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
правитьОсновная 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
правитьВ 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[1].
Способы легирования
правитьВ настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, ядерное легирование (нейтронно-трансмутационное легирование, НТЛ) и термодиффузия.
Ионная имплантация
правитьИонная 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
правитьПри 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[2].
Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30Si образуется радиоактивный изотоп 31Si, который затем испытывает бета-распад с периодом полураспада около 157 минут и образованием стабильного изотопа фосфора 31P. Образующийся при этом стабильный изотоп 31P создаёт проводимость n-типа в кремнии. «Под воздействием потока нейтронов в кремнии появляются равномерные вкрапления атомов фосфора».[3]
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[4].
- 2022 год — на исследовательском реакторе Томского политеха запустили промышленный комплекс ядерного легирования кремния (предельно больших размеров — слитки более 200 мм, до 4 тонн ежегодно).[3]
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.[3]
Термодиффузия
правитьТермодиффузия содержит следующие этапы:
- Осаждение легирующего материала.
- Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
- Удаление легирующего материала.
См. также
правитьПримечания
править- ↑ Акимова Г. Н. Электронная техника. — Москва: Маршрут, 2003. — С. 23. — 290 с. — ISBN ББК 39.2111-08.
- ↑ Технологии модифицирования полупроводниковых материалов. Дата обращения: 23 июля 2016. Архивировано 13 марта 2016 года.
- ↑ 1 2 3 В Сибири впервые в России начали облучать крупный кремний Архивная копия от 23 декабря 2022 на Wayback Machine — Российская газета
- ↑ Радиационные технологии на Ленинградской атомной станции. Дата обращения: 23 июля 2016. Архивировано 11 апреля 2016 года.
Литература
править- Глазов В. М., Земсков В. С. Физико-химические основы легирования полупроводников. — М., Наука, 1967. — 371 c.