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

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

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

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

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

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

Термодиффузия содержит следующие этапы:

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

См. также

• Примесь
• Полупроводниковые материалы

Примечания

Литература

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