Dotierung

Eine Dotierung oder das Dotieren (von lat. dotare „ausstatten“) bezeichnet in der Halbleitertechnik das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht oder ins Grundmaterial eines integrierten Schaltkreises. Die dabei eingebrachte Menge ist dabei sehr klein im Vergleich zum Trägermaterial (zwischen 0,1 ppb und 100 ppm). Die Fremdatome sind Störstellen im Halbleitermaterial und verändern gezielt die Eigenschaften des Ausgangsmaterials, meistens die Leitfähigkeit oder die Kristallstruktur. Es gibt verschiedene Dotierungsverfahren, zum Beispiel Diffusion, Elektrophorese, Sublimation aus der Gasphase 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 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 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.

p- und n-Dotierung

n-Dotierung im Siliciumkristallgitter mit Phosphor

p-Dotierung im Siliciumkristallgitter mit Aluminium

Am Beispiel von Silicium, dem meistverwendeten Basismaterial für Halbleiterbauelemente, soll nachfolgend kurz beschrieben werden, was unter n- beziehungsweise p-Dotierung verstanden wird.

Ein Siliciumeinkristall besteht aus vierwertigen Siliciumatomen. Die vier Valenzelektronen (Außenelektronen) 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 fünfwertige Elemente, die so genannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein fünfwertiges Element hat fünf Außenelektronen für Atombindungen zur Verfügung, sodass beim Austausch eines Siliciumatoms durch ein Fremdatom im Kristall ein Außenelektron des Donators (quasi) freibeweglich zur Verfügung steht (eigentlich in einem Energieniveau dicht unterhalb des Leitungsbandes gebunden). 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 dreiwertige Elemente, die so genannten Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein dreiwertiges 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 (im Valenzband) 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^–)

Typische Dotierungsbereiche von Halbleitern (Bezeichnung und Konzentration gegenüber Basismaterial)

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

Durch räumlich benachbarte unterschiedlicher 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, so genannte 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

Übersicht

Neben der Zugabe der Dotierstoffe schon bei der Herstellung der Einkristalle gibt es drei Möglichkeiten der Dotierung während des Fertigungsprozesses von integrierten Schaltungen:

• Dotierung während der Kristallzucht
• Legierung
• Diffusion
• Ionenimplantation
• Neutronen-Transmutationsdotierung

Neutronen-Transmutationsdotierung

In speziellen Fällen, etwa bei der Dotierung von Silicium mit Phosphor oder Gallium mit Arsen, kann auch die Neutronen-Transmutationsdotierung (kurz n-Transmutationsdotierung oder „Neutronendotierung“) eingesetzt werden. Dabei wird das Siliciumsubstrat mit Neutronen, durch eine Neutronenquelle erzeugt, beschossen. Einige der stabilen ³⁰Si-Isotope absorbieren dabei ein Neutron und werden zum radioaktiven ³¹Si, das mit einer Halbwertszeit von 2,62 Stunden zu Phosphor zerfällt:^[1][2]

$\mathrm{{}^{30}Si\ + n \longrightarrow {}^{31}Si + \gamma}$

$\mathrm{{}^{31}Si\ \stackrel{\beta^-,\ 2,62\,h} \longrightarrow\ {}^{31}P}$

Aufgrund der geringen Absorption thermischer Neutronen in Silicium lassen sich so sehr homogen dotierte Proben gewinnen. Das Verfahren wird daher bei der Grunddotierung von Substraten vor allem für Bauelemente der Leistungselektronik eingesetzt.

Siehe auch

• Minoritätsladungsträger
• Majoritätsladungsträger

Weblinks

 Commons: Doping (semiconductor) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Dotierverfahren
• Grundlagen des Dotierens

Einzelnachweise

1. ↑ Wilhelm T. Hering: Angewandte Kernphysik. Teubner, Stuttgart 1999, ISBN 3-519-03244-9, S. 201 f.
2. ↑ Josef Lutz: Halbleiter-Leistungsbauelemente. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-34206-0, S. 64 ff.