Dotierung
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Eine Dotierung oder das Dotieren (v. lat. dotare „ausstatten“) ist in der Mikroelektronik bei der Chipherstellung das Einbringen (Implantation) von Fremdatomen in eine Schicht oder ins Grundmaterial eines elektronischen Bauteiles oder eines integrierten Schaltkreises, und zwar in geringer Konzentration (Größenordnung ca. 10–5). Dies verändert gezielt die Eigenschaften dieser Schicht, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur. Es gibt hierfür verschiedene Verfahren, z. B. Diffusion, Sublimation aus der Gasphase oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation).
Soll die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern geändert werden, dann wird zwischen p- und n-Dotierung unterschieden. Bei der p-Dotierung werden Fremdatome implantiert, die als Elektronen-Akzeptoren, dienen. Bei n-Dotierung werden hingegen Elektronen-Donatoren implantiert. Für die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei gängigen Halbleiterbauelemente aus Silicium oder Germanium (der vierten Hauptgruppe) kommen für p-Gebiete die Elemente aus der dritten Hauptgruppe wie beispielsweise: Bor, Indium, Aluminium oder Gallium und für n-Gebiete die Elemente aus der fünften Hauptgruppe wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon zum Einsatz.
Der III-V-Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) wird beispielsweise mit den vierwertigen Elementen Kohlenstoff oder Silicium dotiert.
Eine andere in der Mikroelektronik häufig genutzte Anwendung ist das Dotieren von Siliciumdioxid mit Bor oder Phosphor. Das entstehende Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG) hat einen um 600 bis 700 K niedrigeren Schmelzpunkt als Siliciumdioxid. Dadurch eignet sich BPSG beispielsweise für die Planarisierung der Waferoberfläche mit Hilfe eines Reflow-Prozesses.
[Bearbeiten] p- und n-Dotierung (am Beispiel von Silicium)
Ein Siliciumeinkristall besteht aus IV-wertigen Siliciumatomen. Die vier Außenelektronen (Valenzelektronen) eines jeden Siliciumatoms bauen vier Atombindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur; dies macht alle vier Elektronen zu Bindungselektronen.
Bei der n-Dotierung (n für die freibewegliche negative Ladung, die dadurch eingebracht wird) werden V-wertige Elemente, die sogenannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür IV-wertige Silicium-Atome. Ein V-wertiges Element hat fünf Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung, sodass bei der Einbindung in den Siliciumkristall ein Außenelektron des Donators freibeweglich zur Verfügung steht. Dieses Elektron kann beim Anlegen einer Spannung Strom leiten. An der Stelle des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des freibeweglichen Elektrons gegenübersteht.
Bei der p-Dotierung (p für die freibewegliche positive Lücke, auch Loch oder Defektelektron genannt, die dadurch eingebracht wird) werden III-wertige Elemente, die sogenannten Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür IV-wertige Silicium-Atome. Ein III-wertiges Element hat drei Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung. Für die vierte Atombindung im Siliciumkristall fehlt ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ oder Defektelektron bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein freibeweglicher positiver Ladungsträger und kann analog zum negativ geladenen Elektron Strom leiten. Dabei springt ein Elektron – angetrieben durch das äußere Feld – aus einer Atombindung heraus, füllt ein Loch und hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht.
Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung.
Eine genauere Beschreibung der elektrischen Effekte erfolgt durch das Bändermodell.
In der Elektronik benötigt man Dotierungen mit unterschiedlichem Dotierungsgrad. Man unterscheidet hierbei starke Dotierung (n+; p+), mittlere Dotierung (n; p) und schwache Dotierung (n–, p–)
| Symbol | Verhältnisse in Si | Verhältnisse in GaAs |
|---|---|---|
| n– | ||
| p– | ||
| n | 1 Donator/107 Atome | |
| p | 1 Akzeptor/106 Atome | |
| n+ | 1 Donator/104 Atome | 1 Donator/104 Atome |
| p+ | 1 Akzeptor/104 Atome | |
| n++ | ||
| p++ | 1 Akzeptor/103 Atome |
[Bearbeiten] Dotierverfahren
Neben der Zugabe der Dotierstoffe schon bei der Herstellung der Einkristalle gibt es zwei Möglichkeiten der Dotierung während des Fertigungsprozesses von integrierten Schaltungen:
[Bearbeiten] Siehe auch
- Minoritätsladungsträger
- Majoritätsladungsträger
- p-n-Übergang zu den elektrischen Vorgängen
- Bipolartransistor in npn- oder pnp-Bauweise
