ЛЕГИ́РОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКО́В

ЛЕГИ́РОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКО́В, до­зи­ро­ван­ное вве­де­ние в по­лу­про­вод­ник при­ме­сей или струк­тур­ных де­фек­тов с це­лью из­ме­не­ния его фи­зич. свойств (элек­трич., маг­нит­ных, оп­тич., ме­ха­нич. и др.). Наи­бо­лее 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 энер­ге­тич. уров­ни в за­пре­щён­ной зо­не вбли­зи дна зо­ны про­во­ди­мо­сти. Для по­лу­че­ния по­лу­про­вод­ни­ков с ды­роч­ной про­во­ди­мо­стью ($p$-ти­па) вво­дят­ся ак­цеп­тор­ные при­ме­си, об­ра­зую­щие уров­ни в за­пре­щён­ной зо­не вбли­зи по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны. Ато­мы та­ких при­ме­сей при ком­нат­ной темп-ре (300 К) прак­ти­че­ски пол­но­стью ио­ни­зо­ва­ны (энер­гия ио­ни­за­ции ⩽0,05 эВ), так что их кон­цен­тра­ция оп­ре­де­ля­ет кон­цен­тра­цию осн. но­си­те­лей за­ря­да.

Для $\ce{Gе}$ и $\ce{Si}$ до­но­ра­ми слу­жат эле­мен­ты под­груп­пы $\ce{Va}$ ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы эле­мен­тов ($\ce{P, As, Sb}$), ак­цеп­то­ра­ми – эле­мен­ты под­груп­пы IIIa ($\ce{B, Al, Ga}$);. Для по­лу­про­вод­ни­ков ти­па А^IIIВ^V до­но­ры – эле­мен­ты под­груп­пы VIa ($\ce{S, Se, Te}$), а так­же $\ce{Sn}$, ак­цеп­то­ры – эле­мен­ты под­групп IIа ($\ce{Be, Mg}$) и IIb ($\ce{Zn, Cd}$). При­ме­си $\ce{Si}$ и $\ce{Ge}$ в по­лу­про­вод­ни­ках ти­па А^IIIВ^V в за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий по­лу­че­ния кри­стал­лов и эпи­так­силь­ных сло­ёв мо­гут про­яв­лять как до­нор­ные, так и ак­цеп­тор­ные свой­ст­ва. Тип и ве­ли­чи­на про­во­ди­мо­сти по­лу­про­вод­ни­ков А^IIВ^VI и А^IVВ^VI обыч­но ре­гу­ли­ру­ют­ся от­кло­не­ни­ем от сте­хио­мет­рич. со­ста­ва, обес­пе­чи­ваю­щим за­дан­ную кон­цен­тра­цию соб­ст­вен­ных то­чеч­ных де­фек­тов (ва­кан­сий, ме­жу­зель­ных ато­мов). Пе­ре­чис­лен­ные при­ме­си, как пра­ви­ло, об­ра­зу­ют в по­лу­про­вод­ни­ках твёр­дые рас­тво­ры за­ме­ще­ния и об­ла­да­ют вы­со­кой рас­тво­ри­мо­стью (10¹⁸–10²⁰ ато­мов/см³) в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур. Они име­ют ма­лые се­че­ния за­хва­та но­си­те­лей заряда, яв­ля­ют­ся ма­ло­эф­фек­тив­ны­ми цен­тра­ми ре­ком­би­на­ции и по­это­му сла­бо влия­ют на вре­мя жиз­ни но­си­те­лей.

При­ме­си тя­жё­лых, бла­го­род­ных и ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лов ($\ce{Fe, Ni, Cr, Nb, W, Cu, Ag, Au, Nd, Sm, Gd, Er}$ 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 рас­тво­ри­мо­стью. Их ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния по­лу­про­вод­ни­ков с ма­лым вре­ме­нем жиз­ни но­си­те­лей или с вы­со­ким удель­ным со­про­тив­ле­ни­ем. Напр., при­ме­си $\ce{Fe, Ni, Cr}$ ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния по­лу­изо­ли­рую­щих кри­стал­лов ши­ро­ко­зон­ных со­еди­не­ний А^IIIВ^V ($\ce{GaAs, GaP, InP}$).

