности формируются за счет растворов вычитания, и тип проводимости определяется вакансиями в соответствующих подрешетках. Поэтому при выращивании соединения в области смещенной, относительно стехиометрического состава, к элементу второй или четвертой групп периодической системы наблюдается n–тип проводимости (давление пара летучего компонента шестой группы ниже равновесного). При давлении пара летучего компонента выше равновесного наблюдается p-тип проводимости.

В системах A^III – B^V в образовании твердых растворов участвует более сложный ансамбль точечных дефектов и зависимость типа проводимости от отклонения от стехиометрического состава носит более сложный характер.

II. Введение примеси в уже полученный полупроводниковый кристалл:

1. Диффузионное легирование.

Используется в приборной технологии, осуществляется либо из газовой фазы, либо нанесением диффузанта непосредственно на поверхность полупроводникового материала.

Позволяет легировать только тонкую приповерхностную область и сильно зависит от структурного совершенства исходного кристалла.

2. Ионная имплантация.

Пластина полупроводника в вакууме подвергается бомбардировке ионами легирующего элемента.

Достоинства:

· гибкость (можно менять глубину проникновения ионов; изменяя интенсивность потока ионов, легко управлять уровнем легирования);

· легированию подвергаются тонкие приповерхностные слои.

Недостатки:

· нарушение структуры поверхностного слоя полупроводника и беспорядочный характер вхождения ионов в решетку;

· необходимость после имплантационного отжига пластины, который, перемещая примесь в электрически активные позиции, уменьшает концентрацию образовавшихся дефектов.

3. Облучение полупроводникового материала.

Свойства полупроводника меняются при облучении потоками элементарных частиц.

1. Облучение нейтронами

Например, при облучении кремния нейтронами происходит реакция:

.

Время полураспада составляет ~ 2,6 часа. Фосфор в кремнии является, как известно, донорной примесью.

Достоинства:

· однородное распределение легирующей примеси в кристалле;

· возможно легирование объемных кристаллов большого размера благодаря высокой проникающей способности нейтронов как нейтральных частиц.

Ограничения:

· исходные кристаллы должны быть высокой степени чистоты, так как наличие неконтролируемых примесей может приводить к побочным ядерным реакциям с образованием долго живущих изотопов;

· равномерность потока нейтронов по энергии и интенсивности, так как наличие нейтронов с высокой энергией приводит к нежелательным реакциям;

· возникновение структурных дефектов, и для их удаления необходим отжиг после облучения.

2. Облучение электронами.

Метод основан на регулировании образования собственных точечных дефектов, проявляющих электрическую активность. Широкого применения метод не находит.

Дата добавления: 2014-01-07