Dotierung
Eine Dotierung oder das Dotieren (von lateinisch dotare, ,ausstatten‘) bezeichnet in der Halbleitertechnik das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht oder in das Grundmaterial eines integrierten Schaltkreises. Die bei diesem Vorgang eingebrachte Menge ist dabei sehr klein im Vergleich zum Trägermaterial (zwischen 0,1 und 100 ppm). Die Fremdatome sind Störstellen im Halbleitermaterial und verändern gezielt die Eigenschaften des Ausgangsmaterials, meistens die elektrische Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur. Dabei kann bereits eine geringfügige Fremdatomdichte eine sehr große Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bewirken.
Es gibt verschiedene Dotierungsverfahren, z. B. Diffusion, Elektrophorese, Resublimation oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation).
Anorganische Halbleiter
Hintergrund
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 der n-Dotierung werden hingegen Elektronen-Donatoren implantiert. Für die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei gängigen Halbleiterbauelementen 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 Elementen wie Kohlenstoff positiv dotiert und Tellur negativ dotiert.
Eine andere in der Mikroelektronik häufig genutzte Anwendung ist das Dotieren von Siliciumdioxid mit Bor oder Phosphor. Das entstehende Borphosphorsilikatglas (BPSG) hat einen um 600 bis 700 Kelvin niedrigeren Schmelzpunkt als Siliciumdioxid. Dadurch eignet sich BPSG beispielsweise für die Planarisierung der Waferoberfläche mit Hilfe eines Reflow-Prozesses.
Beispiel Silizium
Am Beispiel von Silicium, dem meistverwendeten Basismaterial für Halbleiterbauelemente, soll nachfolgend kurz beschrieben werden, was unter n- und p-Dotierung (negativ- bzw. positiv-Dotierung) verstanden wird.
Ein Siliciumeinkristall besteht aus vierwertigen Siliciumatomen. Die vier Valenzelektronen (Außenelektronen) eines jeden Siliciumatoms bauen vier kovalente Bindungen 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 fünfwertige Elemente, die sogenannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein fünfwertiges Element hat fünf Außenelektronen für kovalente Bindungen zur Verfügung, sodass beim Austausch eines Siliciumatoms durch ein Fremdatom im Kristall ein Außenelektron des Donators (quasi) frei beweglich zur Verfügung steht (eigentlich in einem Energieniveau dicht unterhalb des Leitungsbandes gebunden). Das Elektron bewegt sich beim Anlegen einer Spannung, diese Bewegung stellt einen Strom dar. 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 dreiwertige Elemente, die sogenannten Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein dreiwertiges Element hat drei Außenelektronen für kovalente Bindungen zur Verfügung. Für die vierte fehlt im Siliciumkristall ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ oder Defektelektron bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein frei beweglicher positiver Ladungsträger (im Valenzband), es bewegt sich – analog zum negativ geladenen Elektron – , diese Bewegung stellt einen Strom dar. Dabei springt ein Elektron – angetrieben durch das äußere Feld – aus einer kovalenten Bindung 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.
Dotierungsstärke
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 |
p-n-Übergang, Bauteile
Durch räumlich benachbarte unterschiedliche Dotierungsbereiche im Halbleiter kann so beispielsweise ein p-n-Übergang mit einer Raumladungszone gebildet werden, welcher bei herkömmlichen Dioden eine gleichrichtende Wirkung zeigt. Durch komplexe Anordnungen von mehreren p-n-Übergängen können komplexe Bauelemente wie beispielsweise Bipolartransistoren in npn- oder pnp-Bauweise gebildet werden. Die Bezeichnungen npn oder pnp bei Bipolartransistoren bezeichnen die Abfolge der unterschiedlichen Dotierungsschichten. Mit vier oder mehr Dotierungsschichten werden unter anderem Thyristoren bzw. Triacs gebildet.
Organische Halbleiter
Ähnlich wie bei anorganischen Halbleiterkristallen können auch die elektrischen Eigenschaften von elektrisch leitfähigen Polymeren, wie Polyanilin (PANI), und organischen Halbleitern durch Dotierung verändert werden. Durch Substitution von Kohlenstoffatomen in der Kettenstruktur des Polymers ändern sich die Bindungslängen. Auf diese Weise entstehen Zwischenenergieniveaus in den Energiebändern des Moleküls beziehungsweise des Halbleiters insgesamt, sogenannte Polaronen oder Bipolaronen. Analog zu anorganischen Halbleitern wird die Dotierung in zwei Gruppen eingeteilt: Oxidationsreaktion (p-Dotierung) und Reduktionsreaktion (n-Dotierung).
Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern bewegt sich die Dotierungskonzentration in organischen Halbleitern bis in den Prozentbereich. Durch eine solch hohe Dotierung werden allerdings nicht nur die elektrischen, sondern auch alle anderen Eigenschaften des Materials verändert.
Dotierverfahren
Neben der Zugabe der Dotierstoffe schon bei der Herstellung der Einkristalle gibt es weitere Möglichkeiten der Dotierung während des Fertigungsprozesses von integrierten Schaltungen:
- Dotierung während der Kristallzucht
- Legierung
- Diffusion
- Ionenimplantation
- Neutronen-Transmutationsdotierung
