Легирование полупроводников и получение p-n-переходов.

Чистый беспримесный полупроводник - исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов. В нем создают электронно-дырочный -переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т. д.

Для получения в монокристаллах определенной проводимости применяют специальное легирование очищенных германия или кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает

Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т. е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью - один из способов получения легированных монокристаллов германия и кремния.

Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициента распределения. Только в этом случае при

Рис. 17.19. Зонное выравнивание монокристалла

обогащении расплава легирующей примесью состав растущего монокристалла незначительно изменяется по длине и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.

Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания (см. рис. 17.16). Используя это, можно начать процесс выращивания монокристалла из расплава при скорости Для компенсации увеличения концентрации легирующей примеси в расплаве вследствие убыли атомов полупроводника скорость вытягивания со временем несколько снижают. Это приводит к снижению К и обеспечивает постоянство легирующей присадки в растущем монокристалле.

ТАБЛИЦА 17.7. Свойства чистого и легированного германия и кремния

Метод зонного выравнивания (рис. 17.19) применяют также для получения легированных монокристаллов с однородной проводимостью по длине.

Очищенный монокристалл вместе с затравкой помещают в вакуумную камеру. После оплавления затравки индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью. В расплавленную зону вводят легирующую примесь.

Из формулы (17.3) следует, что постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом К, если легирующая примесь введена в него в большом количестве и убыль ее в ходе процесса ничтожно мала. При большом значении К (см. рис. 17.19) расплав быстро обедняется, что вызывает уменьшение примеси в монокристалле.

Степень легирования, так же как и степень очистки, контролируют изменением электрического сопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости, время жизни или диффузионную длину Измеренные параметры указывают в марках легированных полупроводников.

Некоторые марки чистого и легированного германия и кремния приведены в табл. 17.7. Первая цифра в марке указывает значение электрического сопротивления, а вторая - диффузионную длину L.

Для получения -переходов используют диффузионный или сплавно-диффузионный

методы и ионное легирование в тлеющем разряде.

При диффузионном методе легирующая примесь попадает в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входит легирующая примесь. Так, для диффузии донорной примеси - фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаряется, переносится потоком аргона в зону диффузии с более высокой температурой и там диссоциирует с образованием активного атомарного фосфора.

На поверхности пластины фосфор взаимодействует с атомами полупроводника и диффундирует в германий, образуя с ним твердый раствор замещения. Возможность диффузии атомов легирующей примеси обусловлена наличием в полупроводнике точечных дефектов (вакансий).

Этот метод дает хорошую воспроизводимость основных характеристик, что позволяет его использовать в серийном производстве. Кроме этого, он дает возможность вводить примеси совместно, используя различные коэффициенты диффузии вводимых веществ. При диффузии донорной примеси в пластинке германия с -проводимостью на некотором расстоянии от поверхности возникает -переход (рис. 17.20). Меняя температуру процесса и время выдержки, можно получать -переход на любой глубине.

Рис. 17.20. Образование -перехода путем диффузии сурьмы в германии -типа

Рис. 17.21. Образование -переходов путем диффузии сурьмы и галлия в германий -типа

Метод диффузии позволяет получать сразу несколько -переходов в одной пластине. В этом случае газовая среда должна содержать и донорную и акцепторную примеси. Коэффициенты диффузии донорных примесей для германия больше, чем акцепторных. В кремнии, наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее. На рис. 17.21 показана диффузия в дырочный германий акцепторной и донорной примесей. Скорость диффузии донорной примеси больше, а поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном -слое распределение примеси неравномерно. Кроме того, около -перехода концентрация примеси изменяется плавно, что ухудшает характеристики прибора. Этих недостатков лишен -переход, полученный на германии или кремнии сплавно-диффузионным методом.

При сплавно-диффузионном методе на пластину германия с -проводимостью помещают шарик из сплава на основе свинца с примесью галлия (акцептор)

Рис. 17.22. Схема образования -переходов в германии при сплавно-диффузионном методе

и сурьмы (донор) и нагревают до При этой температуре сплав расплавляется, и примесь растворяется в германии. Ее растворимость определяется точкой диаграммы состояния системы германий-примесь (см. рис. 17.12). После выдержки температуру понижают до и растворимость увеличивается (точка а на рис. 17.12). Германий захватывает небольшое количество донорной и акцепторной примесей, но в связи с большей растворимостью в германии галлия, чем сурьмы, эта зона германия, обогащенная примесью, сохраняет -проводимость (рис. 17.22).

Рис. 17.23. Образование -переходов при ионном легировании: а — для низких энергий; б — для высоких энергий

В процессе длительной выдержки при происходит диффузия галлия и сурьмы из образовавшейся -зоны в основную пластинку -германия. Благодаря большей диффузионной подвижности сурьмы в пластинке германия создается зона -проводимости, что в итоге приводит к образованию двух переходов типа .

При ионном легировании используют тлеющий разряд, в котором газовая фаза, содержащая легирующую примесь, ионизируется.

Ионы легирующего элемента внедряются в кристалл. В зависимости от энергии иона внедрение происходит на определенном расстоянии от поверхности (рис. 17.23), что позволяет создавать несколько -переходов.