Л. п. обыч­но осу­ще­ст­в­ля­ют не­по­сред­ст­вен­но в про­цес­сах вы­ра­щи­ва­ния мо­но­кри­стал­лов и эпи­так­си­аль­ных струк­тур. Нуж­ное ко­ли­че­ст­во при­ме­си вво­дит­ся в рас­плав, рас­твор или га­зо­вую фа­зу. 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. По­вы­сить од­но­род­ность рас­пре­де­ле­ния при­ме­сей в мо­но­кри­стал­лах мож­но воз­дей­ст­ви­ем на рас­плав маг­нит­но­го по­ля. При­ло­жен­ное к про­во­дя­ще­му рас­пла­ву маг­нит­ное по­ле при­во­дит к воз­ник­но­вению пон­де­ро­мо­тор­ных сил, ко­то­рые сни­жа­ют ин­тен­сив­ность кон­век­ции и свя­зан­ные с ней флук­туа­ции темп-ры и кон­цен­тра­ции при­ме­сей. Од­но­род­но­го рас­пре­де­ле­ния при эпи­так­сии из жид­кой фа­зы дос­ти­га­ют кри­стал­ли­за­ци­ей при по­сто­ян­ной темп-ре, а в слу­чае га­зо­фаз­ной эпи­так­сии – при по­сто­ян­ной кон­цен­тра­ции при­ме­си в га­зо­вой фа­зе над под­лож­кой.

До­но­ры и ак­цеп­то­ры мо­гут воз­ни­кать в ре­зуль­та­те ядер­ных ре­ак­ций (т. н. ра­ди­аци­он­ное ле­ги­ро­ва­ние). Наи­бо­лее важ­ны ре­ак­ции под дей­ст­ви­ем те­п­ло­вых ней­тро­нов, ко­то­рые об­ла­да­ют боль­шой про­ни­каю­щей спо­соб­но­стью. Этот ме­тод обес­пе­чи­ва­ет кон­тро­ли­руе­мое вве­де­ние при­ме­си и од­но­род­ность её рас­пре­де­ле­ния. Од­на­ко в про­цес­се об­лу­че­ния в кри­стал­ле об­ра­зу­ют­ся ра­ди­аци­он­ные де­фек­ты, для уст­ра­не­ния ко­то­рых не­об­хо­дим по­сле­дую­щий вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ный от­жиг. Кро­ме то­го, по­яв­ля­ет­ся на­ве­дён­ная ра­дио­ак­тив­ность, тре­бую­щая дос­та­точ­но дли­тель­ной вы­держ­ки об­раз­цов по­сле их об­лу­че­ния. Этот ме­тод ис­поль­зу­ет­ся, напр., для полу­че­ния од­но­род­но ле­ги­ро­ван­ных фос­фо­ром мо­но­кри­стал­лов крем­ния с вы­со­ким удель­ным элек­трич. со­про­тив­ле­ни­ем, так­же пер­спек­ти­вен для ле­ги­ро­ва­ния $\ce{GaAs}$ и др. по­лу­про­вод­ни­ков.

При соз­да­нии струк­тур с $p–n$-пе­ре­хо­да­ми ис­поль­зу­ет­ся диф­фу­зи­он­ный ме­тод вве­де­ния при­ме­си. Из-за ма­лых ко­эф. диф­фу­зии диф­фу­зи­он­ное Л. п. обыч­но про­во­дят при вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах (для Si при 1100–1350 °C) в те­че­ние дли­тель­но­го вре­ме­ни. Диф­фу­зи­он­ное Л. п., как пра­ви­ло, со­про­во­ж­да­ет­ся ге­не­ра­ци­ей зна­чит. ко­ли­че­ст­ва де­фек­тов, в ча­ст­но­сти дис­ло­ка­ций. Ме­то­дом диф­фу­зии труд­но по­лу­чить тон­кие ле­ги­ро­ван­ные слои и рез­кие $p-n$-пе­ре­хо­ды.

Для по­лу­че­ния тон­ких ле­ги­ро­ван­ных сло­ёв 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 тем­пе­ра­ту­рах, су­ще­ст­вен­но бо­лее низ­ких, чем при диф­фу­зии (напр., для $\ce{Si}$ при тем­пе­ра­ту­рах, мень­ших 700–800 °C).